DE3739831C2 - Verfahren zur Wärmeabsorption durch eine Absorptionskältemaschine und Vorrichtung für die Verwendung als Absorptionskältemaschine - Google Patents
Verfahren zur Wärmeabsorption durch eine Absorptionskältemaschine und Vorrichtung für die Verwendung als AbsorptionskältemaschineInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeab
sorption durch eine Absorptionskältemaschine und eine Wärme
absorptionsvorrichtung für die Verwendung als Absorptionskälte
maschine.
Aus der EU-Veröffentlichung "Energy" Absorption Heat Pumps
Congress, Paris, 20-22 March 1985, Seite 231-236 EUR 10007 EN,
ist bereits ein Verfahren zur Wärmeabsorption durch eine Ab
sorptions-Kältemaschine bekannt, welches die folgenden Schritte
aufweist:
- a) Bereitstellen eines ersten Absorptions-Kältemittel kreislaufes für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereichs (0-280°C), wobei der erste Käl temittelkreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung auf weist, die wirksam miteinander verbunden sind,
- b) Bereitstellen eines zweiten Absorptions-Kältemittel kreislaufes für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), der eine niedriger Maximaltemperatur hat als der erste Temperaturbe reich, wobei der zweite Kältemittelkreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung aufweist, die wirksam mitein ander verbunden sind, und
- c) wobei der Verdampfer des ersten Kältemittelkreislau fes und der Verdampfer des zweiten Kältemittelkreis laufes beide in thermischer Verbindung zu einer äuße ren Wärmelast stehen, um dieser Wärmelast Wärme zu entziehen.
Aus der vorgenannten Druckschrift ist ebenso eine Wärmeabsorp
tionsvorrichtung für die Verwendung als Absorptions-Kältemaschi
ne bekannt, welche die folgenden Komponenten aufweist:
einen ersten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereiches (0-280°C),
einen zweiten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), welcher eine niedrigere Maximaltemperatur im Vergleich zu dem ersten Temperaturbereich hat,
wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
der zweite Kreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
die Verdampfer des ersten Kreislaufes und des zweiten Kreislau fes beide in Wärmeaustauschverbindung mit einer äußeren Wärme last stehen.
einen ersten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereiches (0-280°C),
einen zweiten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), welcher eine niedrigere Maximaltemperatur im Vergleich zu dem ersten Temperaturbereich hat,
wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
der zweite Kreislauf einen Generator, einen Kondensor, einen Verdampfer und eine Absorptionseinrichtung hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
die Verdampfer des ersten Kreislaufes und des zweiten Kreislau fes beide in Wärmeaustauschverbindung mit einer äußeren Wärme last stehen.
Absorptionskühler sind mit Wärme betriebene Kühlmaschinen,
die über viele Jahrzehnte hinweg hergestellt wurden. Vor der
Energiekrise in der Mitte der 70er Jahre, als Naturgas rela
tiv billig war, wurden einfache Absorptionsmaschinen einge
setzt, die mit relativ schlechter Wirkung, üblicherweise mit
einem Wirkungsgrad (coefficient of performance - COP) von
0,5 bis 0,7 arbeiteten und damals dennoch wirtschaftlich ak
zeptabel waren. Diese Maschinen waren leise, vibrationsfrei
und zuverlässig. Die Anschaffungs- bzw. Installationskosten
pro Tonne Leistungsvermögen (ton of capacity) war etwas
höher als eine entsprechende elektrische Ausrüstung. Durch
die gestiegenen Preise des Naturgases seit der Mitte der
70er Jahre haben herkömmliche Absorptionskühler jedoch ihre
wirtschaftliche Attraktivität verloren.
In Absorptionskühlzyklen absorbiert ein Sekundärfluid, das
Absorptionsmittel bzw. der Absorber, das Primärfluid,
gasförmiges Kühlmittel, das im Verdampfer verdampft worden
ist.
Bei einem typischen Einfacheffekt-Absorptionskühlsystem wird
Wasser als Kühlmittel und Lithiumbromid als Absorptionsmit
tel verwendet. Die Kühlmittel-/Absorptionsmittel-Kombination
ist als Lösungspaar bekannt. Andere chemische Kombinationen
(Lösungen) wurden bei Absorptionskreisläufen ebenfalls be
nutzt, oder können potentiell benutzt werden.
