DE10353058B4 - Kühlanlage nach dem Sorptionsprinzip und Verfahren zu deren Betrieb - Google Patents
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Abstract
Kühlanlage
nach dem Absorptionsprinzip mit einem Absorptionskreis, in dem eine
Pumpe (1) ein wässriges
Absorptionsfluid zwischen einem Absorber (6), in dem es Wasserdampf
aufnimmt, und einem Austreiber (3), in dem Wasser als Dampf wieder
ausgetrieben wird, umwälzt,
und mit einem Sammler (11), in dem der Dampf wieder zur Kondensation
gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid eine wässrige Lösung verwendet
wird, die sich in einem Verdampfer (14) befindet, der über eine
Dampfleitung (7) mit einem Dampfraum des Absorbers (6) in Verbindung
steht und aus dem Sammler (11) mit Kondensat gespeist wird, und
daß der
Austreiber (3) mit einer mechanischen Brüdenverdichtungspumpe (9) zusammenwirkt
sowie eine in das Absorptionsfluid eingetauchte Kondensationsschlange
(10) aufweist, die eingangsseitig mit einem Druckauslaß der mechanischen
Brüdenverdichtungspumpe
(9) und ausgangsseitig mit dem Sammler (11) verbunden ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage nach dem Absorptionsprinzip mit einem Absorptionskreis, in dem eine Pumpe ein wässriges Absorptionsfluid zwischen einem Absorber, in dem es Wasserdampf aufnimmt, und einem Austreiber, in dem Wasser als Dampf wieder ausgetrieben wird, umwälzt, und mit einem Sammler, in dem der Dampf wieder zur Kondensation gebracht wird.
- Solche Anlagen, zum Beispiel mit einer LiBr-Sole, sind aus der Druckschrift
DE 44 15 199 A1 bekannt. Sollen Temperaturen unter 0°C erzielt werden, dann verwendete man bisher Kältemittel, zum Beispiel das giftige Ammoniak, die im Betrieb und bei der Entsorgung Probleme bereiten. Zudem würde man für die Kondensation der niedrig siedenden Komponente des Fluids in dem dem Verdampfer nachgeordneten Sammler eine kostengünstige Wärmesenke ausreichend niedriger Temperatur benötigen, die nicht immer und überall zur Verfügung steht. - Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Kühlanlage anzugeben, mit der eine Kühlfluid-Temperatur deutlich unter 0°C erreichbar ist und die doch eine wässrige Lösung zu verwenden erlaubt, die bei der Entsorgung keine Probleme hervorruft. Außerdem soll auf eine hohe Leistungszahl (COP = coefficient of power) und einen geringen Aufwand an Apparaten sowie an Fremdenergie Wert gelegt werden.
- Diese Aufgabe wird durch die Kühlanlage gemäß dem beiliegenden Hauptanspruch gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie der bevorzugten Mittel zum Betrieb der Anlage wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.
- Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Kühlanlage gemäß der Erfindung. -
2 zeigt eine zweistufige Kühlanlage, die aufbauend auf der Anlage gemäß1 einen weiteren Absorptionskreis und einen Tiefkühlkreis besitzt. - Die Anlage gemäß
1 enthält einen Absorptionskreis, in dem im Betrieb eine Pumpe1 ein Absorptionsfluid von einem Sammelbehälter2 in einen Austreiber3 befördert. Der Austreiber wird durch eine Wärmequelle4 erwärmt, die beispielsweise ein Sonnenkollektor ist und die niedrigsiedende Komponente des Absorptionsfluids, nämlich Wasser, verdampfen läßt. Dadurch wird der Wassergehalt des Fluids verringert. Das heiße Fluid wird dann über einen Kühler5 einem Sprühabsorber6 zugeführt, in den eine Dampfleitung7 mündet, sodaß an Wasser angereichertes Fluid sich am Boden des Sprühabsorbers sammelt. Der Auslaß des Sprühabsorbers6 ist über einen Siphon8 mit dem Sammelbehälter2 verbunden, wodurch sich der Kreis für das Absorptionsfluid schließt. Der Siphon8 hat die Aufgabe, den Gasraum des Sammelbehälters2 von dem des Sprühabsorbers unter allen Betriebsbedingungen zu trennen, was natürlich auch ohne Siphon erreicht werden kann, wenn man den Sammelbehälter so positioniert, daß sein Gasraum in Höhe des Gasraums des Sprühabsorbers liegt. - Der Austreiber
3 ist mit einer Brüdenverdichtungspumpe9 versehen, die den im Gasraum des Austreibers sich bildenden Wasserdampf absaugt und verdichtet in eine im unteren Bereich des Austreibers liegende Kühlschlange10 einspeist. Durch die Verdichtung und den Kühleffekt der Schlange kondensiert der Wasserdampf und fließt dann in einen Sammler11 , der von einer schematisch angedeuteten Wärmesenke12 gekühlt wird. Die Brüdenverdichtungspumpe ist vorzugsweise eine Verdrängungspumpe mit Voreinlaßkühlung, das heißt mit einem zusätzlichen Einlaß für den verdichteten und abgekühlten Dampf in die Pumpenkammer, kurz ehe sich diese zum Auslaß hin öffnet. Dadurch wird die Pumpe entlastet und die Pumpleistung erhöht. - Der Sammler
11 empfängt zwar Wasser vom Austreiber, wird aber zusätzlich über eine Pumpe13 mit dem eigentlichen Kühlfluid beschickt, das aus Wasser und einer Beimischung von Erdalkali- oder Alkali-Halogeniden, -Formiaten, -Acetaten, -Perchloraten oder -Sulfaten besteht, beispielsweise Kaliumformiat KCOOH. Das Absorptionsfluid im Austreiber kann ebenfalls eine dieser Beimischungen enthalten, jedoch braucht dies nicht unbedingt derselbe Stoff zu sein. In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Fluide im Austreiber3 und im Sammler11 nur durch die Konzentration der wässrigen Lösung, die beim Kühlfluid im Sammler11 geringer ist. Die Zufuhr des Kondensats zum Sammler11 führt dort aufgrund der Lösungswärme zu einer Temperaturerhöhung, sodaß die Kühlung mithilfe der Senke12 gegebener Temperatur wirkungsvoller erfolgt. Ein Rührwerk im Sammler11 , das in der Figur angedeutet ist, verbessert den Mischeffekt und vergleichmäßigt so die Wärmeentwicklung. - Das Kühlfluid kommt aus einem Verdampfer
14 , welcher ebenfalls ein Rührwerk15 besitzen kann und über die oben erwähnte Dampfleitung7 seinen Dampf dem Sprühabsorber6 anbietet. Damit ergibt sich ein Kreislauf für das aus dem Verdampfer14 verdampfende Wasser über den Sprühabsorber6 (Absorption von Wasserdampf), den Sammelbehälter2 , den Austreiber3 (Desorption) und den Sammler11 zurück zum Verdampfer14 . Die Förderleistung der Pumpe13 wird so eingestellt, daß sich der Sammler11 nie vollständig entleert. Über ein Ventil17 in einer Verbindungsleitung18 zwischen dem Sammler11 und dem Verdampfer14 kann der Fluidpegel und damit auch die Temperatur im Sammler11 abgesenkt werden, beispielsweise wenn die Senke12 die gewünschte Temperatur alleine nicht schafft. - Die Konzentration des Absorberfluids im Austreiber
3 wird mit einer Sonde16 am Eingang des Sprühabsorbers6 gemessen und durch Steuerung der Pumpe1 auf einen gewünschten Wert nachgeregelt: So lange die Pumpe1 ausgeschaltet ist, steigt die Konzentration im Austreiber. - Schließlich ist noch eine Vakuumpumpe
19 vorhanden, die Permanentgase bei Inbetriebnahme aus den verschiedenen Gasräumen, nämlich dem Austreiber3 , dem Absorber6 , dem Sammlern2 und11 und dem Verdampfer14 absaugt. - Um zu verhindern, daß sich im Kühlfluid Eis bildet, setzt man dem Kühlfluid ein den Gefrierpunkt herabsetzendes Mittel zu, das ausgewählt wird unter Ethylenglykol, Butylenglykol, Polyethern oder Alkoholen.
