DE1551306C - Absorptionskühlaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft, ein Absorptionskühlaggregat mit druckausgleichendem Hilfsgas und eine Einrichtung zum Kühlen des Kältemittelkondensats auf seinem Wege vom Kondensator zum Verdampfer.

Das Arbeitsprinzip solcher Aggregate ist allgemein bekannt und z. B. in der schweizerischen Patentschrift 357 419 ausführlich beschrieben. Als Kältemittel wird meistens Ammoniak, als Lösungsmittel Wasser und als druckausgleichendes Hilfsgas Wasserstoff verwendet. Es sind aber ohne weiteres auch andere Stoffe und Stoffkombinationen möglich.

Zur Erreichung möglichst tiefer Temperaturen im Verdampfer eines solchen Absorptionskühlaggregats ist es erforderlich und üblich, das flüssige Kältemittel vorgängig seines Eintrittes in den Verdampfer abzukühlen, sei es durch Wärmeaustausch mit dem den Verdampfer verlassenden kalten, an Kältemittel angereicherten Gasstrom, sei es durch Verdunsten eines Teils davon in einen Teilstrom des an Kältemittel armen Hilfsgases. Die vorliegende Erfindung bezweckt die thermodynamisch richtige Anwendung des zweiten Prinzips.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Absörptionskühlaggregat mit einer eigenstabilisierenden Wirkung auf den ganzen Kreislauf des Systems zu schaffen.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe dadurch, daß zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer in Strömungsrichtung des Kältemittelkondensats ein Wärmeaustauscher und ein Vorverdampfer angeordnet sind, die einerseits vom Kältemittelkondensat und andererseits im Gegenstrom hierzu von einem Hilfsgasteilstrom durchströmt werden, welch letzterer aus dem Hauptstrom des armen Hilfsgases abgezweigt und durch den Vorverdampfer und eine mit einem Teilstück den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers bildende Bypaßleitung geführt ist, die an tiefer gelegener Stelle, vorzugsweise am unteren Ende des Absorbers, in den Gasstrom des reichen Hilfsgases mündet.

Durch das Anbringen des Wärmetauschers im vorbeschriebenen Sinne wird ein Stabilisierungseffekt des Gesamtsystems erreicht, ohne den die Anlage in der vorgesehenen, thermodynamisch interessanten Schaltung sonst nicht arbeiten würde.

Die Teilstücke der Bypaßleitung entlang dem Wär-. metauscher weisen mit der Kondensatleitung einen Neigungswinkel von mindestens 2° gegenüber der Horizontalen auf.

Die Bypaßleitung kann mindestens auf einem Teil ihrer Länge einen Querschnitt aufweisen, der vom kreisrunden Querschnitt abweicht.

Die Kondensatleitung soll derart beschaffen und angeordnet sein, daß sich im Betrieb eine zusammenhängende, freie Flüssigkeitsoberfläche bildet.

Die Kondensatleitung sollte so deformiert sein, daß

eine interne Konvektion des Hilfsgases über der freien Flüssigkeitsoberfläche dadurch verhindert wird. Die Kondensatleitung kann auch einen flachen, z. B. längs ovalen hochgestellten Querschnitt aufweisen.

Ferner kann der Wärmeaustauscher aus einem in vertikaler Richtung flachgedrückten Rohr als Kondensatleitung und aus einem damit wärmeleitend verbundenen und im Verhältnis zu deren Längsachse geneigten Teilstück der Bypaßleitung gebildet sein.

In der Kondensatleitung können Verdrängungsmittel angeordnet sein.

Zwischen dem Kocher und dem Verdampfer können die Dampfleitung, der Kondensator, die Kondensatleitung und der Vorverdampfer die gleiche Ausgangsrohrdimension zeigen.

Die Dampfleitung, der Kondensator, die Kondensatleitung und der Vorverdampfer können auch aus einem einzigen Rohrstück gebildet sein.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Ausführung eines Kreislaufes eines Absorptionskühlaggregates, bei welchem das flüssige Kältemittelkondensat durch Wärmeaustausch mit dem den Verdampfer verlassenden, kalten und an Kältemittel angereicherten Gasstrom vorgekühlt wird,

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von erfindungsgemäßen Ausführungen von Kreisläufen in Absorptionskühlaggregaten,

F i g. 4 einen Schnitt durch den Wärmeaustauscher nach Linie III-III der F i g. 3.