Die Arbeitsweise eines Einfacheffekt-Absorptionskühlers ist
in Fig. 1 dargestellt. Im Verdampfer wird Kühlmitteldampf
bei einer Temperatur erzeugt, die etwas unterhalb der Tempe
ratur der Wärmequelle bzw. der Wärmebelastung liegt. Der
Kühlmitteldampf wird von der in den Absorber gelangenden,
konzentrierten Absorberlösung exothermisch absorbiert. Die
Absorptionswärme wird dann an eine Wärmesenke, beispiels
weise an Kühlwasser, am Absorber abgegeben. Die jetzt ver
dünnte Absorberlösung wird zum Generator gepumpt, indem sie
wieder konzentriert und danach dem Absorber zurückgeführt
wird. Dem Generator (Austreiber) wird Wärme von außen
zugeführt, um die Energie bereitzustellen, die erforderlich
ist, das Kühlmittel vom Absorptionsmittel zu trennen. Das
Kühlmittel wird im Kondensator kondensiert und dem
Verdampfer rückgeleitet, wogegen das konzentrierte
Absorptionsmittel dem Absorber zurückgeleitet wird. Ein
zwischen dem Absorber und dem Generator angeordneter
Wärmeaustauscher ist ebenfalls Teil des Systems und gibt von
der konzentrierten Absorptionsmittellösung Wärme an das
verdünnte Absorptionsmittel ab.
Der zuvor beschriebene Prozeß findet zwischen zwei Drucken
statt. Ein niederer Druck herrscht im Verdampfer-Absorberab
schnitt und ein höherer Druck im Generator-Kondensatorab
schnitt. Die Grenzen der Arbeitstemperatur der Kühlmit
tel-/Absorbermittel-Kombination (dem Lösungspaar) sind durch
die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Lösungs
paars vorgegeben.
Der thermische Kühl-Wirkungsgrad (COP) eines Einfacheffekt-
Zyklus liegt typischerweise bei etwa 0,5 bis 0,7. Modifika
tionen des Grundzyklus können den Wirkungsgrad nicht über
einen Einheitsschwellwert bringen. Beispielsweise ist die
Wärmemenge, die zur Erzeugung eines Kilos an Kühlmittel
erforderlich ist, nicht kleiner als die Wärmemenge, die auf
genommen wird, wenn dieses Kilo im Verdampfer verdampft. Der
Wirkungsgrad kann durch Einsatz des Doppeleffekt-Ver
dampfungsprinzips, das in der chemischen Industrie seit
Jahrzehnten benutzt wird, und durch einen Doppeleffekt-Ge
nerator verbessert werden. Mit einem Wasser-Lithiumbromid-
Paar können zwei Generatoren verwendet werden. Ein Generator
bei hoher Temperatur und hohem Druck wird von außen mit Wär
meenergie aufgeheizt. Ein zweiter Generator mit niederem
Druck und niederer Temperatur wird durch Kondensierung des
Dampfes vom ersten Generator aufgeheizt. Das Kondensat von
beiden Generatoren gelangt zum Verdampfer. Dadurch wird die
von außen zugeführte Wärmeenergie wirkungsvoll zweimal im
Hochtemperatur- und Niedrigtemperatur-Generator ausgenutzt,
so daß dadurch der gesamte thermische Wirkungsgrad im Ver
gleich zu Einfacheffekt-Absorptionssystemen verbessert wer
den kann.
Der thermische Wirkungsgrad des Zweifacheffekt-Zyklus ist
üblicherweise etwa 1,0 bis 1,2, wobei eine besprochene Dop
peleffekt-Absorptionsmaschine auch einen Wirkungsgrad von
1,3 COP erreicht haben soll.
Zweikreis-Absorptionszyklen wurden vorgeschlagen und entwic
kelt, bei denen zwei getrennte Absorptionskreise, ein Hoch
temperatur-Kreis und ein Niedertemperatur-Kreis miteinander
kombiniert wurden, um gewünschte Eigenschaften und Möglich
keiten zu bieten, die über diejenigen von Doppeleffekt-Sy
stemen hinausgehen. Bekannte Zweikreis-Systeme, wie sie in
den US-Patentschriften 3 483 710 und 4 542 628 beschrieben
sind, weisen einen Hochtemperatur-Kondensator auf, der im
Wärmeaustausch mit einem Niedertemperatur-Generator steht
(US-Patent 3 483 710), oder ein Hochtemperatur-Kondensator
und ein Hochtemperatur-Absorber stehen im Wärmeaustausch mit
einem Niedertemperatur-Generator, wobei gleichzeitig ein
Wärmeaustausch zwischen dem Hochtemperatur-Verdampfer und
dem Niedertemperatur-Kondensator und/oder dem Niedertempe
ratur-Absorber stattfindet (US-Patentschrift 4 542 628).
Darüber hinaus wurde der zuletzt erwähnte thermodynamische
Doppelkreis-Zyklus (jedoch kein Maschinenkonzept) unabhängig
davon durch andere Absorptions-Forscher vorgeschlagen, wie
etwa von P. D. Iedema, The Absorption Heat Pump with Lithium
Bromide/Zinc Bromide Methanol, WTHD Nr. 162, Laboratory of
Refrigeration and Indoor Technology, Department of Mechani
cal Engineering, Delft University of Technology, Holland,
April 1984. Bei diesen herkömmlichen Zweikreis-
Wärmepumpen-Konzepten ist der thermische Wirkungsgrad des
Zweikreis-Absorptionszyklus etwa derselbe wie bei Doppelef
fekt-Maschinen für die Anwendung zur Klimatisierung und Küh
lung, da die externe Wärmeenergie wirkungsvoll zweimal ge
nutzt wird, um den gewünschten Kühleffekt im Verdampfer her
beizuführen.
