DE19502543A1

DE19502543A1 - Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage

Info

Publication number: DE19502543A1
Application number: DE19502543A
Authority: DE
Inventors: Salman Dr Ing Ajib
Original assignee: SESOL GES fur SOLARE SYSTEME
Current assignee: SESOL GES fur SOLARE SYSTEME
Priority date: 1995-01-27
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1996-08-01

Description

Die Erfindung betrifft eine solarthermisch betriebene Absorptionsanlage. Insbesondere können diese Anlagen zum Betreiben des Kühlaggregates eines Kühlschrankes, größerer Kühlräume und für Klimatisierungsanlagen einge setzt werden.

Aus der Literatur sind Absorptionskälteanlagen, die teil weise solarthermisch betrieben werden, bekannt. Es handelt sich dabei um solche Absorptionskälteanlagen für Vor ratsräume. Der Austreiber des Kühlkreislaufes bei einer bekannten Anlage ist im Kollektorfeld integriert. Nach teilig ist eine starke Materialkorrosion durch direkten Kontakt zwischen dem Alu-Wärmerohr und der NH₃-Lösung. Das Problem wurde teilweise durch den Anbau eines Stahl hutes von 1 mm Wandstärke auf das Endrohr des Wärme tauschers umgangen, aber es haben sich dadurch weitere Nachteile ergeben. Einerseits mußte der Flächenkontakt beider Materialien sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Temperaturen gleichermaßen garantiert sein. Andererseits ergibt sich die Gefahr der Verformung des Materials, wodurch ein Luftspalt zwischen beiden Materialien und damit erneut die Gefahr der Korrosion besteht.

Des weiteren ist eine solarkompatible Ammoniak-Wasser-Ab sorptionskältemaschine bekannt. Das Aggregat ist auf eine 10 KW Spitzenkälteleistung für Lagerraumkühlung bei ca. 10°C und Luftraumtemperaturen über 40°C ausgelegt und auch für höhere Kälteleistung erweitert. Durch den Einsatz von Lösungspumpen erhöht sich jedoch der Gebrauch an Hilfsenergie und damit die Abhängigkeit der Anlage von der elektrischen Energie.

In der Patentschrift DE 39 24 755 A1 ist eine Vorrichtung zum Kühlen des Innenraumes eines Fahrzeuges bei Fahrzeug stillstand beschrieben. Dabei wird die Solarenergie durch Solarzellen in elektrische Energie zum Betreiben von Lüftern zur Versorgung mit Hilfsenergie umgewandelt. In der Patentschrift DE 32 05 549 A1 ist eine Kühlvor richtung dargestellt. Die Solarzellen, die sich auf dem Dach der Vorrichtung befinden, gewinnen elektrische Energie für Peltier-Elemente. Die Kältegewinnung wird durch einen Kühlkörper mit Kühlrippen, der direkt in Kontakt mit Peltier-Elementen steht, realisiert. Bei den bekannten Vorrichtungen erfolgt durch die Solar zellen eine Wandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur vollen Nutzung der solarthermischen Energie zum Betreiben einer Absorptionskälteanlage ohne Einsatz zusätzlicher Hilfsenergie zu entwickeln und die Ab sorptionskälteanlage mit einer Verbindung zwischen Kältekreislauf und Solarkreislauf so aufzubauen, daß unabhängig von Schwankungen der Solarstrahlung ein konti nuierliches Betreiben eines Kühlaggregates durch den Kältekreislauf gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei der solarthermisch betriebenen Absorptionskälteanlage der Solarkreislauf nach dem Bauteilprinzip aus austauschbaren Teilen aufgebaut ist und aus einem Kollektorteil, einem speziellen Wärmetauscherteil und einem zwischengeschal teten Kurzschließerteil besteht. Der Kollektorteil des Solarkreislaufes ist aus einem Solarkollektor, vorzugs weise einem Flachkollektor oder einem Rinnenkonzentrator mit einem Glasrohr und zwei Absorberstreifen in bestimmten Winkeln zur auftretenden Solarstrahlung aufgebaut. Erfindungsgemäß ist der Wärmetauscherteil mit dem Kälte kreislauf so verbunden, daß ein spezieller Wärmetauscher den Austreiber des Kältekreislaufes über den gesamten Um fang vollständig umhüllt und daß die Wärmeträgerflüssig keit in direktem Kontakt mit dem Austreiber steht.