In dem bekannten, in F i g. 1 dargestellten Kreislauf befindet sich ein Kocher 1 mit einer Heizpatrone 2 sowie eine Thermosiphonpumpe mit einem Rohr 4. Ein Flüssigkeitssammler 5, in welchem das Flüssigkeitsniveau oder der Spiegel mit 6 bezeichnet ist, ist über einen Flüssigkeits-Wärmeaustauscher 11 mit dem Kocher 1 verbunden. Im Innern des Rohres 4 befindet sich ein sogenanntes Pumpenrohr 7, dessen oberes Ende mit 8 und unteres Ende mit 3 bezeichnet ist. Der Siederaum des Kochers ist mit 9 bezeichnet. Ein inneres Rohr 10 des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 11 führt die an Kältemittel verarmte Lösung zu einem Absorber 12. Eine Steigleitung 28 verbindet den Rektifikationsteil 33 des Kochers 1 mit einem Kondenser 13, von welchem eine Leitung 14 zum Verdampfer 15 führt. Dieser Verdampfer 15 mündet an einer Stelle 16 in einen Gaswärmeaustauscher 17, wobei ein Teil der Leitung 14, wie aus F i g. 1 ersichtlich, mit dem Gaswärmeaustauscher 17 über eine Strecke 18 in Wärmeaustausch-Verbindung gebracht ist. Eine Druckausgleichsleitung 19 verbindet das Ende des Kondensers 13 mit dem Anfang des Absorbers 12.

Dem Kocher 1 wird durch die elektrische Heizpatrone 2 Wärme zugeführt. Unter Einwirkung dieser Wärme kommt die Lösung im Rohr 4, welches mit der Lösung des Niveaus 6 im Flüssigkeitssammler 5 kommuniziert, am Eintritt 3 der Thermosiphonpumpe zum Sieden. Die sich dabei bildenden Dampfblasen entweichen durch das Pumpenrohr 7 und führen dabei die flüssige Lösung mit. Am oberen Ende 8 des Pumpenrohrs 7 trennt sich die derart nach oben geförderte Flüssigkeit vom Treibdampf und fließt im Gegenstrom zum Dampf, welcher im Siederaum 9 erzeugt wird, nach unten, wobei zwischen beiden ein Rektifikationsvorgang stattfindet. Die an Kältemittel verarmte Flüssigkeit wird durch das Rohr 10 über den Flüssigkeitswärmeaustauscher 11 zum oberen Ende des Absorbers 12 geleitet. Dort sättigt sich die Lösung, vom aufsteigenden reichen Gasstrom Kältemittel absorbierend, wieder mit Kältemittel auf und fließt über den Flüssigkeitssammler 5 wieder dem Kocher 1 zu.

Der im Kocher 1 erzeugte, je nach Prozeßführung mehr oder weniger reine Kältemitteldampf wird im

ίο Kondenser 13 verflüssigt und das Kondensat über die Leitung 14 zum Verdampfer 15 geleitet. Im Verdampfer 15 verdunstet das flüssige Kältemittel unter Wärmeentzug aus der Umgebung in den kältemittelarmen Gasstrom, welcher mit dem Kältemitteldampf angereichert als reiches Gas bei 16 in den Gaswärmeaustauscher 17 geleitet wird. Im Gaswärmeaustauscher 17 wird vornehmlich das aufsteigende arme Gas mit Hilfe des noch kalten, reichen Gases soweit wie möglich abgekühlt. Da aber einerseits der Wasserwert (Spez. Wärme c. Massenstrom) des reichen Gasstromes denjenigen des armen Gasstromes beträchtlich übersteigt und andererseits beim direkten Einleiten des warmen flüssigen Kältemittels in den Verdampfer keine allzu tiefe Temperaturen erreichbar sind, läßt man mit Vorteil auch das Kältemittelkondensat sich am Wärmeaustausch im Gaswärmeaustauscher beteiligen, was durch die Verbindung 18 sichergestellt wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Kälteprozesses verbessert und gleichzeitig die erreichbare Tiefsttemperatur erniedrigt.

