Diffusionsabsorptionsanlagen
sind u.a. als Kälteanlagen
zur Verwendung in Kühlschränken bekannt.
Sie können
aber mit einer entsprechenden konstruktiven Gestaltung auch als
Wärmepumpen
zu Heiz- oder Kühlzwecken
eingesetzt werden. In bekannten Anlagen wird in der Regel als Kältemittel Ammoniak
(NH3) und als Lösungsmittel oder absorbierender
Stoff Wasser eingesetzt, also Ammoniak – Wasser als Arbeitsstoffpaar.
Zum Druckausgleich wird weiterhin ein Hilfs- oder Inertgas, beispielsweise Wasserstoff
oder Helium verwendet. Die Wärmezufuhr
erfolgt in einem Kocher. Durch Sieden werden Dampfblasen aus der
an ammoniakreichen Lösung ausgetrieben
und hierdurch einerseits ein Lösungskreislauf
und ein Ammoniakkreislauf erzeugt. Der Wasseranteil in dem von den
Dampfblasen gebildeten Dampfstrom wird in einem Rektifikator abgeschieden,
so daß dann
fast reiner Ammoniak-Dampf zum Kondensator der Anlage strömt. Der
Ammoniakdampf kondensiert im Kondensator und gibt dabei die Kondensationswärme über einen
Kondensatorwärmetauscher
an die Umgebung oder beispielsweise an das Heizungswasser einer
Heizung ab. Anschließend
strömt
das flüssige
Ammoniak aus dem auf einem höheren
Niveau angeordneten Kondensator nach unten in einen Verdampfer,
in dem das Ammoniak in der dort vorhandenen Atmosphäre aus dem Hilfsgas
und Ammoniak verdampft, und zwar unter Aufnahme von Wärme aus
der Umgebung bzw. unter Nutzkälteleistung.
Danach gelangt das Gasgemisch aus Ammoniak-Gas und Hilfsgas über einen
Gaswärmetauscher
in den Absorber, wo das gasförmige
Ammoniak von der dortigen, nur geringen Menge an Ammoniak enthaltenden
Ammoniak-Wasser-Lösung
absorbiert wird und so in den Lösungskreislauf
zurück gelangt.
Die Absorptionswärme
wird über
einen Absorptionswärmetauscher
abgegeben, beispielsweise wieder an das Wasser einer Heizung. Die
mit Ammoniak angereicherte Ammoniak-Wasser-Lösung strömt über einen Vorlauf zurück an den
Kocher.
Bekannt
ist es, derartige Diffusionsabsorptionsanlagen auch für größere Leistungen,
beispielsweise im Bereich von mehreren Kilowatt Heizleistung dadurch
zu realisieren, daß zur
Erzielung der für
die Stoff- und Wärmeübergänge notwendigen
großen
inneren Flächen
die jeweiligen Flüssigsströme im Verdampfer
und Absorber in Teilströme
aufgeteilt und jeweils verteilt auf kleinere Verdampfer- und Absorberwärmetauscher
geleitet werden (
CH 678 103 ).
Auf diese Weise kann grundsätzlich
die Wasser-Ammoniak-Lösung auf
eine Gesamt-Absorberfläche
von mehr als einem Quadratmeter verteilt werden, so daß bei einer
typischen spezifischen Flächenbelastung von
etwa 0,15 Watt/cm
2 mehr als drei Kilowatt
Gesamtabsorberleistung durchaus möglich sind. In gleicher Weise
kann im Verdampfer auch das flüssige Ammoniak
auf eine ähnlich
große
Gesamtfläche
verteilt werden, um so Verdampferleistungen im Kilowattbereich zu
erhalten.
Nachteilig
hierbei ist aber u. a., daß die
Flüssigkeiten
möglichst
genau entsprechend den jeweiligen Oberflächen der kleineren Wärmetauscher
im Verdampfer oder Absorber verteilt werden müssen. Besteht beispielsweise
der gesamte Verdampfer aus vier gleich großen kleineren Verdampfern oder
Teilverdampfern, so ist es erforderlich, die Menge des flüssigen Ammoniaks
möglichst
exakt gleichmäßig auf
diese vier Teilverdampfer zu verteilen. Dies ist wegen des geringen
Volumenstroms von beispielsweise 0,8 Gramm Ammoniak Pro Sekunde
bei etwa einem Kilowatt Verdampferleistung und wegen der bei Diffusionsabsorptionsanlagen
möglichen
geringen Druckdifferenzen technisch sehr aufwendig und auch nur
bedingt kontrollier- oder
steuerbar.