Der zwischen Kollektorteil und Wärmetauscherteil ge schaltete Kurzschließerteil besteht aus einem Vorlauf- und einem Rücklaufrohr mit Ausgleichsgefäß und Ent lüfter sowie einem Kurzschließer als Verbindungsteil zwischen Vor- und Rücklaufrohren über Verbindungsmuffen sind unterschiedliche Kollektorteile und/oder Wärme tauscherteile austauschbar angeschlossen. Der spezielle Wärmetauscher ist vorzugsweise im unteren Teil des Austreibers des Kältekreislaufes angeordnet und ist mit angebautem oberen und unteren Öffnungsstutzen für Vor- und Rücklauf der Wärmeträgerflüssigkeit in gleicher oder unterschiedlicher Richtung und Höhe ausgestattet. Desweiteren ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß im Kollektorteil, im Kurzschließerteil und im Wärme tauscherteil des Solarkreislaufes und im Kältekreislauf Temperaturfühler zur Temperaturmessung und -regelung sowie im Kurzschließerteil ein oder mehrere Regelventile zur Regelung der Durchflußmenge der Wärmeträgerflüssigkeit eingebaut sind.

Erfindungsgemäß sind der Austreiber und der Verflüssiger im Kühlkreislauf thermisch getrennt voneinander ange ordnet, indem sie durch ein wärmeisolierendes Zwischen stück verbunden sind. Zur weiteren Erhöhung der Kälte leistung ist außerdem eine zusätzliche Kühlung des Ver flüssigers im Kühlkreislauf vorgesehen. Diese zusätzliche Kühlung wird vorzugsweise mit Hilfe eines Ventilators, der mit Energie unter Verwendung eines photovoltaischen Moduls versorgt wird, erreicht.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßigen solarthermischen Ab sorptionskälteanlage besteht darin, daß nach dem Er reichen einer bestimmten Vorlauftemperatur der Wärme trägerflüssigkeit der Kurzschließer des Kurzschließer teils ausgeschaltet und der Wärmetauscherteil einge schaltet wird.

Die Wärmeträgerflüssigkeit strömt im Wärmetauscher in direktem Kontakt um dem Austreiber und setzt den Kühl prozeß im Austreiber in Gang. Der spezielle Wärme tauscher dient dazu, daß die Wärme direkt von der Wärmeträgerflüssigkeit auf den Austreiber übertragen wird. Durch die spezielle Bauweise des Wärme tauschers und gute thermische Isolierung wird die Wärme im Wärmetauscher kurzzeitig gespeichert.

Diese Eigenschaft ist vorteilhaft, um bei kurzzeitigen Schwankungen der Solarstrahlung eine möglichst konti nuierliche Kälteleistung zu gewährleisten. Als Anwender beispiel ist vorzugsweise ein Absorptionsaggregat eines Kühlschrankes solarthermisch betrieben. Erfindungsgemäß sind im Verdampferraum bis -18°C zu er reichen, welche mit einer zusätzlichen Kühlung des Ver flüssigers bei gleichbleibender Heizleistung noch zu er höhen sind.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Absorptions kälteanlage bestehen in ihrer Flexibilität der Montage, der Auswechselbarkeit ihrer Baugruppen und im Ausschließen des Einflusses der Schwankungen der Solarstrahlung durch den Kurzschließerteil und Wärmetauscherteil. Durch den Einbau des Kurzschließerteils ist eine schnelle Erwärmung des Wärmetauscherteils und damit ein beschleunigter Beginn des Kühlprozesses möglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und eines praktischen Ausführungsbeispiels näher erläutert, Die in der Zeichnung dargestellen Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Gesamt aufbaus der solarthermisch betriebenen Absorptionskälteanlage,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Gesamt aufbaus mit zylindrischem Solarkollektor und Rinnenkonzentrator,

Fig. 3 einen Schnitt A-A des zylindrischen Solar kollektors,

Fig. 4 den Aufbau des Sonnenabsorbers für den zylindrischen Solarkollektor.

