DE3615375C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Absorptionskältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe oder Kälteanlage mit zusätzlicher Verdichtung des aus dem Verdampfer kommenden Kältemittels durch einen Vorschaltverdichter.

Absorptionsanlagen für Wärmepump- und Kältezwecke sowie ihre Berechnungsgrundlagen sind bereits in der Literatur ausgiebig beschrieben worden (s. z. B. Altenkirch "Absorptionskältemaschinen", VEB Verlag Technik 1954; Niebergall "Sorptionskältemaschinen", Handbuch der Kältetechnik Band 7, Springer-Verlag, Berlin, 1984; Bosnjakovic: "Technische Thermodynamik" Teil 2, Reihe Wärmelehre und Wärmewirtschaft Band XI, Theodor Steinkopff Verlag, Dresden und Leipzig 1948). Die aus dieser Literatur bekannten Absorptionsanlagen haben jedoch in der Praxis gegenüber Kompressionsanlagen bisher keine größere wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Nur in speziellen Anwendungsbereichen konnten sie Eingang finden. Der Grund hierfür liegt einerseits in der prinzipiell und auch praktisch ungünstigeren Leistungszahl (Wärmeverhältniszahl) gegenüber Kompressionsanlagen und andererseits in dem manchmal ebenfalls nicht ausreichenden Arbeitstemperaturbereich. Der Vergleich mit der idealen Carnot-Grenzkurve für die Leistungszahl der Absorptionsanlagen zeigt, daß die Praxis dieser Anlagen noch recht weit von den theoretisch erreichbaren Werten entfernt ist. Hier besteht offenbar noch Innovationspotential, das bisher nicht ausgeschöpft wurde. Dies gilt allerdings auch für Kompressionsanlagen. Ein weiterer Grund, der sich nachteilig im Vergleich mit Kompressionsanlagen auswirkt, ist die Problematik der Stoffgemische. Die z. Z. zur Verfügung stehenden technisch geeigneten Arbeitsstoffe werden wegen ihrer Giftigkeit und ihres oft recht hohen Dampfdruckes für eine Breitenanwendung noch als zu risikoreich angesehen. Hier laufen zahlreiche Untersuchungen zwecks Ermittlung geeigneter Stoffgemische, von denen außerdem auch eine Steigerung der Leistungszahl erhofft wird, die jedoch anscheinend mehr ein apparativ-konstruktives Innovationsproblem ist als eines der Arbeitsstoffe.

Die Erfindung geht von einem Stand der Technik aus wie er beispielsweise bekannt ist aus DE-32 26 377 C1 (1), DE-31 02 286 A1 (2), CH-PS 2 49 486 (3) und Literaturstelle: Plank, R. "Handbuch der Kältetechnik, Siebenter Band, Sorptionskältemaschinen, Springer-Verlag 1959, Seiten 15 und 16 (4). Aus (1) und (3) ist die Benutzung von Zusatzverdichtern in Sorptionsanlagen bekannt und aus (3) geht hervor, daß die Verlustwärme der Wärmekraftmaschine zum vollständigen Beheizen des Generators benutzt wird. Maßnahmen zur Ausdehnung der Temperaturbereiche im Absorber und Austreiber durch einen Wärmeaustausch - indirekt oder direkt - sind durch (4) bekannt. Aus (2) geht die getaktete Abtauung eines Luftkollektors über eine mit Abwärme gespeisten Wärmespeicher hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit eines Absorptionskältemittelkreislaufs der gattungsgemäßen Art zu verbessern und den Arbeitstemperaturbereich zu erweitern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die weitere Ausbildung des Erfindungsgegenstandes geht aus den Merkmalen der Unteransprüche hervor.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile, d. h. eine sehr wirksam verbesserte Wirtschaftlichkeit eines Absorptionskältemittelkreislaufes und Erweiterung des Arbeitstemperaturbereichs, können mit relativ geringem apparativem Aufwand erreicht werden, wodurch mit der Erfindung dem Absorptionsprinzip ein breiterer Anwendungsbereich in der Wärmepump- und Kältetechnik erschlossen wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine reine Absorptionsanlage für Heizzwecke,

Fig. 1a und 1b zwei Ausführungsbeispielsweise für die Bypasstechnik, die in der Absorptionsanlage gemäß Fig. 1 anwendbar sind,

Fig. 2 eine Absorptionsanlage mit Zusatzverdichter und Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen.

