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Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR OPERATING A REFRIGERATION CIRCUIT WITH A SUBLIMATOR FOR CARBON DIOXIDE AS A COOLANT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/067543
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a refrigeration circuit with a sublimator (1) for carbon dioxide as a coolant and to a device for carrying out said method.

Inventors:
LANGEBACH ROBIN (DE)
HESSE ULLRICH (DE)
Application Number:
PCT/DE2016/100488
Publication Date:
April 27, 2017
Filing Date:
October 20, 2016
Export Citation:
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Assignee:
UNIV DRESDEN TECH (DE)
International Classes:
F25B9/00; F25B40/00; F25B41/04; F25B49/02
Foreign References:
EP1939548A12008-07-02
JP2008224206A2008-09-25
US4934156A1990-06-19
DE3824235C11989-10-26
DE2748796A11978-05-03
DE3004114A11980-11-06
DE2335130A11974-04-04
Attorney, Agent or Firm:
SPERLING, Thomas (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit einem Sublimator (1 ) für Kohlendioxid als Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass

der Kältekreislauf unterhalb des Tripeidruckes betrieben wird und dass eine Reinigung des Sublimators (1 ) von Verstopfungen mit oder von Ablagerungen von festem Kohlendioxid durch eine Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach dem Sublimator (1 ) erfolgt, wobei der Druck im Sublimator (1 ) über den Tripeidruck angehoben und das feste Kohlendioxid in flüssiges Kohlendioxid umgewandelt wird und die Verstopfungen und Ablagerungen aufgelöst werden, wonach der Kä Item ittel pfad (2) mindestens teilweise wieder vergrößert und das flüssige Kohlendioxid im Sublimator (1 ) durch den Druckabfall verteilt und nach Unterschreiten des Tripeidruckes in festes oder gasförmiges Kohlendioxid zurückgewandelt wird, wobei die Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelungssignalen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Kohlendioxid in den Sublimator (1 ) geleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) bis zum Verschließen des Kältemittelpfades (2) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Druckverlustgrenzwertes über dem Sublimator (1 ) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit des Verdichtersaugdruckes erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung luftseitig erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung kältemittelseitig erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach einem vorgebbaren Zeitintervall erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit einer Kombination von mehreren Steuer- und Regelungssignalen erfolgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) zwischen 5 und 30 Sekunden erfolgt.

11 . Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend einen Verdichter (9), einen Wärmeübertrager (8) zur Wärmeabgabe sowie einen inneren Wärmeübertrager (7) und einen Sublimator (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass eine Absperrvorrichtung (3) zur Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach dem Sublimator (1 ) im Kältem ittel pfad (2) und ein Bypass (6) mit Drosselvorrichtung zum Expansionsorgan (4) vor dem Sublimator (1 ) angeordnet sind und dass mindestens ein Sensor (5) und eine Steuer- und Regelungsvorrichtung zur Steuerung und Regelung der Absperrvorrichtung (3) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sublimatoren (1 ) parallel geschaltet im Kältekreislauf angeordnet sind.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines

Kältekreislaufes mit einem Sublimator für Kohlendioxid als

Kältemittel

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit Kohlendioxid als Kältemittel, wobei die Kälteerzeugung unterhalb des Tripeidruckes in einem Sublimator erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens. Kohlendioxid, auch als R744 oder als C0 2 bezeichnet, ist ein ideales und vielfach angewendetes natürliches Kältemittel, welches im Temperaturbereich bis etwa -40°C eingesetzt wird. Die vorteilhaften Eigenschaften von Kohlendioxid als Kältemittel bestehen insbesondere darin, dass es nicht brennbar und unter üblichen Bedingungen auch nicht toxisch ist. Der Tripelpunkt von Kohlendioxid liegt bei ca. -56°C und 5,2 bar. Unterhalb der Tripeltemperatur liegt es im festen oder im gasförmigen Zustand vor.