Vom thermodynamischen Standpunkt aus betrachtet, wäre es von Vorteil, das Rohr 14 dem ganzen Gaswärmeaustauscher 17 entlang, also bis zum Absorber 12, hinunter zu führen, da jede andere Lösung zwangläufig zu thermodynamischen Irreversibilitäten führen muß. Dies ist aber in den meisten Fällen, zumindest mit einfachen Mitteln, nicht möglich; denn zwischen den Höhen A und B muß für das normale Funktionieren der Kondensatzufuhr zum Verdampfer 15 ein bestimmtes Verhältnis eingehalten werden.

Diese Bedingung ergibt sich beim ersten Start des Aggregates aus dem spezifischen Gewichts-Unterschied zwischen Füllung und reinem Kältemittel; denn die Füllung ist im allgemeinen spezifisch schwerer und kann aus der U-förmigen Leitung 14 nur dann durch das spezifisch leichtere Kältemittel herausgedrückt werden, wenn dieses eine entsprechend größere hydrostatische Höhe aufweist. Die Bedingung folgt aber bei normalem Kühlbetrieb auch aus analogen Gründen aus dem spezifischen Gewichts-Unterschied zwischen warmem und kaltem Kältemittel im rechten bzw. linken Schenkel der U-förmigen Kondensatleitung 14.

Aus diesen physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt schließlich auch die Tatsache, daß unter solchen Umständen die Eintrittsstelle des Kältemittelkondensats in den Verdampfer 15 nicht beliebig hoch gesetzt werden kann.

Dies ist bei manchen Anwendungen, wie z. B. bei Tiefkühlschränken oder Tiefkühlfächern, ein gewichtiges Hindernis; denn wenn der zu kühlende Raum nicht von oben her gekühlt werden kann, dann steigt die Temperatur oberhalb des Kühlkörpers — Verdampfers — rasch an, und es sind tiefere Verdampfertemperaturen oder eine bessere Isolation erforderlich, um z. B. eine gewisse Mindesttemperatur an keiner Stelle des zu kühlenden Raumes zu überschreiten.
Die Druckausgleichsleitung 19 ermöglicht dem

Hilfsgas, für die Dauer des Kühlbetriebes aus dem Kondenser 13 zu entweichen, gemäß F i g. 1 beispielsweise in die untere Absorberhälfte und vice versa.

Bei dem Kühlaggregat gemäß der Erfindung, welches in F i g. 2 schematisch dargestellt ist, wird das Kältemittelkondensat aus dem Kondenser über ein Rohr 20 in einen Vorverdampfer 22 geleitet, wo es im Gegenstrom zu einem abgezweigten Teil des armen Hilfsgases strömend, in dieses hinein verdunstet und sich dabei abkühlt. Bei richtiger Prozeßführung erreicht dabei das flüssige Kältemittel am Ende 24 des Vorverdampfers 22 vor seinem Eintritt in den Verdampfer 15 die dem Armgaszustand entsprechende Kühlgrenztemperatur. Der abgezweigte Teilstrom des armen Gases verläßt hingegen den Vorverdampfer 22 am entgegengesetzten Ende 23 erwärmt und mit Kältemitteldampf angereichert und wird durch ein Rohr 25 an einer tiefer gelegenen Stelle wieder mit dem anderen Teilgasstrom vereinigt, am vorteilhaftesten am unteren Ende des Absorbers 12.

Das Bypaßrohr 25 ist über eine vorbestimmte Länge 21 mit dem Rohr 20 wärmeleitend verbunden, um zu erreichen, daß der Teilgasstrom aus dem Vorverdampfer 22 das Kältemittelkondensat vorkühlt.

Eine Leitung 26 dient, ähnlich wie die Leitung 19 in Fi g. 1, dem Druckausgleich. Sie ist hier jedoch, im Gegensatz zu letzterem, mit dem Bypaßrohr 25 verbunden. Das Vorverdampferrohr 22 wird mit entsprechenden Mitteln, wie z. B. einer Drahtspirale 27, versehen, so daß das Kältemittel die Rohrwand gut benetzt und dadurch ein wirksamer Stoffübergang (Verdunstung) erreicht wird.

Mit einer solchen Prozeßführung und Anordnung ist es möglich, den Verdampfer 15 praktisch beliebig hoch zu setzen, da die Höhe A nur die Bedingung erfüllen muß, daß die dadurch definierte Neigung des Rohrteils 21 das Ablaufen eventuell vorhandener Flüssigkeit aus diesem Rohrteil ermöglicht. Im übrigen gelten auch hier für das Verhältnis A : B die an früherer Stelle angestellten Betrachtungen.