Bei
einer ungleichmäßigen Verteilung
des flüssigen
Ammoniaks auf die Teilverdampfer wird die gewünschte Verdampferleistung nicht
erreicht. Wird nämlich
beispielsweise ein Teilverdampfer mit zuviel flüssigem Ammoniak versorgt, tritt
dieses aus dem Teilverdampfer wieder aus ohne vollständig verdampft
zu sein. Umgekehrt kann ein anderer Verdampfer wegen seiner zu geringen
Versorgung mit flüssigem
Ammoniak nicht ausreichend Verdampferleistung erbringen. In gleicher
Weise wirkt sich eine ungleichmäßige Verteilung
der Wasser-Ammoniak-Lösung
auf beispielsweise gleich große
Teilabsorber ebenfalls negativ auf die Gesamtabsorberleistung aus.
In beiden Fällen
reduzieren sich die Gesamtleistung und/oder der Wirkungsgrad des
Aggregates. Eine ungleichmäßige Verteilung
der Flüssigkeiten
auf die einzelnen Teilverdampfer kann bei dieser bekannten Absorptionsanlage
speziell auch aus einer Schrägstellung
resultieren, d.h. daraus resultieren, daß die betreffende Diffusionsabsorptionsanlage nicht
exakt lotrecht angeordnet bzw. ausgerichtet ist. Bei vielen Anwendungen
ist eine derartige Ausrichtung nicht vorgenommen oder aber z. B.
bei mobilen Anlagen überhaupt
nicht möglich.
Nachteilig
ist bei den bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen für höhere Leistungen
(Leistungen im Bereich von mehreren Kilowatt-Heizleistung) generell,
daß das
Innenvolumen des Aggregats etwa proportional mit den ausgeführten inneren
Oberflächen
von Absorber und Verdampfer ansteigt. So ergibt sich beispielsweise
bei einer Absorberoberfläche von
einem Quadratmeter bereits ein inneres Volumen von wenigstens zehn
Litern. Dieses Volumen steht dann bei Diffusionsabsorptionsanlagen,
die beispielsweise mit Ammoniak als Kältemittel betrieben werden,
unter einem hohen Innendruck, beispielsweise unter einem Innendruck
von 20 bis 25 bar. Hiermit werden die für eigensichere Druckbehälter zulässigen Werte
aus Innendruck multipliziert mit dem Innenvolumen überschritten.
Nachteilig
ist bei bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen für höhere Leistungen im Bereich von
mehreren Kilowatt ferner, daß bei
diesen Anlagen die Füllmenge
an Ammoniak 1,5 Kilogramm oder mehr beträgt. Hierdurch werden dann auch
die für
eigensichere Geräte
erlaubten Füllmengen
für Ammoniak überschritten,
so daß derartige,
dann nicht mehr eigensichere Geräte
in der Regel entsprechend den Normen und gesetzlichen Vorschriften
am Aufstellungsort periodisch überprüft werden
müssen,
was zusätzliche
Kosten verursacht.
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Diffusionsabsorptionsanlage aufzuzeigen,
die diese Nachteile vermeidet und dennoch hohe Heizleistungen auch
im Bereich von mehreren Kilowatt ermöglicht. Zur Lösung dieser
Aufgabe ist eine Diffusionsabsorptionsanlage entsprechend dem Patentanspruch
1 ausgebildet.
Die
erfindungsgemäße Diffusionsabsorptionsanlage
besteht aus wenigstens zwei, vorzugsweise baugleichen und hermetisch
gegeneinander sowie nach außen
verschlossenen Einzeldrucksystemen. Jedes Einzeldrucksystem enthält dabei
eigenständig
alle für
den Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage notwendigen Bauteile.