Der konventionelle Kaltdampfprozess mit anderen Kältemitteln verläuft jedoch in aller Regel im Zweiphasengebiet des gasförmigen und flüssigen Zustandes des Kältemittels. Um mit C0 2 als Kältemittel Temperaturen unterhalb von -56°C zu erreichen, muss im Kreislauf der Druck unterhalb des Tripelpunktes abgesenkt werden, wobei somit zumindest teilweise mit Kohlendioxid als Feststoff gearbeitet werden muss. Damit kann jedoch das nutzbare Temperaturniveau bis ca. -78°C oder sogar darunter zugänglich gemacht werden. Im Vergleich zum konventionellen Kaltdampfprozess wird der Verdampfer beim Unterschreiten der Sublimationslinie unterhalb des Tripeidruckes zum Sublimator. Durch die Sublimation des Kohlendioxids aus der festen in die gasförmige Phase entsteht unter Wärmeaufnahme die Nutzkälte.

Aus der Nutzung des Sublimationsprozesses ergeben sich gegenüber dem konventionellen Kaltdampfprozess einige Besonderheiten. Wird ein Verdampfer im konventionellen Kaltdampfprozess von Kältemittel durchströmt, ergibt sich bei Koexistenz von flüssiger und gasförmiger Phase lediglich ein technisch bedingter Druckverlust durch Fluidreibung. Der Druckverlust durch Fluidreibung in den Kanälen des Kältemittelpfades im Verdampfer ist relativ unproblematisch berechenbar und die entsprechenden Wärmeübertrager sind gut auf die jeweiligen Kältemittel mit ihren Dimensionen abstimmbar. Der Druckverlust bleibt bis auf übliche technische Schwankungen im stationären Betrieb der Anlage etwa gleich.

Wird die Kälte jedoch durch Sublimation bereitgestellt, ergibt sich technisch eine andere Situation. Wird ein Sublimator im Kohlendioxidkreislauf unterhalb des Tripelpunktes durchströmt, ergibt sich bei Koexistenz von fester und gasförmiger Phase neben dem technisch bedingten Druckverlust durch Fluidreibung eine weitere, deutlich unbestimmbarere Komponente mit Einfluss auf den Druckverlust. Es kommt zum Anlagern von festem Kohlendioxid an den Wänden des Sublimators sowie zum Agglomerieren von übergroßen C0 2 - Feststoffpartikeln.

In der Konsequenz kommt es zu Querschnittsverengungen oder gar Verblockungen in einzelnen Bereichen des Sublimators, die den Druckverlust erheblich beeinflussen.

Da handelsübliche Wärmeübertrager im Allgemeinen mehrpassig ausgeführt sind, ist ein Verblocken einzelner Pfade nicht auszuschließen und würde den kontinuierlichen Betrieb einer Anlage mit Sublimator erheblich beeinflussen. Unter einem mehrpassigen Wärmeübertrager wird ein Wärmeübertrager verstanden, der im Unterschied zum einpassigen Wärmeübertrager mehrere parallele Kältemittelkanäle aufweist, welche in ihrer Summe als Kältemittelpfad bezeichnet werden. Die Bildung von Verstopfungen oder Ablagerungen von festem Kohlendioxid soll nun mit der in der Erfindung vorgeschlagenen Reinigungsprozedur umgangen beziehungsweise eingeschränkt werden.

Aus der DE 38 24 235 C1 ist eine Kältemaschine-Kälteanlage bekannt, welche ein hilfskraftgesteuertes Verdampferdruck-Regelventil für eine Kälteanlage offenbart.

Die DE 27 48 796 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Materialien unter Verwendung von gespeicherter, kälteerzeugender Kühlung, insbesondere unter Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel. Im Stand der Technik ist aus der DE 30 04 114 A1 ein Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel bekannt. Darin wird das Problem der Bildung von Agglomerationen von festem Kohlendioxid dadurch begegnet, dass die festen Kohlendioxidpartikel in einer nicht gefrierenden Flüssigkeit suspendiert und als Suspension durch den Kreislauf gefördert werden.

Diesem Stand der Technik haftet der Nachteil an, dass apparativ und verfahrenstechnisch sowie auch energetisch und mit Bezug auf die Kosten zusätzliche Aufwendungen erforderlich sind, das Lösungsmittel bereitzustellen, die Anlage zu dimensionieren und die Suspension im Kreislauf zu führen.