Das US-Patent 4,542,628 beschreibt einen zweistufigen Absorp
tions-Kältemittelkreislauf. Bei einem solchen zweistufigen
Kältemittelkreislauf nimmt jedoch der Verdampfer des ersten
Kreislaufes Wärme aus dem Kondensor und der Absorptionseinrich
tung des zweiten Kreislaufes auf, um eine niedrigere Temperatur
des zweiten Verdampfers bzw. eine höhere Wirksamkeit des zweiten
Verdampfers zu erzielen. Dabei wird also lediglich eine übliche
Kühlstufe in zwei getrennte, kleinere Stufen aufgeteilt, wobei
auch die in dem Kondensor oder der Absorptionseinrichtung der
ersten Kühlstufe erzeugte Wärme für den Generator der zweiten
Kühlstufe ausgenutzt wird. Dies ist grundsätzlich ein anderes
Funktionsprinzip einer Kältemaschine zur Erhöhung von deren
Wirkungsgrad, entspricht aber nicht dem Funktionsprinzip der
Kältemaschine, von welchem die vorliegende Erfindung ausgeht,
und die auch als "Triple-Effekt"-Kältemaschine bezeichnet wird
und eine Erhöhung des Wirkungsgrades vor allem durch Vergröße
rung des Abstandes zwischen der Maximal- und der Minimaltempera
tur anstrebt, in welcher der erste Kreislauf arbeitet.
In der obengenannten EU-Veröffentlichung "Energy", die den Stand
der Technik repräsentiert, von welchem die vorliegende Erfindung
ausgeht, wird die Theorie einer zweistufigen Absorptions-Kälte
maschine beschrieben, wonach der Wirksamkeitskoeffizient einer
solchen zweistufigen Kältemaschine maximal den Zahlenwert 3
erreichen kann, tatsächlich jedoch für die dargestellte Aus
führungsform nur Werte in der Größenordnung zwischen 1 und 1,25
erreicht.
Dabei wird ein Zeolithgranulat als Absorptionsmittel für Wasser
in dem ersten Kältemittelkreislauf verwendet. Dies bewirkt einen
Druckabfall für den durch das Zeolithgranulat geleiteten Dampf,
wodurch die Wärmeleistung des Absorbers, mit welcher der Genera
tor des zweiten Kältemittelkreislaufes angetrieben wird, relativ
gering ist.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfin
dung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
mit den eingangs definierten Merkmalen zu schaffen, durch welche
der Wirkungsgrad der entsprechenden Kältemaschine verbessert
wird.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst,
daß sowohl der erste als auch der zweite Kältemittelkreislauf
eine Kältemittel- und Absorptionsmittel-Lösung enthalten und daß
ein Wärmeaustausch zwischen der Kältemittel- und Absorptions
mittel-Lösung aus dem Kondensor und der Absorptionseinrichtung
des ersten Kältemittelkreislaufes und der Absorptionsmittel
lösung des Generators des zweiten Kältemittelkreislaufs statt
findet.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundelie
gende Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl der erste als auch der
zweite Kreislauf eine Lösung aus einem Kältemittel und einem
Absorptionsmittel enthalten und daß der Kondensor des ersten
Kreislaufes und die Absorptionseinrichtung des ersten Kreislau
fes in Wärmeaustauschverbindung mit dem Generator des zweiten
Kreislaufes stehen, um Wärme zwischen der Lösung aus Kältemittel
und Absorptionsmittel in den Kondensor des ersten Kreislaufes
und der Absorptionsmittellösung in dem Generator des zweiten
Kreislaufes auszutauschen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird also ein Verfahren und eine
Vorrichtung für einen Absorptions-Kühlzyklus sowie für eine
Kältemaschine angegeben, mit dem bzw. mit denen ein we
sentlich besserer thermischer Wirkungsgrad im Vergleich zu
bekannten Einzeleffekt-, Doppeleffekt- oder Zweikreis-Ab
sorptions-Kühlmaschinen, -Wärmepumpen- und/oder Kältezyklus
maschinen erreicht werden kann.
Gemäß dem vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vor
richtung werden zwei getrennte Einzeleffekt-Absorptionskühl
kreise verwendet, wobei der eine bei relativ höheren Tempe
raturen als der andere betrieben wird, die von außen
zugeführte Wärme wirkungsvoll dreimal verwendet bzw. ausge
nutzt wird, so daß dadurch der Wirkungsgrad verbessert wer
den kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen bei
spielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Einfacheffekt-Absorptionssystems,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Dreifacheffekt-Absorptionssystems, wobei diese Dar
stellung die thermodynamische Beziehungen zwischen
den verschiedenen Komponenten wiedergibt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Dreifacheffekt-Absorptionszyklus und
Fig. 4 eine detaillierte schematische Darstellung einer Aus
führungsform für eine Vorrichtung gemäß der Erfin
dung.