Der Generatorteil der Absorptionsanlage in Fig. 1 ist in einem Hauptgenerator 1 und einen Hilfsgenerator 2 aufgeteilt, wobei letzterer in bekannter Weise konstruktiv in den Absorber 3 eingearbeitet worden ist. Der Hilfsgenerator übernimmt dabei die Dampferzeugung im Überlappungsbereich. Seine Beheizung wird hier ausschließlich durch die Wärme aus dem Absorber vorgenommen, ohne Zwischenkreis in direktem Kontakt. Der Hauptgenerator erhält seine Ausdampfenergie durch die äußere Beheizung QG der Anlage. Die scharfe Trennung in der Beheizung von Haupt- und Hilfsgenerator ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig, sie kann auch übergreifend erfolgen, d. h. es können z. B. auch die heißen Abgase des Hauptgenerators im Falle einer Brennstoffbeheizung zusätzlich zur Absorberwärme zum Beheizen des Hilfsgenerators 1 mit herangezogen werden. Zum leichteren Verständnis der Anlage sollen im folgenden Dampf- und Lösungskreislauf getrennt erläutert werden.

Dampfkreislauf:
Der Dampfkreislauf beginnt im Hauptgenerator 1. Letzterer befindet sich an seinem linken, heißen Ende auf der maximalen Generatortemperatur TGmax, an seinem rechten, kühleren Ende auf der maximalen Absorbertemperatur TAmax. Der Dampf tritt überall an der Lösungsoberfläche aus. Am heißen Ende weniger angereichert (wegen der schwachen Lösungskonzentration), am kühleren Ende mehr. Beides gilt natürlich nur, solange es sich nicht um Salzlösungen handelt. Der Dampf streicht dann größtenteils entlang der Lösungsoberfläche. Wird durch geeignete Mittel für einen guten Wärmekontakt zwischen Lösung und Dampf gesorgt, so folgt er dem Temperaturgefälle von TGmax bis TAmax und regnet bei dieser Abkühlung zugleich Lösungsmittel aus. Er verläßt dann am kühlen Ende den Hauptgenerator und tritt über das Verbindungsrohr in das heiße Ende des Hilfsgenerators 2 und annähernd mit der Temperatur TAmax ein. Der Hilfsgenerator befindet sich dort ebenfalls auf dieser Temperatur. Sodann vermischt er sich mit dem Dampf des Hilfsgenerators in dessen Dampfraum. Der Dampfstrom streicht dabei wieder entlang der Lösungsoberfläche und folgt bei gutem Wärmekontakt dem Temperaturgefälle von TAmax nach TGmin. Bei dieser Abkühlung werden weiterhin Lösungsmittel ausgeregnet, so daß er relativ trocken entweder auf der Temperatur TGmin den Hilfsgenerator am kühlen Ende oder aber erst den Dephlegmator (nicht dargestellt) annähernd mit der Vorlauftemperatur des Nutzwärmesystems verläßt.
Der Dampf gelangt dann in üblicher Weise in den Kondensator 4, wo die Nutzwärme Qk erzeugt wird und weiter als Kondensat über den Wärmetauscher 5 und das Drosselventil 6 in den Verdampfer 7, wo mittels des Verdampfungsvorgangs die Verdampfungswärme Qv der Umgebung entzogen wird. Schließlich gelangt der Dampf in den Absorber 3, wo er z. B. über ein poröses Blasrohr 8 längs der Lösung mit dieser vermischt und absorbiert wird. Dabei kann die Nutzwärme QA entnommen werden.

Einzelheiten zum Absorptions- und Desorptionsvorgang:

Der Absorptionsvorgang selbst erfolgt nicht gleichmäßig entlang des Temperaturgefälles im Absorber, sondern ist naturgemäß bei niedrigen Temperaturen umfangreicher als bei höheren. Die Wärmeerzeugung nimmt dementsprechend mit fallender Temperatur zu, und zwar nichtlinear. Auch der Desorptionsvorgang, beispielsweise mit Hilfsgenerator, ist in dieser Art nichtlinear. Er erfordert bei niedrigen Temperaturen im Zusammenhang mit dem größeren Angebot an Lösung und Konzentration mehr Energie als bei höheren Temperaturen.