Solche Bauteile der Einzeldrucksysteme, die (Bauteile) ein größeres Volumen
aufweisen, wie beispielsweise Absorber, Verdampfer und Kondensator
sind in jedem System im wesentlichen übereinander angeordnet. Dadurch weist
jedes Einzeldrucksystem eine kleine Grundfläche auf, so daß die Gesamtgrundfläche der
aus wenigstens zwei Einzeldrucksystemen bestehenden Diffusionsabsorptionsanlage
ebenfalls in ihren Abmessungen kleingehalten werden kann. Bei typischen
Bauhöhen
der Diffusionsabsorptionsanlage von 1200 bis 1900 mm werden kompakte
Abmessungen der gesamten Anlage erreicht, und zwar mit Vorteilen
u. a. bei der Produktion, beim Transport und beim Einbau der Diffusionsabsorptionsanlage.
Ein
weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Diffusionsabsorptionsanlage
besteht in ihrer geringen Schrägstellempfindlichkeit.
Dies ist ebenfalls darauf zurückzuführen, daß Diffusionsabsorptionsanlagen
erfindungsgemäß in mindestens zwei
Einzeldrucksysteme unterteilt ist, die sämtliche notwendigen Bauteile
und damit auch alle Wärmetauscher
jeweils gesondert aufweisen, so daß diese Bauteile in jedem Einzeldrucksystem
der Erfindung insbesondere auch in horizontaler Richtung kleine Abmessungen
aufweisen bzw. die Verteilung des flüssigen Ammoniaks in dem Verdampfer
sowie auch die Verteilung der Wasser-Ammoniak-Lösung in dem Absorber in jedem
Einzeldrucksystem auf eine relativ kleine horizontale Breite erfolgt.
Damit verringert sich die Gefahr einer ungleichmäßigen Verteilung der Flüssigkeiten
auf den jeweiligen Bauteilen während des
Betriebs mit leichter Schrägstellung.
Die Leistung- und
der Wirkungsgrad werden hierdurch durch eine Schrägstellung
weniger stark oder aber überhaupt
nicht beeinflußt.
Diffusionsabsorptionsanlagen
mit höheren Leistungen,
d.h. mit Leistungen im Bereich von mehreren Kilowatt müssen häufig im
Teillastbereich betrieben werden. Dies geschieht in der Regel durch eine
reduzierte Wärmezufuhr
im Kocher. Bei diesem Teillastbetrieb ergeben sich aber vergleichsweise hohe
Verluste, und zwar u.a. beispielsweise bei einem Gasbetrieb durch
ungünstigere
Verbrennung, aber auch ganz allgemein durch innere Verluste, die insbesondere
aus zu großen
Inertgasströmen
resultieren. Der Inertgasstrom einer Diffusionsabsorptionsanlage
wird nämlich
ausschließlich
durch natürliche
Konvektion bewirkt und wird vom Strömungsdruckverlust innerhalb
der Diffusionsabsorptionsanlage nach oben begrenzt. Dieser Druckverlust
ist konstruktiv durch die Leitungsquerschnitte gegeben und auf die
maximale Leistung der Diffusionsabsorptionsanlage ausgelegt und
kann somit während
des Betriebes nicht der jeweiligen Leistung angepaßt werden.
Die erfindungsgemäße Ausbildung
ermöglicht
es, bei einem geringeren Leistungsbedarf der Diffusionsabsorptionsanlage
jedes Einzeldrucksystem, welches seinen eigenen Kocher aufweist,
unabhängig
von dem anderen Einzeldrucksystem ein- oder auszuschalten bzw. zu
regeln. Damit ist beispielsweise bei einer aus drei Einzeldrucksystemen bestehenden
Diffusionsabsorptionsanlage allein durch Zu- und Wegschalten einzelner
Einzeldrucksysteme eine Leistungsabgabe von 100%, 66% und 33% möglich. In
jedem dieser Fälle
arbeiten die im Betrieb befindlichen Einzeldrucksysteme unter Voll-Last,
d.h. mit einem optimalen Wirkungsgrad, so daß auch der Gesamtwirkungsgrad
der Diffusionsabsorptionsanlage optimal ist und überproportional hohe Verluste,
beispielsweise in der Kocherbeheizung oder durch den Inertgasstrom
vermieden sind.