Fig. 2 zeigt eine thermodynamische Darstellung der Erfin
dung. Bei der Erfindung werden zwei Kühlkreise mit getrenn
ten Lösungs-Fluids in jedem Kreis verwendet, wobei ein Kühl
kreis höherer Temperatur in Wärmeaustausch mit einem Kühl
kreis niederer Temperatur steht. Diese Anordnung verbindet
die beiden Kühlkreise in anderer Weise als die herkömmlichen
Zweikreis-Konzepte, was zu einer unterschiedlichen Beziehung
zwischen den Komponenten in jedem Kühlkreis führt. Dadurch
ergibt sich eine wesentlich bessere thermische Wirkung, da
die externe Wärmeenergie wirkungsvoll dreimal verwendet
wird, um den gewünschten Kühleffekt im Verdampfer zu erzeu
gen. Daher die Bezeichnung Dreifach-Effekt. Die erfindungs
gemäße Vorrichtung ist um 30 bis 50% effektiver als die
herkömmlichen Doppeleffekt-Maschinen oder Zweikreis-Kon
zepte.
Der Kühlkreis mit höherer Temperatur bzw. der Hochtempera
tur-Kreis ist so ausgelegt, daß er in derselben Weise wie
ein herkömmlicher Einfach-Effekt-Absorptionskühler arbeitet
mit der Ausnahme, daß der Kondensator und der Absorber
dieses Hochtemperatur-Kreises bei wesentlich höherer
Temperatur als in einer herkömmlichen Einfach-Effektmaschine
arbeitet. Gewünschtenfalls kann der Hochtemperatur-Kreis in
einem Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa 280°C und
der Niedertemperatur-Wärmeabsorptionskreis in einem
Temperaturbereich von etwa 0°C bis etwa 130°C betrieben
werden.
Alleine betrachtet, würde dieser Hochtemperatur-Kreis eine
schlechtere thermodynamische Wirkung als sowohl eine her
kömmliche Einfach-Effektmaschine als auch der Hochtempera
tur-Kreis herkömmlicher Zweikreis-Konzepte haben. Der Ab
sorptionskühl-Kreis niederer Temperatur ist thermodynamisch
ein herkömmlicher Einfach-Effekt-Absorptionskühler. Dadurch,
daß der Hochtemperatur-Kreis derart betrieben wird, daß so
wohl der Kondensator als auch der Absorber des Hochtempera
tur-Kreises eine höhere Temperatur als der Generator des
Niedertemperatur-Kreises aufweisen, kann die gesamte Wärme,
die sowohl vom Kondensator des Hochtemperatur-Kreises als
auch vom Absorber des Hochtemperatur-Kreises wirkungsvoll
dazu verwendet werden, den Generator des Niedertemperatur-
Kreises zu wärmen, so daß etwa doppelt soviel Kühlmittel
dann im Niedertemperatur-Kreis erzeugt wird, als im
Hochtemperatur-Kreis mit der Zuführung externer Wärmeenergie
erreicht wurde. Dieses Konzept erzeugt daher etwa 50% mehr
Kühlmitteldampf mit derselben Zufuhr externer Wärmeenergie
als bei Doppel-Effekt-Absorptionskühlern oder als beim
Zweikreiskonzept (US-Patent 3 483 710). Gleichzeitig wird
der Verdampfer des Hochtemperatur-Kreises bei einer
Temperatur betrieben, die zu einer guten Kühlung niedrig
genug ist. Der Verdampfer des Hochtemperatur-Kreises im
herkömmlichen Zweikreiskonzept (US-Patent 4 542 628)
arbeitet bei einer zu hohen Temperatur, um eine ausreichende
nutzbare Kühlung zu bewirken, und daher wird der einzige
Kühleffekt im Zweikreiskonzept gemäß dem US-Patent 4 542 628
durch den Verdampfer im Niedertemperatur-Kreis bewirkt.
Durch die wirkungsvolle Ausnutzung des Kühleffekts sowohl
des Verdampfers im Hochtemperatur-Kreis als auch des
Verdampfers im Niedertemperatur-Kreis erzeugt die Erfindung
bei gleicher Zufuhr externer Wärmeenergie etwa einen 50%
höheren ausnutzbaren Kühleffekt als das herkömmliche
Zweikreiskonzept gemäß der US-Patentschrift 4 542 628.
Obgleich es nicht unbedingt erforderlich ist, so ist es doch
vorteilhaft, wenn der Verdampfer des Hochtemperatur-Kreises
und der des Niedertemperatur-Kreises so betrieben wird, daß
der Verdampfer des Hochtemperatur-Kreises bei einer mög
lichst hohen Temperatur betrieben wird, bei der noch eine
ausnutzbare Kühlung erfolgt, so daß der Generator des Hoch
temperatur-Kreises bei einer möglichst niederen Temperatur
betrieben werden kann, da eine direkte Beziehung zwischen
den Temperaturen des Verdampfers, des Kondensator, des Ab
sorbers und des Generators besteht.