- Man kann auch bewußt einen Eisschlamm erzeugen, indem man eine Teil-Kristallisation zuläßt, bis zu einem Eisanteil von etwa 30%. Dann wird das Rührwerk
15 eingeschaltet. Jenseits von einem 30%-igen Anteil an Eis, das sich wegen seiner geringeren Dichte gegenüber Wasser an der Oberfläche zusammendrängt, nimmt die Verdampfungsrate im Verdampfer deutlich ab und die Temperatur somit zu. Ein Eisschlamm ist günstig für eine isothermische Kühlung, da die Temperatur konstant bleibt, so lange die Schmelzenthalpie noch wirkt. Weiter kann man zur homogeneren Verteilung von Eiskristallen und zur verbesserten Umwälzbarkeit des Kühlfluids Polyol, Polyethylenoxid oder Polyether dem Kühlfluid zusetzen. - Der Nutzkreislauf des Kühlfluids besteht aus einer Umwälzpumpe
20 und dem Wärmetauscher21 mit dem (nicht dargestellten) Kühlgut. Zu diesem sind noch weitere Kühler parallelgeschaltet, nämlich der bereits erwähnte Kühler5 am Einlaß in den Sprühabsorber und ein Kühler22 in der Rückleitung18 vom Sammler11 zum Verdampfer14 . - Verwendet man als Absorptionsfluid eine wässrige Lösung von Lithiumchlorid LiCl mit einer Konzentration von 40%, dann kann die Temperatur dieses Fluids hinter dem Kühler
5 bei einem Dampfdruck von 1 mbar 20°C, bei einem Dampfdruck von 0,6 mbar 10°C und bei einem Dampfdruck von 0,3 mbar noch 0°C betragen, ohne daß eine Salzkristallisation der Sole auftritt. - Wird im Verdampfer
14 eine KCOOH-Lösung verwendet, dann ergeben sich folgende Temperaturen mit entsprechenden Dampfdrücken bei verschiedenen Konzentrationen von Kaliumformiat KCOOH:
Für eine Konzentration von 28% (Dampfdruck p = 1,0 mbar) ergibt sich bei –20°C noch keine Eiskristallisation. - Für eine Konzentration von 55% (Dampfdruck p = 0,6 mbar) ergibt sich bei –20°C noch keine Kristallisation.
- Für eine Konzentration von 46% (Dampfdruck p = 0,3 mbar) ergibt sich bei –32°C noch keine Kristallisation.
- Für eine Konzentration von 30% (Dampfdruck p = 0,3 mbar) beginnt bei –23°C die Kristallisation.
- Für eine Konzentration von 39% (Dampfdruck p = 0,2 mbar) beginnt bei –35°C die Kristallisation.
- Im Bereich von 0 bis 28% KCOOH-Konzentration kann die Kristallisationstemperatur, bei der sich eine Eis-Suspension bildet, zwischen 0°C und –30°C eingestellt werden. Die Dampfdruckdepression im Vergleich zu Wasser beziehungsweise Eis ist in diesem Bereich nicht hoch.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt abgesehen vom Antrieb der Pumpen und Rührwerke nur preiswerte Wärme-Energie, insbesondere für den Austreiber. Außer einer hohen Leistungszahl zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch einen geringen Apparateaufwand aus, verglichen zum Beispiel mit einer Vorrichtung zum Abschaben von Eis von einer mit Wasser besprühten Kühlwand.