Die solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage, die aus einem Solarkreislauf und einem Kältekreislauf be steht, besitzt erfindungsgemäß ein zwischen Kollektor teil I und Wärmetauscherteil III zwischengeschaltetes Kurzschließerteil II. Der Kollektorteil I des Solarkreis laufes besteht aus einen Solarkollektor 10, der Kurz schließerteil II besteht aus einem Vorlaufrohr 5, einem Rücklaufrohr 6, einem Kurzschließer 7, einem oder mehreren Regelventilen 14, Verbindungsmuffen 8, 9, 20, 21, einem Ausgleichsgefäß 15 und einem Entlüfter 16. Der Wärmetauscherteil III besteht aus einem speziellen Wärmetauscher 1, der den Austreiber 2 des Kältekreis laufes IV über den gesamten Umfang vollständig umhüllt. Der Kältekreislauf IV besteht aus einem Austreiber 2, einem Verflüssiger 11, einem Verdampfer 12, einem Ab sorber 13 und einem Flüssigkeitswärmeüberträger 22. Er findungsgemäß ist der Austreiber 2 mit dem Verflüssiger 11 durch ein thermisch isolierendes Zwischenstück 26 verbunden, um die Wärmeleitung vom Austreiber 2 zum Verflüssiger 11 zu minimieren. In der Erfindung wird die Sonnenenergie durch den Sonnenabsorber 18, der sich im Solarkollektor 10 oder im Glasrohr 19 befindet, zur Erhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit 23 im Solarkreislauf genutzt.

Die Wärmeträgerflüssigkeit 23 zirkuliert zuerst im Kreislauf Solarkollektor 10, Vorlaufrohr 5, Kurz schließer 7, Rücklaufrohr 6 zurück zum Solarkollektor 10 bis eine ausreichende Vorlauftemperatur erreicht ist. Dann wird der Kurzschließer 7 weggeschaltet und die Wärmeträgerflüssigkeit 23 fließt durch den speziellen Wärmetauscher 1 zur Beheizung des Austreibers 2 der Absorptionskälteanlage und setzt so den Kühlprozeß im Kältekreislauf IV in Gang. Der Kurzschließer 7 dient zur Vorwärmung ,der Wärmeträgerflüssigkeit 23, bevor diese um den Austreiber 2 durch den speziellen Wärmetauscher I geleitet wird. Diese Vorwärmung be schleunigt den Beginn des Kühlprozesses. Während des Kühlprozesses strömt der Kältemitteldampf durch den Verflüssiger 11. Dort wird Wärme durch die Umgebungs luft von dem Verflüssiger 11 abgeführt und das Kälte mittel fließt in den Verdampfer 12.

Im Verdampfer 12 wird die Wärme von den zu kühlenden Gütern abgeführt und dem Kältemittel zugeführt. Dadurch verdampft das Kältemittel wieder. Dieser Dampf wird in dem geschlossenen Kältekreislauf IV von der armen Lösung im Absorber 13 absorbiert, wodurch im Absorber 13 wieder eine angereicherte Lösung entsteht.

Durch das Ausgleichsgefäß 15 wird die Wärmeträger flüssigkeit 23 eingefüllt, zugleich erfolgt bei Erwärmung der Flüssigkeit der Niveauausgleich. Der Entlüfter 16 dient dazu, die beim Einfüllen der Wärmeträgerflüssigkeit 23 in den Solarkreislauf eingebrachten Luftblasen zu entfernen.

Während im Solarkreislauf als Wärmeträgerflüssigkeit 23 vorzugsweise ein umweltfreundliches Öl eingesetzt wird, befindet sich im Kältekreislauf IV das Kältemittel, vor zugsweise Ammoniak, in unterschiedlicher Konzentration in den Teilen des geschlossenen Kreislaufes.

In beiden Kreisläufen Solar- und Kältekreislauf sind Temperaturfühler angebracht, um durch die Temperatur messung und- regelung die Steuerung des Kühlprozesses zu ermöglichen.

Anhand der gemessenen Temperaturen an unterschiedlichen Stellen des gesamten Kreislaufsystem wird der Kühlprozeß über ein oder mehrere eingebaute Regelventile 14 ge steuert.

Der Kollektorteil I mit dem Solarkollektor 10 ist mit dem Kurzschließerteil II über Verbindungsmuffen 8, 9 austauschbar verbunden. Dadurch können verschiedene Kollektorsysteme eingesetzt werden, z. B. eine Vari ante besteht aus einem Flachkollektor, der gut ther misch isoliert ist. Dadurch werden die Wärmeverluste durch Konvektion minimiert. Eine weitere Variante des Solarkollektors 10 ist ein konzentrierender zylind rischer Kollektor. Dieser Kollektor 10 besteht aus einen, Rinnenkonzentrator 17 mit einem Sonnenabsorber 18 aus zwei Absorberstreifen im Glasrohr 19. Die Außenseite des Glasrohrs 19 ist mit einem Isolator 23 und die Rückseite der Absorberstreifen ist mit Isolier streifen 25 thermisch isoliert.

Der Abstand zwischen den Absorberstreifen des Sonnenab sorbers 18 beträgt vorzugsweise 30 bis 60 mm, wobei beide in einem Winkel α zur Horizontalen von vorzugsweise 30°C bis 45°C angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann mit unter schiedlichen Solarkreisläufen, insbesondere im Kollektor teil, und unterschiedlichen Kältekreisläufen variiert werden.