Die an der Flüssigkeitseintrittsseite 23 des Vorverdampfers 22 herrschende Temperatur hängt in erster Linie von der Menge des Hilfsgasteilstromes und somit indirekt vom Strömungswiderstand des Bypaßrohres 25 ab. Dabei kommt es immer auf das Verhältnis der Strömungswiderstände der zwei Teilgasströme an, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß wegen des meistens unterschiedlichen Sättigungsgrades und Temperatur der Teilgasströme, deren spezifisches Gewicht und somit die durch sie erzeugten Antriebe verschieden sind.

Ist der durch den Vorverdampfer 22 durchströmende Teilgasstrom — infolge des relativ kleinen Strömungswiderstandes des Bypaßrohres 25 — verhältnismäßig groß, so wird er verhältnismäßig schwach mit Kältemittel aufgeladen und die Temperatur am oberen Ende 23 des Vorverdampfers 22 verhältnismäßig niedrig, was zu Verlusten durch thermodynamische Irreversibilitäten führt. An der oberen Seite des Vorverdampfers 22 findet nämlich eine plötzliche Temperatursenkung des flüssigen Kältemittels durch Drosselung seines Partialdruckes statt. Je tiefer nun der Sättigungsgrad, d. h. Temperatur und Kältemittelpartialdruck des Teilgasstromes bei 23 sind, um so stärker erfolgt die Drosselung, d. h. Irreversibilität, und um so niedriger wird der Wirkungsgrad.

Vollständig vermeiden läßt sich jedoch dieser Drosselverlust in der Praxis nicht; denn dann müßte der Teilgasstrom außerordentlich klein, d. h. der Strömungswiderstand des Rohres 25 außerordentlich groß sein. Das würde in der Praxis bedeuten, daß man als Bypaßrohr 25 eine Kapillare verwenden müßte. Da aus einer Kapillare die Flüssigkeit nicht selbständig ausläuft und somit kein störungsfreies Funktionieren möglich ist, darf der Durchmesser des

ίο Bypaßrohres 25 ein gewisses Maß nicht unterschreiten. Die Manövrierfähigkeit wird diesbezüglich etwas erhöht, wenn man als Bypaßrohr 25 ein kreisrundes Rohr verwendet, welches zum mindesten auf einem Teil seiner Länge deformiert wird. Dieses Rohr weist einen größeren Strömungswiderstand auf als das ursprünglich runde Rohr gleichen Umfangs, dagegen kleinere Kapillarkräfte als ein rundes Rohr mit gleichem Strömungswiderstand wie das deformierte Rohr.

Ferner wird die Temperatur des flüssigen Kältemittels am unteren Ende 24 des Vorverdampfers 22 bei Herabsetzen des durch den Vorverdampfer 22 durchströmenden Teilgasstromes über ein vorbestimmtes Maß hinaus gegenüber der Kühlgrenztemperatur immer weiter ansteigen.

Der aus den vorstehend geschilderten praktischen Gründen in einem gewissen Umfang unvermeidliche Drosselverlust läßt sich jedoch durch Einschalten des Wärmeaustauschers zwischen Kältemittelflüssigkeit im Rohr 20 und Teilgasstrom im Rohr 21 teilweise kompensieren.

Tatsächlich ist bei Apparaten, die auf verschiedenen Stufen arbeiten müssen (erhöhte oder reduzierte Wärmezufuhr im Kocher), wie das z. B. bei den modernen Zweitemperatur-Kühlschränken der Fall ist und bei welchen das Ausmaß der Drosselung am Anfang 23 des Vorverdampfers 22 aus diesem Grund verschiedene Werte annehmen kann, die Verbesserung des Wärmeverhältnisses durch diesen Wärmeaustauscher bedeutungsvoll.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung nach F i g. 3 zeigt gegenüber demjenigen nach F i g. 2 in apparativer Beziehung verschiedene Vereinfachungen, welche in der Praxis wirtschaftlich von Bedeutung sind.