Im Stand der Technik sind aus der DE 2 335 130 A1 weiterhin Bemühungen bekannt, Komponenten aus Kälteanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel beispielsweise mit einem selbstreinigenden Ventil auszugestalten. Dabei wird die Strategie verfolgt, dass die Ablagerung von festem C0 2 an den Ventilflächen durch konstruktive Merkmale so gestaltet sind, dass bei einer Betätigung des Ventils diese Flächen zwangsweise mechanisch freigeschabt werden und eine Behinderung der Funktion der Ventile dadurch unterbunden werden soll. Diesem Stand der Technik haftet der Nachteil an, dass in Bezug auf Komponenten mit unbewegten Teilen, wie beispielsweise einem Wärmeübertrager, dieses Lösungskonzept nicht ohne Weiteres adaptierbar ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufes mit einem Sublimator mit Kohlendioxid als Kältemittel sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die das Problem der sich bildenden Verstopfungen oder Ablagerungen von festem Kohlendioxid im Sublimator weitestgehend verhindert oder vermindert.

Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß den selbstständigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit einem Sublimator für Kohlendioxid als Kältemittel gelöst, wobei der Kältekreislauf unterhalb des Tripelpunktes betrieben wird. Dabei entsteht bei der Kälteerzeugung die Besonderheit, dass im Sublimator die Sublimationslinie des Kohlendioxids unterhalb des Tripelpunktes überschritten wird. Erfindungsgemäß erfolgt eine Reinigung des Sublimators von Verstopfungen mit festem C0 2 oder von Ablagerungen von festem C0 2 durch eine gezielte Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades nach dem Sublimator. Dabei wird der Druck im Sublimator über den Tripeidruck angehoben und das feste Kohlendioxid wird in flüssiges Kohlendioxid umgewandelt. Dabei werden die Verstopfungen und Ablagerungen von festem C0 2 aufgelöst. Danach wird der Kältemittelpfad mindestens teilweise wieder vergrößert und das flüssige Kohlendioxid im Sublimator durch den Druckabfall verteilt und nach Unterschreiten des Tripeidruckes in festes oder gasförmiges Kohlendioxid zurückgewandelt. Die Veränderung des Querschnitts des Kältemittelpfades erfolgt dabei in Abhängigkeit von Steueroder Regelungssignalen. Die Erfindung wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass der Sublimator diskontinuierlich mit flüssigem Kohlendioxid oberhalb des Tripeidruckes befüllt wird. Durch nachfolgendes rasches Absenken des Druckes unterhalb des Tripeidruckes wird festes und gasförmiges Kohlendixid in gleichmäßiger Verteilung im Sublimator erzeugt. Das Befüllen des Sublimators mit flüssigem Kohlendioxid erfolgt bevorzugt dann, wenn die Reinigung des Sublimators von festem Kohlendioxid durch Querschnittsverengung nach dem Sublimator durchgeführt wird. Bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades bis zum vollständigen Verschließen des Kältemittelpfades, wobei dann ein Druckanstieg verbunden mit der Verflüssigung des festen Kohlendioxids erreichbar ist. Besonders bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Druckverlustgrenzwertes über dem Sublimator.

Alternativ oder kumulativ erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit des Verdichtersaugdruckes.

Vorteilhaft ist weiterhin die Reduzierung des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung, die luft- beziehungsweise sekundärseitig über dem Sublimator messbar ist.

Weiterhin vorteilhaft lässt sich die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung kältemittelseitig festlegen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades nach einem vorgebbaren Zeitintervall in der Art einer Steuerung. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Reduzierung des Querschnitts des Kältem ittelpfades in Abhängigkeit einer Kombination von mehreren der vorgenannten Steuer- und Regelungssignalen erfolgt.

Die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades kann dabei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen 5 und 30 Sekunden erfolgen.

Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung gelöst, mit welcher das vorbeschriebene Verfahren realisiert werden kann, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Absperrvorrichtung zur Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades nach dem Sublimator im Kältemittelpfad angeordnet ist. Weiterhin ist zur Regelung und Steuerung mindestens ein Sensor und eine Steuer- und Regelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung der Absperrvorrichtung vorgesehen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass es nunmehr möglich ist, feste Kohlendioxidablagerungen in dem als Sublimator ausgeführten Wärmeübertrager durch eine Reinigungsprozedur im laufenden Betrieb aufzulösen bzw. zu verteilen. Durch zeitlich minimale Verzögerungen des Auflösungsprozesses kann nun ein im Wesentlichen kontinuierlicher Kreislaufbetrieb eines Kohlendioxidkreislaufs unterhalb des Tripelpunktes mit gleichbleibender Wärmeübertragungsleistung sichergestellt werden.