Beide Energiekurven, für Absorption und Desorption, laufen zwar in der Tendenz gleich, divergieren jedoch im Anstiegsverhalten mehr oder weniger stark je nach Druckunterschied zwischen Absorber und Generatorteil. Dies führt im Überlappungsbereich zu einem Defizit im Energieangebot des Absorbers gegenüber dem Energiebedarf des Hilfsgenerators, wodurch z. B. das bisherige Verfahren der Temperaturüberlappung, wenn es zustandekam, nicht so recht wirksam werden konnte. Die Überlegungen der Erfindung zielen darauf ab, mit Hilfe einer Bypasstechnik Modifikationen im Lösungskreislauf vorzunehmen, die eine Angleichung zwischen Energieangebot im Absorber und Energiebedarf im Hilfsgenerator bewirken.

Die einfachste Möglichkeit hierzu wäre z. B. ein Lösungsbypass parallel zum Hilfsgenerator, der den Lösungsfluß durch den Hilfsgenerator soweit reduziert, bis der Energieabgleich stimmt. Diese Methode funktioniert zwar, ist jedoch bzgl. der Leistungszahl nicht sonderlich effizient, was im folgenden noch durchsichtig werden wird. Die nächst bessere Methode ist die in Fig. 1 dargestellte und soll in folgender Beschreibung des Lösungskreislaufes erläutert werden.

Lösungskreislauf:

Die im Hauptgenerator 1 bei TGmax möglichst weit entgaste Lösung strömt als arme Lösung der Konzentration Xa innerhalb der Lösungsrückführungsspirale 9 unter Wärmeabgabe durch den Hauptgenerator und verläßt diesen auf der Temperatur TAmax und unter dem Generatordruck Pg. Im Drosselventil 10 wird sie auf den Absorberdruck entspannt und gelangt dann in den Absorber 3. Hier absorbiert sie entlang des Temperaturgefälles in steigendem Maße Dampf des Kältemittels. Am Ende des Überlappungsbereiches wird bei der Temperatur TGmin ein definierter Teil der Lösung mittels einer Lösungspumpe 11 über den Bypass 12 abgezweigt, auf Generatordruck gebracht und in einer Rückführspirale bis auf Gleichgewichtstemperatur erwärmt. Dann wird ein Teil dieser Lösung isotherm an der Stelle gleicher Lösungskonzentration in den Hilfsgenerator eingeleitet, während der restliche Teil der Lösung in dem Bypass 13 am vorderen Teil des Hilfsgenerators vorbeiströmt und dem Lösungsfluß zum Hauptgenerator an der Stelle 14 wieder zugemischt wird.

Der am Ende des Überlappungsbereiches in den kühleren Teil des Absorbers eintretende nicht abgezweigte, reduzierte Teil des Lösungsflusses reichert sich dort entsprechend der fortschreitenden Abkühlung wiederum nichtlinear weiter an. Um die Anreicherung möglichst weit zu treiben, ist im Anschluß an die Auskoppelspirale 15 für die Nutzwärme QA noch eine weitere Abkühlspirale 16 (Verfahren der Unterkühlung) angeordnet, in die mit an sich bekannten Mitteln z. B. ein Teil der Verdampferkälte eingespeist werden kann. Die hochangereicherte Lösung wird am kalten Ende des Absorbers mit einer Lösungspumpe 17 entnommen, auf Generatordruck gebracht und über die Lösungsrückführspirale 18 auf TGmin aufgewärmt in den Hilfsgenerator geleitet.

Wirkungsweise der Bypasstechnik:

Ein so gestalteter Lösungskreislauf läßt Dimensionierungen zu, die einerseits bewirken, daß im Absorber die Energieerzeugung vom kühleren Teil (d. h. unterhalb TGmin) mehr in den wärmeren Teil (d. h. in den Überlappungsbereich) verlagert und angeboten wird (Linearisierungseffekt) und daß andererseits im vorderen Teil des Hilfsgenerators der Energiebedarf zwar etwas angehoben, im hinteren Teil jedoch etwas abgesenkt wird (ebenfalls Linearisierungseffekt). Insgesamt gesehen wird dabei der Energiebedarf des Hilfsgenerators nur wenig reduziert, die Energieerzeugung im Überlappungsbereich des Absorbers jedoch relativ stark angehoben, so daß ein Ausgleich der Energiebilanz auf einem höheren Niveau als mit der einfachen oben erwähnten Bypasstechnik erreicht werden kann.