- Die Anlage gemäß
2 unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der oben anhand von1 beschriebenen Anlage, was durch gleiche Bezugszeichen für gleichartige Elemente manifestiert wird. Hier wurde lediglich eine zusätzliche Tiefkühlstufe angefügt, sodaß die Temperatur im Verdampfer14 über 0°C liegen kann. Diese zusätzliche Stufe verwendet als Absorptionsfluid eine wässrige Kaliumformiatlösung, die als Gefrierschutzmittel wirkt. Die Lösung nimmt in einem weiteren Sprühabsorber23 Dampf auf. Letzterer liefert die so angereicherte Lösung über eine Umwälzpumpe32 an einen Austreiber24 , der von einer Wärmequelle25 beheizt wird und dessen Dampfraum über die Leitung7 mit dem Dampfraum des Sprühabsorbers6 in Verbindung steht. Der Kreis für die Kaliumformiatlösung schließt sich über einen Kühler26 , von dem gekühltes, abgereichertes Tiefkühlfluid zu den Sprühköpfen des Sprühabsorbers23 gelangt. Der Wasserverlust im Verdampfer27 kann über ein Ventil31 aus dem Verdampfer14 und durch Rückführung von Kühlfluid aus dem Verdampfer27 mit Hilfe einer Pumpe33 in den Sammler11 ausgeglichen werden. - Die Vakuumpumpe
19 zur Entfernung von Permanentgasen bei Betriebsbeginn erfüllt in dieser Anlage zusätzlich die gleiche Aufgabe in den Gasräumen des weiteren Sprühabsorbers23 , des weiteren Austreibers24 und des weiteren Verdampfers27 . - Aufgabe des Sprühabsorbers
23 ist der Entzug von Wasserdampf aus einem mit einem Rührwerk28 versehenen Verdampfer27 , dessen wässrige KCOOH-Lösung von einer Pumpe29 zu einem Verbraucher-Wärmetauscher30 befördert wird. - Zusätzlich zu den beiden Kreisen mit dem Absorptionsfluid und dem Kühlfluid gemäß
1 gibt es also hier noch eine zweite Stufe mit einem Absorptions- und einem Tiefkühlfluidkreis. Das Absorptionsfluid ist wieder eine wässrige Lösung von KCOOH, und auch das Kühlfluid im Verdampfer14 ist wie bisher KCOOH, jedoch liegt in einer bevorzugten Betriebsform die Vorlauftemperatur des Verbraucher-Wärmetauschers21 der ersten Stufe nur bei –10°C ohne Nutzung der Schmelzenthalpie einer Eis-Suspension. Falls kein Bedarf für eine Kühlung in diesem Temperaturbereich vorliegt, kann der Verbraucherwärmetauscher21 entfallen. Bei einer KCOOH-Konzentration von 63% und einer Temperatur von –10°C im Verdampfer14 hat dieses Fluid einen Dampfdruck von 1,0 mbar. Bei dieser Temperatur kann auch der Kühler 26 am EinlaB in den Absorber23 aus dem Absorberfluid im Verdampfer14 gespeist werden. - Das Tiefkühlfluid soll am Ausgang des Verdampfers
27 eine Temperatur von –32°C erreichen. Eine wässrige KCOOH-Lösung einer Konzentration von 34% kann bei dieser Temperatur eine Fluid/Eissuspension bilden, welche die Schmelzenthalpie von Eis für den Verbraucher-Wärmetauscher nützt. Die Wärmekapazität dieses Fluids ohne Eis beträgt bei einer Temperaturdifferenz von 10 Grad 41,8 kJ/kg. Eine solche Suspension hat bei isothermischer Kühlung eine Wärmekapazität von etwa 100 kJ/kg. Toleriert man eine Erwärmung um 10 Grad, dann erreicht man eine Wärmekapazität von sogar 140 kJ/kg. - Um eine Temperatur von –34°C im Verdampfer
27 zu erreichen, müßte die in den Absorber23 eingespritzte KCOOH-Lösung eine Konzentration von 77% aufweisen. Allerdings kristallisiert bei –10°C das Formiat aus. Hier kann man entweder mit einer Ultraschall-Vorrichtung die Formiatkristalle in Suspension halten oder aber einen Teilstrom des Tiefkühlfluids von der Pumpe29 zum Kühler26 leiten, um die Temperatur der in den Sprühabsorber23 eingespritzten Lösung auf –20°C zu bringen. Man arbeitet dann mit einer Formiat-Konzentration von 71%, die bei –20°C einen Dampfdruck von 0,3 mbar hat. Die Fluid/Eissuspension mit 34% Konzentration hat bei diesen Bedingungen einen Dampfdruck von 0,33 mbar. - Bei der Kühlanlage gemäß
2 ergibt sich eine wesentlich höhere Leistungszahl bei gleicher Endtemperatur als bei der Kühlanlage gemäß1 . Es wäre auch möglich, dieses Kaskadenprinzip auf mehr als zwei Stufen zu erweitern. - Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen in allen Details beschränkt, sondern umfaßt im Rahmen des Hauptanspruchs zahlreiche Varianten, von denen einige oben angedeutet wurden.