Konzeptionsgemäß wird der Sublimator durch das davor liegende Drosselorgan des Kreislaufes kontinuierlich mit Kohlendioxid aus dem Kreislauf versorgt. Zusätzlich kann die kurzzeitige Versorgung des Sublimators mit auf höherem Druck befindlichem C0 2 auch aus einem anderen Reservoir realisiert werden, beispielsweise aus anderen Anlagenzonen, die sich verfahrensbedingt auf einem höheren Druckniveau befinden. Wird durch eine Absperrvorrichtung, beispielsweise in Form eines Magnetventils, nach dem Wärmeübertrager der Durchfluss durch den Sublimator gezielt gestoppt bzw. reduziert, so steigt der Druck im Sublimator an. Übersteigt der Druck kurzzeitig den Tripeidruck des Kohlendioxids von 5,18 bar lösen sich alle Kohlendioxidfeststoffbestandteile physikalisch bedingt sofort auf und es bildet sich flüssiges Kohlendioxid. Danach kann die Absperrvorrichtung ganz oder teilweise wieder geöffnet werden, wodurch die Flüssignester durch den Druckabfall verteilt werden und wieder zu festem beziehungsweise gasförmigem C0 2 zurückgewandelt und dem Hauptstrom zugeführt werden.

Wird die Befüllung des Sublimators mit flüssigem beziehungsweise gasförmigem Kohlendioxid gleichzeitig oder unabhängig von der Reinigungsprozedur zur Befüllung des Sublimators realisiert, so soll die Absperrvorrichtung nach dem Sublimator gerade so weit geöffnet sein, dass der Druck im Sublimator während der Befüllung noch oberhalb des Tripeidruckes liegt. Der Sublimator wird so, ähnlich einem konventionell arbeitenden Verdampfer, mit Kältemittel befüllt. Nach hinreichender Befüllung wird die Absperrvorrichtung nach dem Sublimator gezielt geöffnet und der Druck im Sublimator unterhalb des Tripeidruckes abgesenkt. Dadurch bildet sich im Sublimator eine vorzugsweise homogene Verteilung von festem und gasförmigem C0 2 aus, die zur Kältebereitstellung genutzt werden kann.

Die Reinigungsprozedur dauert vorzugsweise nur wenige Sekunden, so dass der Effekt des kurzzeitigen Temperatur- und Druckanstieges auf die kontinuierliche Kältebereitstellung im Sublimator außerordentlich gering ist. Regelungstechnisch ist das Startsignal für die Reingungsprozedur, also die Betätigung der Absperrvorrichtung zur Reduzierung oder Absperrung des Querschnitts des Kältemittelpfades, durch verschiedene Größen allein oder in Kombination auslösbar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der nachgeschalteten Absperrvorrichtung das Druckniveau im Sublimator bis zur vollständigen Füllung mit vorzugsweise flüssigem C0 2 der Druck oberhalb der Tripelbedingungen gehalten werden kann und danach ein rasches Druckabsenken unterhalb der Tripelbedingungen möglich wird. Der Sublimator ist danach idealerweise gleichmäßig mit festem und gasförmigem C0 2 befüllt.

Nach einer Ausgestaltung wird die Steuer- und Regeleinrichtung über einen Druckverlustgrenzwert über dem Sublimator geregelt. Weitere Steuer- und Regelparameter sind die Auslösung der Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades, der Verdichtersaugdruck, ein Grenzwert für die Temperaturspreizung bzw. die Austrittstemperatur luftseitig, sowie einen Grenzwert für die Temperaturspreizung bzw. die Austrittstemperatur kältemittelseitig sowie der Absolutdruck an verschiedenen Stellen im Sublimator selbst.

Alternativ oder in Kombination kann die Reinigungsprozedur beispielsweise nach einem vorgegebenen Zeitintervall ausgelöst werden. Die Reinigungsprozedur besitzt besonders bei Sublimatoren in mehrpassiger Ausführung eine besondere technische Bewandtnis. Hier ist selbst bei Blockierung oder unerwünschter Querschnittsverengung einzelner Pässe sonst keinerlei Möglichkeit gegeben, den Sublimator von seinen Verblockungen zu befreien. Um jedoch einzelne feste Kohlendioxidablagerungen aufzulösen und zu verteilen beziehungsweise eine homogene Befüllung zu gewährleisten, ist die Verwendung der Reinigungsprozedur auch bei einpassiger Ausführung des Wärmeübertragers als Sublimator vorteilhaft.