Energietransport über Lösungskreislauf:

Da außerdem noch wegen der starken Anreicherung der Lösung im kalten Teil des Absorbers und der weitgehenden Ausdampfung der Lösung am heißen Ende des Hauptgenerators die Lösungsströme vom und zum Hauptgenerator vom Durchsatz her stark unterschiedlich sind, aber wegen der Anwendung der Lösungsrückführungstechnik annähernd auf gleicher Temperatur liegen, kommt auf diesem Wege zusätzlich noch ein Wärmetransport in den Hauptgenerator zustande. Dadurch kann die äußere Energiezufuhr zum Hauptgenerator auch von dieser Seite her reduziert werden. Was die numerische Durchrechnung ergibt, führt die in Fig. 1 dargestellte Anlage schon zu einer kräftigen Steigerung der Leistungszahl gegenüber dem heutigen Stand der Technik bei höheren Umgebungstemperaturen mehr, bei niedrigen weniger.

Verbesserte Bypasstechnik:

Die Bypasstechnik läßt jedoch noch weitere Steigerungen der Leistungszahl zu, indem die Zahl der Bypassleitungen auf zwei oder drei erhöht wird. Fig. 1a und Fig. 1b zeigen derartige Ausführungsbeispiele, wie sie in Fig. 1 eingearbeitet werden können. Hierbei wird die Angleichung der Energiebilanz von Absorber und Hilfsgenerator im Überlappungsbereich auf wiederum etwas höherem Energieniveau vollzogen. Die Berechnung der Dimensionierung zeigt jedoch, daß mehr als drei Bypassleitungen keine wesentliche Verbesserung mehr bringen.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zum Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik gezeigt, bei dem der Verdichter 1 zwischen Absorber 2 und Verdampfer 3 eingebaut ist und bei dem der Verdichter, sowie die Lösungspumpe 4 und 5 durch eine Verbrennungskraftmaschine 6 angetrieben werden, und die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zur vollständigen Beheizung des Hauptgenerators 6 benutzt wird. Dampf- und Lösungskreislauf sind annähernd wie in Fig. 1 aufgebaut. Wegen dieser Ähnlichkeit sollen hier die Kreisläufe nicht nochmals ausgiebig erläutert werden. Es sei lediglich auf einige Besonderheiten hingewiesen:

Eine Unterkühlung der Lösung im Absorber mittels Verdampferkälte ist hier nicht vorgesehen, kann aber bei Bedarf zur weiteren Verbesserung benutzt werden.

Zwecks Einsparung von Verdichterleistung ist hier das Verfahren der Kondensat-Vorentspannung mittels Entspannungsgefäß 8 dargestellt worden. Es befindet sich zwischen Kondensator 9 und Verdampfer 3.

Bei Bedarf kann auch in dieser Anlage wahlweise eine zwei- oder dreigliedrige Bypasstechnik wie in Fig. 1a und 1b dargestellt eingebaut werden und zur weiteren Verbesserung der Effizienz beitragen.

Die Zusammenschaltung der Nutzwärme QA und QK zur resultierenden Heizwärme QH kann mit an sich bekannten Mitteln und in an sich bekannter Technik erfolgen, d. h. entweder parallel oder seriell und dieses wiederum in verschiedenen Versionen, worauf hier nicht weiter eingegangen werden soll.

Claims (4)

1. Absorptionskältemittelkreislauf für eine Wärmepumpe oder Kälteanlage mit zusätzlicher Verdichtung des aus dem Verdampfer kommenden Kältemittels durch einen Vorschaltverdichter, gekennzeichnet durch Ausnutzung der Verlustwärme des Antriebsaggregates des Vorschaltverdichters für die Beheizung des Austreibers, Lösungsrückführung im Austreiber und Absorber mit Übergreifen der Temperaturen und Zuführung von angereicherter Lösung aus dem Absorber zu einem Hilfsaustreiber.

2. Absorptionskältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kalte Ende des Absorbers unter die Rücklauftemperatur des Nutzwärmeträgers abgekühlt wird.

3. Absorptionskältemittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf im Austreiber diesen in Richtung seines Temperaturgefälles durchströmt.

4. Absorptionskältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Teilentspannung des Kältemittels nach dem Kondensator.