Claims (13)
- Kühlanlage nach dem Absorptionsprinzip mit einem Absorptionskreis, in dem eine Pumpe (
1 ) ein wässriges Absorptionsfluid zwischen einem Absorber (6 ), in dem es Wasserdampf aufnimmt, und einem Austreiber (3 ), in dem Wasser als Dampf wieder ausgetrieben wird, umwälzt, und mit einem Sammler (11 ), in dem der Dampf wieder zur Kondensation gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid eine wässrige Lösung verwendet wird, die sich in einem Verdampfer (14 ) befindet, der über eine Dampfleitung (7 ) mit einem Dampfraum des Absorbers (6 ) in Verbindung steht und aus dem Sammler (11 ) mit Kondensat gespeist wird, und daß der Austreiber (3 ) mit einer mechanischen Brüdenverdichtungspumpe (9 ) zusammenwirkt sowie eine in das Absorptionsfluid eingetauchte Kondensationsschlange (10 ) aufweist, die eingangsseitig mit einem Druckauslaß der mechanischen Brüdenverdichtungspumpe (9 ) und ausgangsseitig mit dem Sammler (11 ) verbunden ist. - Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasraum des Austreibers (
3 ) mit einer Vakuumpumpe (19 ) verbindbar ist. - Kühlanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (
14 ) mit einem Rührwerk (15 ) versehen ist, das im Betrieb die Bildung von kompaktem Eis verhindert. - Kühlanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (
13 ) in eine Kühlfluidleitung zwischen dem Verdampfer (14 ) und dem Sammler (11 ) liegt, um letzterem Kühlfluid zuzuführen. - Kühlanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß der Sammler (
11 ) mit einem Rührwerk versehen ist. - Kühlanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Absorptionskreis vorhanden ist, in dem eine Pumpe (
32 ) ein wässriges Absorptionsfluid zwischen einem Absorber (23 ) und einem Austreiber (24 ) umwälzt, und daß dieser Absorber (23 ) Dampf aus einem weiteren Verdampfer (27 ) entzieht, dessen Kühlfluid in einem Verbraucherkreis (29 ,30 ) zirkuliert. - Kühlanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfraum des Austreibers (
24 ) des weiteren Absorptionskreises mit dem Dampfraum des Absorbers (6 ) des ersten Absorptionskreises verbunden ist. - Kühlanlage nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Verdampfer (
27 ) mit einem Rührwerk (28 ) versehen ist. - Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlfluid mindestens ein Stoff aus der Gruppe beigemischt ist, die Erdalkali- und Alkali-Halogenide, -Formiate, – Acetate, -Perchlorate und -Sulfate umfaßt.
- Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid außer Wasser einen Stoff aus der Gruppe enthält, die Polyol, Polyethylenoxid und Polyether umfaßt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlfluid mindestens ein Stoff aus der Gruppe zugesetzt wird, die Ethylenglykol, Butylenglykol, Polyether und Alkohole umfaßt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionsfluid sich vom Kühlfluid lediglich durch seinen geringeren Wassergehalt unterscheidet.
- Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem wässrigen Absorptionsfluid des weiteren Absorptionskreises ein den Gefrierpunkt erniedrigender Stoff zugesetzt wird.
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DE (1) | DE10353058B4 (de) |
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EP2218982A2 (de) | 2009-02-14 | 2010-08-18 | Miwe-Ökokälte GmbH | Absorptionskältemaschine mit wässrigem Kältemittel |
DE102009001998A1 (de) | 2009-02-14 | 2010-08-19 | MIWE-ÖKOKÄLTE GmbH | Absorptionskältemaschine mit Konzentrationsmessvorrichtung |
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2003
- 2003-11-13 DE DE10353058A patent/DE10353058B4/de not_active Expired - Fee Related
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