Zusammengefasst besteht die Konzeption der Erfindung darin, durch eine zusätzliche Absperrvorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Sublimator nach vorgegebenen Steuerungs- und oder Regelungssignalen kurzzeitig einen Druckanstieg bis über den Tripeidruck von Kohlendioxid auszulösen und damit gebildete Kohlendioxidfeststoffablagerungen aufzulösen beziehungsweise zu verteilen. Der kurzzeitig angestrebte Druckanstieg kann dabei alternativ oder kumulativ auch durch Zuführung von C0 2 aus einem Reservoir mit höherem Druckniveau erfolgen.

Ein Vorteil der Anordnung der Absperrvorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Sublimator besteht zusätzlich darin, dass das Druckniveau beim Befüllen des Sublimators noch leicht oberhalb des Tripeidruckes liegt und erst danach unterhalb des Tripeidruckes abgesenkt wird.

Im Ergebnis ist eine effizientere, kontinuierliche Wärmeübertragung im Sublimator möglich, und der Kreislauf kann quasi-kontinuierlich ohne größere Unterbrechungen arbeiten. Überdies ergibt sich die Möglichkeit, mehrere Sublimatoren bzw. Sektionen derselben parallel zu betreiben und jeweils zunächst gleichmäßig zu befüllen und dann zur Kältebereitstellung im Druck abzusenken, bis das feste C0 2 vollständig sublimiert ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 : Phasendiagramm Kohlendioxid,

Fig. 2: Ausschnitt aus einem Prinzipschaubild eines Kreislaufes mit

Kohlendioxid als Kältemittel und Sublimator,

Fig. 3: Schema einstufiger Grundprozess eines Kreislaufes mit Kohlendioxid als Kältemittel und Sublimator mit innerem Wärmeübertrager,

Fig. 4: Schema zweistufiger Prozess.

In Fig. 1 ist ein Phasendiagramm für Kohlendioxid schematisch dargestellt. In welchem Aggregatzustand sich C02 befindet, hängt nicht nur von dessen Temperatur sondern auch vom Druck ab. Am Tripelpunkt stehen alle drei Phasen fest (f), flüssig (fl) und gasförmig (g) im Gleichgewicht. Für C0 2 liegt der Tripeidruck bei 581 kPa und damit weit oberhalb des Atmosphärendruckes, die dazugehörige Temperatur beträgt ungefähr - 56 °C. Damit ist flüssiges (fl) C0 2 unter Normalbedingungen nicht existent, sondern nur unter erhöhtem Druck. C0 2 kann bei Normalbedingungen nur als Gas oder in festem Zustand als Trockeneis vorliegen. Bei Raumtemperatur geht Trockeneis direkt vom festen (f) in den gasförmigen (g) Zustand über, es sublimiert. Die Linie im Phasendiagramm, welche den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand kennzeichnet, wird auch als Sublimationslinie bezeichnet.

In Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer Kälteanlage mit einem Sublimator 1 zum Erzeugen tieferer Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel dargestellt. Der Sublimator 1 ist ein Wärmeübertrager, der konstruktiv speziell zur Nutzung der Sublimationswärme beim Übergang von festem Kohlendioxid in gasförmiges Kohlendioxid angepasst ist. Der gezeigte Wärmeübertrager ist dabei mehrpassig ausgeführt, so dass es mehrere parallele Kanäle innerhalb des Kältemittelpfades durch den Sublimator 1 hindurch gibt. Der Kältemittel pfad 2 verzweigt sich somit beim Eingang in den Sublimator 1 und wird am Ausgang des Sublimators 1 wieder zusammengeführt. Das Expansionsorgan 4 zur Erzeugung des festen Kohlendioxids ist vor dem Sublimator 1 im Strömungspfad 2 angeordnet und führt zur Bildung von festem Kohlendioxid im Sublimator 1 . In dem Kältemittelpfad 2 nach dem Sublimator 1 ist die zusätzliche Absperrvorrichtung 3 angeordnet, welche mit einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung verbunden ist. Weiterhin ist in Fig. 2 ein optional verwendbarer Bypass 6 mit Drosselvorrichtung dargestellt, über den Kohlendioxid auf einem Druck oberhalb des Tripeidruckes dem Sublimator 1 zugeführt werden kann, um den Prozess des Druckanstieges im Sublimator 1 zu beschleunigen. Eine nachfolgende Druckabsenkung führt zu einer Umwandlung des flüssigen Kohlendioxids in gasförmiges und festes Kohlendioxid.