Die
erfindungsgemäße Ausbildung
hat weiterhin erhebliche Vorteile bei der Herstellung, beim Transport
und der Montage gegenüber
herkömmlichen
Diffusionsabsorptionsanlagen für
hohe Leistungen. Wird nämlich,
wie allgemein üblich,
Ammoniak als Kältemittel
verwendet, so bedeutet dies Betriebsdrücke von 20 bis 25 bar und daraus
resultierend ausreichend große
Wandstärken,
beispielsweise mindestens in einem Bereich von 1,5 bis 3 mm für die Elemente
des Systems. Ist die betreffende Diffusionsabsorptionsanlage, wie
ebenfalls allgemein üblich,
aus Stahl hergestellt und sind entsprechend der hohen Leistung die
Bauteile, insbesondere aber auch die Wärmeübertragungsflächen groß dimensioniert, so
ergibt sich für
eine Diffusionsabsorptionsanlage hoher Leistung und in der üblichen
Bauweise ein hohes Gewicht, beispielsweie von 100 bis 180 kg, und zwar
ohne Zusatzbauteile, wie Gehäuse
usw. Diese hohen Gewichte müssen
bei der Herstellung, beim Transport und bei der Montage gehandhabt
werden, was ohne mechanischen Hilfsvorrichtungen nicht möglich ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ergeben
sich für
jedes Einzeldrucksystem oder dessen Bauteile kleinere Abmessungen
und damit auch ein reduziertes Gesamtgewicht des jeweiligen Einzeldrucksystems,
beispielsweise in der Größenordnung
von etwa 30 bis 40 Kilogramm. Dies ermöglicht es, die Einzeldrucksysteme
jeweils einzeln manuell und ohne mechanische Hilfsmittel zu handhaben, d.h.
insbesondere anzuheben, zu transportieren und/oder zu bewegen. Durch
die Vereinfachung der Handhabung bei der Herstellung reduzieren
sich somit auch die Kosten für
Produktionsanlagen und damit die direkten Fertigungskosten. Gleiches
gilt für die
Montage.
Die
in den 1 und 2 dargestellte Diffusionsabsorptionsanlage
besteht aus drei identischen Einzeldrucksystemen 1, 2 und 3.
Jedes dieser Einzeldrucksysteme weist sämtliche für die Funktion notwendigen
Bauteile eigenständig
auf, und zwar als geschlossenes System sowohl gegenüber den übrigen Einzeldrucksystemen
und gegenüber
der Umgebung, jeweils bestehend aus einem Kondensator 4, 4' bzw. 4'', aus einem Verdampfer 5, 5', 5'', aus einem Gaswärmetauscher 6, 6', 6'' und einem Absorber 7, 7' und 7''. Die vorgenannten Bauteile sind
bei der in der 1 dargestellten
Ausführungsform
innerhalb jedes Systems in vertikaler Richtung übereinander angeordnet. Der
Kocher 8, 8', 8'' ist jeweils seitlich neben dem
Absorber 6, 6', 6'' vorgesehen.
Die
in den 3 und 4 dargestellte Diffusionsabsorptionsanlage
besteht wiederum aus drei identischen Einzeldrucksystemen 1a, 2a und 3a,
d.h. jedes dieser Einzeldrucksysteme weist sämtliche für die Funktion notwendigen
Bauteile eigenständig
auf und ist als eigenständiges
Einzeldrucksystem gegenüber
den übrigen
Systemen nach außen
geschlossen. Im Detail weisen die Einzeldrucksysteme 1a, 2a und 3a wiederum
den Kondensator 4, 4', 4'',
den Wärmetauscher 6, 6', 6'' und den Absorber 7, 7', 7'' auf, die in vertikaler Richtung übereinander
angeordnet sind. Der Kocher 8, 8', 8'' ist
seitlich neben dem Absorber 6, 6', 6'' angeordnet.
Der Verdampfer 8, 8', 8'' ist bei dieser Ausführungsform
jeweils gegenüber dem
Kondensator 4, 4', 4'', dem Gaswärmetauscher 6, 6', 6'' und dem Absorber 7, 7', 7'' seitlich versetzt angeordnet.