Das zuvor beschriebene System ist insbesondere als Klimaan
lage vorteilhaft, um Wärme aus Innenräumen nach außen ab
zuführen. Der zuvor beschriebene Zyklus kann auch als Wärme
pumpe betrieben werden, um Wärme von außen in Räume zu brin
gen und um oberhalb von Gefrier-Verdampfer-Zuständen sowohl
zu heizen als auch zu kühlen. Unterhalb des Gefrier-Verdamp
fer-Zustandes kann die Vorrichtung als ein direkt befeuerter
Heizer verwendet werden, wie dies herkömmliche Praxis bei
einigen früher entwickelten Absorptionskühlern/-heizern ist.
In den Fig. 3 und 4 ist schematisch eine Ausführungsform der
Erfindung dargestellt, bei der eine Dreifach-Effekt-Absorp
tions-Maschine insgesamt mit der Bezugszahl 10 versehen ist.
Die Maschine umfaßt einen Hochtemperatur-Kreis oder einen
oberen Kreis bzw. eine obere Stufe 12 und einen Niedertem
peratur-Kreis oder einen unteren Kreis bzw. eine untere
Stufe 14.
In jedem Kreis wird ein Absorptionspaar (oder eine Mehrfach-
Fluidkomponenten-Mischung) verwendet. Das Lösungspaar des
Niedertemperatur-Kreises kann irgendein herkömmliches Ab
sorptions-Lösungspaar sein, das in einen herkömmlichen Ein
fach-Effekt-Absorptionszyklus verwendet wird. Ein bevorzug
tes Lösungspaar für den Niedertemperatur-Kreis ist eine her
kömmliche Mischung aus Lithiumbromid, Wasser, einem Wärme
übertragungszusatz und einem Korrosionsverhinderer. Andere
Lösungspaare für den Niedertemperatur-Kreis umfassen bei
spielsweise Ammoniak und Wasser, R-22 und E-181, R-123a und
ETFE, eine ternäre Mischung aus Methanol mit Lithiumbromid
und Zinkbromid, eine ternäre Mischung aus Wasser mit Zink
chlorid und Lithiumbromid, oder viele andere Absorptions
fluid-Lösungsmischungen.
Der Hochtemperatur-Kreis ist bezüglich der verfügbaren Ab
sorptions-Lösungspaare, die verwendet werden können, mehr
beschränkt, und zwar wegen der erforderlichen höheren Tempe
ratur des Hochtemperatur-Generators, die etwa 200°C oder
höher sein sollte, und wegen der wesentlich größeren erfor
derlichen Temperaturdifferenz zwischen dem Hochtemperatur-
Verdampfer, beispielsweise etwa 5° bis 10°C, und dem
Hochtemperatur-Kondensator und dem Hochtemperatur-
Absorber, beispielsweise etwa 90° bis 110°C beträgt. Eine
herkömmliche Mischung aus Lithiumbromid, Wasser, einem
Wärmetransport- bzw. Übertragungszusatz und einem Korro
sionsverhinderer kann normalerweise auf Grund der Kristal
lisationsgrenze des Lithiumbromid-/Wasserlösungspaars nicht
verwendet werden.
Absorptionslösungspaare, die in Hochtemperaturkreisen ver
wendet werden können, umfassen beispielsweise Ammoniak und
Wasser, Ammoniak mit Lithiumbromid und Wasser, Ammoniak und
verschiedene Thiocyanat-Salzlösungen. Natriumhydroxid und
Wasser, Trifluorethanol (TFE) und verschiedene Absorptions
mittel, sowie andere Absorptionsfluid-Lösungsmischungen.
Eine bevorzugte Absorptions-Lösungsmischung für den Hochtem
peratur-Kreis ist eine bekannte Mischung aus Lithiumbromid,
Wasser, einem Antikristallisationszusatz (beispielsweise
Ethylenglykol), einem Wärmetransportzusatz und einem Korro
sionsverhinderer. Das Verhältnis von Lithiumbromid zu be
kannten Antikristallisationszusatz liegt etwa zwischen 2 zu
1 und etwa 5 zu 1 und vorzugsweise bei etwa 4,5 zu 1.
Wie Fig. 3 zeigt, umfaßt der Hochtemperatur-Kreis 12 einen
Hochtemperatur-Generator 32, einen Hochtemperatur-Konden
sator 36, einen Hochtemperatur-Verdampfer 70, sowie einen
Hochtemperatur-Absorber 53. Der Niedertemperatur-Kreis 14
umfaßt einen Niedertemperatur-Generator 42, einen Niedertem
peratur-Kondensator 45, einen Niedertemperatur-Verdampfer 90
und einen Niedertemperatur-Absorber 63.