Es kann dabei von der Anschlußstelle 29 der Dampfleitung 28 über den Kondensator 13, die Kondensatleitung 30 und den Vorverdampfer 22 bis zur Anschlußstelle des letzteren an den Verdampfer 15 ein Rohr gleicher Dimension verwendet werden. Dieses Rohr muß lediglich im Kondensatorteil mit Rippen versehen und längs der Kondensatleitungsstrecke 30 zur Verhinderung unerwünschter interner Hilfsgaszirkulation deformiert werden, z.B. gemäß F i g. 4 zusammengepreßt werden. Weiterhin ist es entlang der Vorverdampfungsstrecke mit Mitteln auszurüsten, welche eine gute Benetzung durch das Kältemittel ermöglichen.
Ferner erübrigt sich bei dieser Ausführung das Anbringen einer separaten Druckausgleichsleitung, weil auch in der Kondensatleitung 30 eine freie Flüssigkeitsoberfläche 32 bestehen bleibt und das Hilfsgas daher über den Verdampfer und Gaswärmeaustauscher aus dem Kondenser entweichen kann.

Das flachgedrückte hochgestellte Profil der Kondensatleitung 30 erlaubt es, der Bypaßleitung 31 entlang der Kondensatleitung 30, wo die beiden im Wärmeaustausch stehen, die erforderliche Neigung von

mindestens 2° zur Horizontalen zu geben und zu erreichen, daß Flüssigkeitstropfen ablaufen und sein Querschnitt offen bleibt.

F i g. 4 zeigt einen Schnitt durch den aus den Rohren 30 und 31 gebildeten Wärmeaustauscher. Die

freie Flüssigkeitsoberfläche in der Kondensatleitung 30 ist mit 32 bezeichnet. Es wird aus dieser Figur ersichtlich, daß die zwei Rohre 30 und 31 wärmeleitend z. B. durch Schweißen, Löten, Kleben u. ä. miteinander verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 525/69

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Absorptionskühlaggregat mit druckausgleichendem Hilfsgas und einer Einrichtung zum Kühlen des Kältemittelkondensats auf seinem Wege vom Kondensator zum Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensator (13) und dem Verdampfer (15) in Strömungsrichtung des Kältemittelkondensats ein Wärmeaustauscher (20, 21; 30, 31) und ein Vorverdampfer (22) angeordnet sind, die einerseits vom Kältemittelkondensat und andererseits im Gegenstrom hierzu von einem Hilfsgasteilstrom durchströmt werden, welch letzterer aus dem Hauptstrom des armen Hilfsgases abgezweigt und durch den Vorverdampfer (22) und eine mit einem Teilstück (21, 31) den zweiten Strömungsweg des Wärmeaustauschers bildende Bypaßleitung (25) geführt ist, die an tiefer gelegener Stelle, vorzugsweise am unteren Ende des Absorbers (12), in den Gasstrom des reichen Hilfsgases mündet.

2. Absorptionskühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstücke (21, 31) der Bypaßleitung (25) entlang dem Wärmeaustauscher (20, 21; 30, 31) mit der Kondensatleitung (20, 30) einen Neigungswinkel von mindestens 2° gegenüber der Horizontalen aufweist.

3. Absorptionskühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (25) mindestens auf einem Teil ihrer Länge einen vom kreisrunden abweichenden Querschnitt aufweist.

4. Absörptionskühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitung (30) derart beschaffen und angeordnet ist, daß sich im Betrieb eine zusammenhängende, freie Flüssigkeitsoberfläche bildet.

5. Absorptionskühlaggregat nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitung (30) derart deformiert ist, daß eine interne Konvektion des Hilfsgases.über der freien Flüssigkeitsoberfläche dadurch verhindert wird. ·

6. Absorptionskühlaggregat nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitung (30) einen flachen, z. B. längs ovalen hochgestellten Querschnitt aufweist.

7. ,Absörptionskühlaggregat nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher aus einem in vertikaler Richtung flachgedrückten Rohr (30) als Kondensatleitung und aus einem damit wärmeleitend verbundenen und im Verhältnis zu deren Längsachse geneigten Teilstück (31) der Bypaßleitung (25) gebildet ist.

8. Absörptionskühlaggregat nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensatleitung (30) Verdrängungsmittel angeordnet sind.

9. Absörptionskühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kocher (1) und dem Verdampfer (15) die Dampfleitung (28), der Kondensator (13), die Kondensatleitung (30) und der Vorverdampfer (22) die gleiche Ausgangsrohrdimension aufweisen.

10. Absörptionskühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfleitung (28), der Kondensator (13), die Kondensatleitung (30) und der Vorverdampfer (22) aus einem einzigen Rohrstück hergestellt sind.