In Fig. 2 sind schematisch diverse Sensoren 5 im Kreislauf angedeutet, welche jeweils Zustands- und Prozessgrößen verschiedenster Art an die Steuer- und Regeleinrichtung übermitteln, woraufhin von der Regeleinrichtung ein entsprechendes Steuer- oder Regelsignal an die Absperrvorrichtung 3 zum Schließen oder Öffnen derselben übermittelt wird.

In Fig. 3 ist eine einstufige Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager 7 schematisch dargestellt. Die Kälteanlage besteht neben den in Fig. 2 bereits bezeichneten Komponenten in Strömungsrichtung des Kältemittels aus den Komponenten Verdichter 9, einem Wärmeübertrager 8 zur Wärmeabgabe, der je nach Funktion und Zustand des Kältemittels als Rückkühler, Gaskühler oder Kondensator bezeichnet wird sowie dem inneren Wärmeübertrager 7.

Steigt der Druck im Sublimator 1 nach Schließen der Absperrvorrichtung 3 mit unzureichender Geschwindigkeit an, so kann durch den Bypass 6 ebenfalls Kältemittel in den Sublimator 1 eingeleitet werden. Der Bypass 6 zapft das im Kreislauf ohnehin vorliegende höhere Druckniveau auf der Hochdruckseite direkt an. Über das im Bypass 6 eingefügte Drosselorgan kann zusätzlich zum Expansionsventil 4 kurzzeitig ein weiterer Querschnitt geöffnet werden, um eine entsprechend erhöhte Menge an Kohlendioxid zuzuführen. Die Druckerhöhung im Sublimator 1 erfolgt dadurch rascher. Das Drosselorgan im Bypass 6 kann vorzugsweise so ausgeführt werden, dass es eine Freigabe des Öffnungsquerschnitts nur bis knapp oberhalb des Tripeidruckes zulässt. Dadurch können die Komponenten auf der Niederdruckseite des Kreislaufs zusätzlich vor übermäßigem Druckanstieg geschützt werden. Die erforderliche Ansteuerung und die Regelung des Drosselorgans im Bypass 6 kann vorzugsweise ebenfalls durch die in relevanten Zustande- und Prozessgrößen um den Sublimator 1 erfolgen. In Fig. 4 ist eine zweistufige Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager 7 schematisch dargestellt. Entsprechend sind für die Verdichtung auf Mitteldruck ein zusätzlicher Verdichter 9, ein zusätzliches Expansionsorgan 4 für die Hochdruckstufe, ein Rückkühler 8 auf Mitteldruckniveau sowie ein Mitteldruckbehälter 10 im Kreislauf vorgesehen. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass zwei Bypässe 6 für die Zuführung von Kohlendioxid in den Sublimator 1 vorgesehen sind, wobei ein Bypass 6 vom Mitteldruckniveau und ein Bypass 6 vom Hochdruckniveau mit dem Sublimator 1 verbunden ist. Die Anlage stellt eine mögliche, besonders effiziente Ausführungsvariante für einen Sublimationskreislauf mit C0 2 dar.

Beim bevorzugten Prozess kann mit dem Bypass 6 auch das Mitteldruckniveau des Kreislaufs angezapft werden. Dies ist insbesondere dadurch vorteilhaft, dass die Entspannung des Kohlendioxids vom Hochdruck- auf das Mitteldruckniveau bereits stattgefunden hat und der dadurch gewonnene Flüssigkeitsanteil des Kohlendioxids bereits dem Abscheider zugeführt wurde. Gemäß einer nicht dargestellten Variante der Kreisläufe werden mindestens zwei Sublimatoren 1 parallel geschaltet. Dies ermöglicht einen

quasikontinuierlichen Betrieb der Kälteanlage, so dass keine Unterbrechung der Kälteerzeugung während der Reinigungsprozedur erfolgt.

Bezugszeichenliste

1 Sublimator

2 Kaltem ittel pfad

3 Absperrvorrichtung

4 Expansionsorgan

5 Sensor

6 Bypass mit Drosselvorrichtung

7 Innerer Wärmeübertrager

8 Rückkühler, Gaskühler, Kondensator

9 Verdichter

10 Mitteldruckbehälter