Die Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Kreise sind mitein
ander so verbunden, daß die vom Hochtemperaturkreis-Absorber
53 und vom Hochtemperaturkreis-Kondensator 36 entzogene Wär
me als Zuführwärme für den Niedertemperaturkreis-Generator
42 verwendet wird. Die Arbeitsbedingungen sind so gewählt,
daß die algebraische Summe dieser Wärmen Null ist. Die Wärme
des Niedertemperaturkreis-Generators 42 ist dann nominell
doppelt so groß wie diejenige des Hochtemperaturkreis-Gene
rators 32, so daß dadurch die thermische Wirkung verbessert
wird.
Wie insbesondere Fig. 4 zeigt, ist der Hochtemperaturkreis-
Generator 32 in einem Mantel 33 untergebracht und wird durch
Wärme erhitzt, die von einer externen Wärmequelle 30 durch
die Leitung 31 gelangt. Die externe Wärmequelle 30 kann eine
geeignet gewählte Wärmequelle, beispielsweise ein Brenner,
eine Hochtemperatur-Dampferzeuger oder Dampfkessel usw.
sein. Die Wärme wird von der Leitung 31 auf eine schwache
Absorptionslösung übertragen, die aus der Leitung 34 fließt.
Die Wärme führt zu einer Konzentration der Absorptionslö
sung, weil aus ihr das Kühlmittel entweicht. Der freigesetz
te Kühlmitteldampf strömt vom Hochtemperaturkreis-Generator
32 über eine Leitung 35 in den Niedertemperaturkreis-Ge
nerator 42, der in einem Mantel 40 untergebracht ist. Das
dampfförmige Kühlmittel kondensiert in einem Leitungsystem
46, das sich durch einen Hochtemperaturkondensator-Bereich
36 in einen Teil des Niedertemperaturkreis-Generators 42 er
streckt, und das kondensierte Kühlmittel strömt dann durch
eine Leitung 37 und tritt danach über einen Sprühkopf 38 in
einen Hochtemperaturkreis-Verdampfer 70 aus, der sich in
einem Mantel oder Behälter 50 befindet. Das kondensierte
Kühlmittel im Behälter 50 wird über eine Leitung 72 mittels
einer Hochtemperatur-Kühlmittelpumpe 74 und weiter über eine
Leitung 75 und einen Sprühkopf 73 zum Hochtemperater-Ver
dampfer 70 zurückgeleitet.
Das dampfförmige Kühlmittel im Behälter 50, d. h. das im
Verdampfer 70 verdampfte Kühlmittel, strömt durch eine
Öffnung 20 in einer Trennwand 51, die den Hochtemperatur-Ver
dampfer 70 vom Hochtemperatur-Absorber 53 trennt, wo es die
starke Absorptionslösung verdünnt oder schwächt, die dem
Hochtemperatur-Absorber 53 vom Hochtemperatur-Generator 32
über eine Leitung 39, einen Hochtemperatur-Lösungswärmeaus
tauscher 58, eine Leitung 23 und einen Sprühkopf 52 zuge
führt wird.
Im Hochtemperatur-Kreis 12 wird die schwache Absorptions-Lö
sung vom Hochtemperatur-Absorber 53 mittels einer Hochtempe
ratur-Lösungspumpe 106 über Leitungen 105, 107 und 34 durch
einen Hochtemperatur-Lösungswärmeaustauscher 58 dem Hochtem
peratur-Generator 32 zugeleitet, so daß damit der Fluid
kreislauf durch den Hochtemperaturkreis 12 geschlossen ist.
Während des Betriebs steht der Niedertemperatur-Generator 42
im Wärmeaustausch mit der Leitung 46 des Hochtemperatur-Kon
densators 36 und einer Leitung 57 des Wärmeaustauschers 58,
der die Wärme vom Hochtemperatur-Absorber 53 abtranspor
tiert. Der Wärmeaustauscher 58 ist ein Wärmeaustauscher mit
geschlossenem Kreislauf und umfaßt eine Umwälzungspumpe 56
sowie Leitungen 55, 57 und 59 und dient dem Wärmeaustausch
zwischen dem Hochtemperatur-Absorber 53 und dem Niedertempe
ratur-Generator 42.
Im Niedertemperaturkreis 14 ist der Niedertemperatur-Absor
ber 63 mit dem Niedertemperatur-Generator 42 über einen Wär
meaustauscher 47 mittels Schwachlösungs-Leitungen 65, 67 und
44 und einer Pumpe 66 sowie mittels Starklösungs-Leitungen
41 und 24 verbunden. Der Niedertemperatur-Generator 42 ist
mit dem im Behälter 40 befindlichen Niedertemperatur-Konden
sator 45 über einen Demister bzw. Tröpfchenabscheider 28
verbunden. Der Auslaß des Niedertemperatur-Kondensators 45
ist mit dem Niedertemperatur-Verdampfer 90 über eine Leitung
27 verbunden, die zu einem Sprühkopf 87 im Verdampfer 90
führt. Das kondensierte Kühlmittel wird durch den Niedertem
peratur-Verdampfer 90 mittels einer Leitung 92, einer Pumpe
94, einer Leitung 95 und einem Sprühkopf 93 zurückgeleitet.