Bezugszeichenliste

1 Wärmetauscher
2 Austreiber
3 Oberöffnung
4 Unteröffnung
5 Vorlaufrohr
6 Rücklaufrohr
7 Kurzschließer
8 Verbindungsmuffe
9 Verbindungsmuffe
10 Solarkollektor
11 Verflüssiger
12 Verdampfer
13 Absorber
14 Regelventil
15 Ausgleichsgefäß
16 Entlüfter
17 Rinnenkonzentrator
18 Sonnenabsorber
19 Glasrohr
20 Verbindungsmuffe
21 Verbindungsmuffe
22 Flüssigkeitswärmeübertrager
23 Wärmeträgerflüssigkeit
24 Isolierkörper
25 Isoliermaterial
26 Zwischenstück
I Kollektorteil
II Kurzschließerteil
III Wärmetauscherteil
IV Kältekreislauf

Claims

1. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage, bestehend aus einem Solarkreislauf und einem Kältekreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß der Solarkreislauf aus einem auswechselbaren Kollektorteil (I), einem speziellen Wärmetauscher teil (III) und einem zwischengeschalteten Kurzschließ erteil (II) besteht.

2. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherteil (III) mit dem Kühlkreislauf (IV) so verbunden ist, daß ein spezieller Wärmetauscher (1) den Austreiber (2) des Kältekreiskaufes (IV) vollständig umhüllt und der Austreiber (2) direkten Kontakt mit der Wärmeträgerflüssigkeit (23) des Wärmetauschers (1) besitzt.

3. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oberer Öffnungsstutzen (3) und ein unterer Öffnungs stutzen (4) für den Vor- und Rücklauf der Wärmeträger flüssigkeit (23) in gleicher oder unterschiedlicher Richtung und in gleicher oder unterschiedlicher Höhe am Wärmetauscher (1) angebaut sind.

4. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) vorzugsweise um den unteren Teil des Austreibers (2) angeordnet ist und das Längenverhältnis von Wärmetauscher (1) und Austreiber (2) vorzugsweise, 1 : 2 bis 2 : 3 beträgt.

5. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (1) gleichzeitig als Wärme speicher ausgebildet ist und sein Durchmesser mindestens das 2 bis 3fache des Durchmessers des Austreibers (2) beträgt.

6. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließerteil (II) aus einem zwischen dem Vorlaufrohr (5) und dem Rücklaufrohr (6) geschalteten Kurzschließer (7), einem Ausgleichsgefäß (15), einem Entlüfter (16), Verbindungsmuffen (8, 9) zum An schließen des Kollektorteils (I), Verbindungsmuffen (20, 21) zum Anschließen des Wärmetauscherteils (III) und einem oder mehreren Regelventilen (14) besteht.

7. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschließerteil (II) unterschiedliche, aus tauschbare Kollektorteile (I) mit unterschiedlichen Wärmetauscherteilen (III) für verschiedene Kältekreis läufe (IV) verbindet.

8. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturfühler im Kollektorteil (I), im Kurz schließerteil (II), im Wärmetauscherteil (III) und im Kältekreislauf (IV) eingebaut sind und daß ein oder mehrere Regelventile (14) im Kurzschließerteil (II) für die Regelung der Durchflußmenge der Wärmeträgerflüssig keit (23) angeordnet sind.

9. Solarthermisch betriebene Absorptionskälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (2) und der Verflüssiger (11) im Kühlkreislauf (IV) durch ein wärme isolierendes Zwischenstück (26) verbunden sind.

10. Solarthermisch betriebene Absorptionskühlanlage nach einem der Ansprüche 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verflüssiger (11) im Kühlkreislauf (IV) zusätzlich gekühlt ist.

11. Solarthermisch betriebene Absorptionskühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorteil (I) vorzugsweise aus einem zylindrischen Solarkollektor (10) mit einem Rinnenkonzentrator (17), einem Glasrohr (19) und einem aus zwei Absorberstreifen bestehenden Sonnenabsorber (18) aufgebaut ist.

12. Solarthermische betriebene Absorptionskälteanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwände der Absorberstreifen des Sonnenab sorbers (18) im unteren Teil des Glasrohrs (19) in einem Winkel α von 30° bis 45° zur Horizontalen angeordnet sind und daß der Abstand der Absorber streifen zueinander vorzugsweise 30 bis 60 mm be trägt.