Im Niedertemperatur-Kreis 14 strömt starke bzw. konzentrier
te Absorptionslösung vom Niedertemperatur-Generator 42 durch
eine Leitung 41, einen Wärmeaustauscher 47 und eine Leitung
24 zum Sprühkopf 62 im Niedertemperaturabsorber 63, indem
sie Kühlmitteldampf aufnimmt bzw. absorbiert, der über eine
Öffnung 21 in einer Trennwand 61 vom Verdampfer 90 kommt.
Die sich ergebende schwache Lösung wird durch den Wärmeaus
tauscher 47 über Leitungen 65, 67 und 44 sowie den Sprühkopf
43 mittels einer Niedertemperatur-Lösungspumpe 66 gepumpt.
Ein Sekundärfluid, beispielsweise Kühlturmwasser, kann durch
den Niedertemperatur-Kondensator 80 und eine Absorberschlan
ge 64 im Niedertemperatur-Absorber 63 mittels einer Umwälz
pumpe 82 durch die Leitungen 85, 81 und 83 umgewälzt werden.
Der als Beispiel dargestellte Kühlturm 84 kann auch je nach
den vorliegenden Anwendungsfällen auch eine Luftschlange
sein. Die Leitungen 85, 81 und 83 sind in einer Hintereinan
derschaltung dargestellt, sie können jedoch auch als Paral
lelleitung für den Niedertemperatur-Kondensator 80 und den
Niedertemperatur-Absorber 63 angeordnet sein.
Ein anderes Sekundärfluid, beispielsweise die Zuleitung ge
kühlten Wassers zu einem zu klimatisierenden Gebäude, d. h.,
die Wärmelast, wird mittels einer Umwälzpumpe 97 über Lei
tungen 96 und 99 durch eine Verdampferschlange 71 im Hoch
temperatur-Verdampfer 70 und eine Verdampferschlange 90
umgewälzt. Die als Beispiel dargestellte Luftschlange 98
stellt die Wärmemenge dar, die vom gekühlten Wasser abtrans
portiert werden soll, welches vom Hochtemperatur-Verdampfer
70 und vom Niedertemperatur-Verdampfer 90 bereitgestellt
wird. Die Kühlwasserleitung 96 und 99 sind als Reihenanord
nung dargestellt, sie können aber auch als Parallelleitungen
durch den Hochtemperatur-Verdampfer 70 und den Niedertempe
ratur-Verdampfer 90 angeordnet sein.
In den vorausgegangenen Beschreibungen soll die Bezugnahme
auf eine Einrichtung als "Hochtemperatur"-Einrichtung, bei
spielsweise die Hochtemperatur-Kühlmittelpumpe, nicht not
wendigerweise als eine Pumpe verstanden werden, die bei
außerordentlich hohen Temperaturen arbeitet. Vielmehr ist
dadurch lediglich beabsichtigt, darauf hinzuweisen, daß die
Pumpe Teil des Hochtemperatur-Kühlkreises, d. h. des Kreises
ist, der bei relativ höherer Temperatur als der
Niedertemperatur-Kühlkreis arbeitet. Entsprechend ist auch
die Bezeichnung "Niedertemperatur"-Einrichtung für eine
Einrichtung zu verstehen.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand von Ausführungsbei
spielen besprochen. Dem Fachmann sind jedoch Abwandlungen
und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dadurch der Erfin
dungsgedanke verlassen wird.
Claims (14)
1. Verfahren zur Wärmeabsorption durch eine Absorptions-Kältemaschine, mit:
- a) Bereitstellen eines ersten Absorptions-Kältemittelkreislaufes für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereichs (0-280°C), wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Generator (32), einen Kondensor (36), einen Verdampfer (70) und eine Absorptionseinrichtung (53) aufweist, die wirksam miteinander verbunden sind,
- b) Bereitstellen eines zweiten Absorptions-Kältemittelkreislaufes für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), der eine niedriger Maximaltemperatur hat als der erste Temperaturbereich, wobei der zweite Kältemittelkreislauf einen Generator (42), einen Kondensor (45), einen Verdampfer (90) und eine Absorptionseinrichtung (63) aufweist, die wirksam miteinander verbunden sind, und
- c) wobei der Verdampfer (70) des ersten Kältemittelkreislaufes und der Ver dampfer (90) des zweiten Kältemittelkreislaufes beide in thermischer Ver bindung zu einer äußeren Wärmelast stehen, um dieser Wärmelast Wärme zu entziehen,
2. Wärmeabsorptionsvorrichtung für die Verwendung als Absorptions-KÖltemaschine, mit:
einem ersten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereiches (0-280°C),
einem zweiten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), welcher eine niedrigere Maximaltemperatur im Vergleich zu dem ersten Temperaturbereich hat,
wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Generator (32), einen Kondensor (36), einen Verdampfer (70) und eine Absorptionseinrichtung (53) hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
der zweite Kreislauf einen Genertor (42), einen Kondensor (45), einen Verdampfer (90) und eine Absorptionseinrichtung (63) hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
die Verdampfer des ersten Kreislaufes (70) und des zweiten Kreislaufes (90) beide in Wärmeaustauschverbindung mit einer äußeren Wärmelast stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Kreislauf eine Lösung aus einem Kältemittel und einem Absorptionsmittel enthalten und daß der Kondensor (36) des ersten Kreislaufes und die Absorptionseinrichtung (53) des ersten Kreislaufes in Wärmeaustauschverbindung mit dem Generator (42) des zweiten Kreislaufes stehen, um Wärme zwischen der Lösung aus Kältemittel und Absorptions mittel in dem Kondensor des ersten Kreislaufes und der Absorptionsmittellösung in dem Generator des zweiten Kreislaufes auszutauschen.
einem ersten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines ersten Temperaturbereiches (0-280°C),
einem zweiten Absorptions-Kältemittelkreislauf für den Betrieb innerhalb eines zweiten Temperaturbereiches (0-130°C), welcher eine niedrigere Maximaltemperatur im Vergleich zu dem ersten Temperaturbereich hat,
wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Generator (32), einen Kondensor (36), einen Verdampfer (70) und eine Absorptionseinrichtung (53) hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
der zweite Kreislauf einen Genertor (42), einen Kondensor (45), einen Verdampfer (90) und eine Absorptionseinrichtung (63) hat, die wirksam miteinander verbunden sind,
die Verdampfer des ersten Kreislaufes (70) und des zweiten Kreislaufes (90) beide in Wärmeaustauschverbindung mit einer äußeren Wärmelast stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Kreislauf eine Lösung aus einem Kältemittel und einem Absorptionsmittel enthalten und daß der Kondensor (36) des ersten Kreislaufes und die Absorptionseinrichtung (53) des ersten Kreislaufes in Wärmeaustauschverbindung mit dem Generator (42) des zweiten Kreislaufes stehen, um Wärme zwischen der Lösung aus Kältemittel und Absorptions mittel in dem Kondensor des ersten Kreislaufes und der Absorptionsmittellösung in dem Generator des zweiten Kreislaufes auszutauschen.
3. Wärmeabsorptionsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Absorptions-Kältemittelkreislauf und der zweite Absorptions-Kältemittelkreislauf
fluidmäßig voneinander getrennt sind.
4. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weite Absorptions-Kältemittelkreislauf innerhalb eines Temperaturbereiches von etwa 0-
130°C arbeitet.
5. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Absorptions-Kältemittelkreislauf Lithiumbromid und Wasser als Absorptionslösung und
Wasser als Kältemittel enthält.
6. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Absorptions-Kältemittelkreislauf Ammoniak und Wasser als Absorptionslösung und
Ammoniak als Kältemittel enthält.
7. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
Absorptions-Kältemittelkreislauf Lithiumbromid und Wasser mit einem Kristallisierungs
verhinderungszusatz als Absorptionslösung und Wasser als Kältemittel enthält.
8. Absorptionsvorrichtung nach den Ansprüchen 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß der erste Absorptions-Kältemittelkreislauf innerhalb eines Temperaturberei
ches von etwa 0 bis etwa 280°C arbeitet.
9. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Absorptions-Kältemittelkreislauf Lithiumbromid und Wasser mit einem Kristallisierungs
verhinderungszusatz als Absorptionslösung und Wasser als Kältemittel enthält.
10. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Absorptions-Kältemittelkreislauf Ammoniak und Wasser als Absorptionslösung und
Ammoniak als Kältemittel enthält.
11. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Absorptions-Kältemittelkreislauf Ammoniak und Wasser als Absorptionslösung und
Wasser als Kältemittel enthält.
12. Absorptionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder der Verdampfer des ersten Kältemittelkreislaufes (70) und des zweiten
Kältemittelkreislaufes (90) eine Verdampferwicklung (71, 91) für den Wärmetausch
zwischen dem Kältemittel in dem jeweiligen Verdampfer und einem Wärmeträger in der
Spule enthält.
13. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Wärmelast eine Innenraumumgebung aufweist, und daß der zweite Kondensor (45) und
der Absorber (63) in Wärmeaustauschverbindung mit einer äußeren Umgebung stehen,
wobei der zweite Kondensor und der Absorber eine Kondensorspule und eine
Absorberspule für den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und einer Ab
sorptionslösung sowie einer Wärmeträgerlösung in den Wicklungen einschließen.
14. Absorptionsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das
Wärmeträgerfluid in der Verdampferwicklung in Wärmeaustauschverbindung mit dem
Innenraum steht, wodurch dieser Innenraum gekühlt wird, und daß das Wärmeträgerfluid
in der Kondensorwicklung und der Absorberwicklung in Wärmeaustausch mit der
äußeren Umgebung steht.
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Owner name: MARTIN MARIETTA ENERGY SYSTEMS, INC., OAK RIDGE, T |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: WEBER, D., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. SEIFFERT, K., D |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LOCKHEED MARTIN ENERGY SYSTEMS, INC., OAK RIDGE, T |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |