DE60311974T2

DE60311974T2 - Verfahren und vorrichtung zur durchsatzregelung der schwachen lösung in ammoniak/wasser-absorptionskreisläufen

Info

Publication number: DE60311974T2
Application number: DE60311974T
Authority: DE
Inventors: Paul Boulder City SARKISIAN; Lance Morrisville KIROL; Uwe Boulder City Rockenfeller
Original assignee: Rocky Research Corp
Current assignee: Rocky Research Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2023-04-05
Also published as: AR039313A1; EP1495271A1; HK1071421A1; US20030192330A1; AU2003221692A1; CA2481989A1; DE60311974D1; ATE354771T1; EP1495271B1; WO2003089850A1; SA03240127B1; US6748752B2; MXPA04010086A; ES2282613T3; CA2481989C

Description

Die Erfindung betrifft Wasser-Ammoniak Absorptionskühl- und/oder Heizsysteme, die Ammoniakkältemittel und wässrige Absorbentia verwenden. Verbesserungen der Effizienz derartiger Systeme umfassen die Anwendung von Generator/Absorber-Wärmetauschzyklen, die reiche und schwache Absorptionsarbeitsflüssigkeiten verwenden und/oder mittels getrennter Wärmetauscherkreise, die als GAX-Zyklen bezeichnet werden. Beschreibungen solcher Systeme finden sich in den US-Patenten Nr. 4 311 019, 5 024 063, 5 271 235, 5 367 884, Re. 36 684 und in "Evaluation of Commercial Advanced Absorption Heat Pump Bread Board" (Bewertung eines handelsüblichen Versuchsaufbaus mit weiterentwickelter Absorptionswärmepumpe) von R. J. Modahl und F. C. Hages, in The Trane Company, S. 117-125, 1988. Weitere Verbesserungen sind in den US-Patenten Nr. 6 718 792, 6 487 875, 6 427 478 und 6 631 624 beschrieben.
Das Dokument DE-A-3344421 beschreibt eine Wasser-Ammoniak Kühl- und/oder Heizvorrichtung, bei der eine Überwärmung am Verdampfer durch die Regelung des Absorptionsflüssigkeitsflusses zwischen dem Generator und dem Absorber zur Regelung des Drucks im Absorber reguliert wird. Das Dokument beschreibt die Verwendung eines Drosselventils zur Regelung des Flusses der ammoniakarmen Absorbtionsflüssigkeit als Antwort auf die Temperatur des den Verdampfer verlassenden Kältemittels und auf den Druck in der Absorptionsflüssigkeitsleitung.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer weiteren Verbesserung der Effizienz von Wasser-Ammoniak Absorptionssystemen. Der Umlaufdurchsatz der schwachen Absorptionsflüssigkeit durch ein Wasser-Ammoniak Absorptionssystem ist ein wichtiger Faktor im einwandfreien Betrieb. Die verdünnte Lösung aus dem Unterteil des Generators, hier auch als "schwache Lösung" bezeichnet, hat die geringste Konzentration von Ammoniak im Absorptionskreislauf, üblicherweise zwischen etwa 2% und 20% Ammoniak, abhängig von Betriebsmodus (Heizen oder Kühlen), Betriebsbedingungen und Parametern des Systemaufbaus. Überschüssiges Ammoniak in der schwachen Lösung verringert die Menge an erzeugtem Kältemittel bei einem gegebenen Durchsatz von Lösung durch den Absorptionszyklus. Es muss also der Umlaufdurchsatz erhöht werden, um die benötigte Menge Kältemittel zu erzeugen. Ein erhöhter Umlaufdurchsatz der Lösung erhöht die erforderliche Wärmezufuhr zum Generator und verringert die Systemeffizienz. Diese Effizienzverringerung ist besonders ausgeprägt bei GAX-Systemen, in denen der Umlaufdurchsatz hoch genug sein muss, um alles Kältemittel, das durch den Kondensator und Verdampfer fließt, zu absorbieren, aber niedrig genug, um die schwache Lösung hinreichend an Ammoniak abzureichern, was notwendig ist, damit die Lösung Ammoniakkältemittel absorbiert. Weiterhin ist im Falle eines Starklösungs-GAX die Ammoniakabreicherung wichtig, um dem GAX-Abschnitt des Absorbers den Betrieb bei genügend hohen Temperaturen zur Wärmeübertragung an die starke Lösung, d.h. Absorptionsflüssigkeitslösung mit einer relativ hohen Ammoniakkonzentration, zu erlauben. Schwache Lösung mit übermäßiger Ammoniakkonzentration und niedriger Gasentlösungstemperatur verringert die Wärmemenge, die im GAX-Absorber wiedergewonnen werden kann, wodurch die Systemeffizienz verringert wird. Eine aktive Regelung des Durchsatzes der schwachen Lösung ist nötig zur Optimierung der Effizienz des Systems durch die Aufrechterhaltung der Ammoniakkonzentration in der schwachen Lösung innerhalb eines Sollbereichs, wenn die Temperaturbedingungen wechseln, oder in Systemen, in denen die Heizleistung änderbar ist. Wie hier verwendet, bedeutet aktive Regelung des Durchsatzes der schwachen Lösung Regelung und Anpassung des Durchsatzes der schwachen Lösung in Reaktion auf Änderungen in den System- oder Betriebsbedingungen im Gegensatz zur Verwendung lediglich eines festen Widerstands wie einer festen Drosselblende oder Kapillarröhre. Eine derartige Regelung des Durchsatzes der schwachen Lösung kann in vorteilhafter Weise auch bei Systemen mit veränderlichen oder mehrfachen Brenner- oder Heizleistungen angewendet werden. Die Begriffe "Brennerleistung" und "Heizleistung" werden hier austauschbar gebraucht.
Zusammenfassung der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Wasser-Ammoniak Absorptionskühl- und/oder Heizvorrichtung bereitgestellt, umfassend:
einen Absorberaufbau, einen Generatoraufbau, einen Kondensator, einen Verdampfer, einen Kältemittelkreislauf umfassend Rohrleitungen zur Leitung von Kältemittel zwischen Absorberaufbau, Generatoraufbau, Kondensator und Verdampfer, einen Absorptionsflüssigkeitskreislauf zur Leitung von Absorptionsflüssigkeit zwischen dem Absorberaufbau und dem Generatoraufbau, wobei der Absorptionsflüssigkeitskreislauf erste Rohrleitungen zur Leitung ammoniakreicher Absorptionsflüssigkeit vom Absorberaufbau zum Generatoraufbau und zweite Rohrleitungen (45, 47) zur Leitung ammoniakarmer Absorptionsflüssigkeit vom Generatoraufbau zum Absorberaufbau enthält, und
eine Ventilanordnung umfassend ein oder mehrere Ventile, die zum Öffnen und Schließen mit den zweiten Rohrleitungen zusammenwirken, um den Durchfluss von schwacher Absorptionsflüssigkeit darin zu regulieren, wobei die Vorrichtung charakterisiert ist durch eine zur Messung einer Beschaffenheit der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit stromaufwärts des einen oder der mehreren Ventile platzierte Messeinrichtung, die wirkend mit dem einen oder den mehreren Ventilen kommuniziert, um das eine Ventil oder die mehreren Ventile als Reaktion auf eine gemessene Temperatur, Konzentration oder damit korrelierende Eigenschaft oder Beschaffenheit der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit zu öffnen und/oder zu schließen.
Der Fluss der schwachen Lösung vom Unterteil des Generators zum Absorber wird aktiv geregelt durch den Einsatz eines oder mehrerer Ventile, die in Reaktion zu einer Eigenschaft oder Beschaffenheit der schwachen Lösung, zum Beispiel Temperatur, Druck, Konzentration und/oder zusammen mit Betriebsbedingungen, -temperaturen oder anderen Eigenparametern betrieben oder eingestellt werden.
In einer Ausbildungsform werden ein Ventil und eine Temperaturmesseinrichtung in thermischem Kontakt mit der schwachen Lösung verwendet, um den Fluss der schwachen Lösung vom Unterteil des Generators zum Absorberaufbau aktiv zu regeln. Ein bevorzugtes Ventil ermöglicht eine kontinuierliche Einstellung des Flusses der schwachen Lösung in Reaktion auf die gemessene Temperatur. In einer anderen Ausbildungsform wird der Fluss der schwachen Lösung in diskreten Stufen statt durch kontinuierliche Einstellung aktiv geregelt.
In einer anderen Ausbildungsform wird die Regelung des Flusses der schwachen Lösung in einem System angewendet, das auch eine aktive Regelung des Kältemittelflusses zum Verdampfern zur Regelung der Dampfüberwärmung einsetzt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Darstellung, die einen Generatoraufbau und ein Ventil und einen Kolben-Temperaturfühler zur Regelung des Durchsatzes der schwachen Lösung zeigt;
2 ist eine schematische Darstellung eines Wasser-Ammoniak Absorptionskühlsystems, das das Ventil und den Kolben-Temperaturfühler aus 1 zur Regelung des Durchsatzes der schwachen Lösung vom Generator zum Absorber enthält;
3 ist eine schematische Darstellung eines Wasser-Ammoniak Kühlsystems, die den Einsatz einer kombinierten diskreten Durchsatzregelung der schwachen Lösung und einer TXV (Thermostatic Expansion Valve, thermostatisches Expansionsventil) -Regelung des Kältemittelflusses zum Verdampfer zeigt; und
4a-e zeigen schematisch verschiedene Arten von Ventilanordnungen und Flussdrosseln für eine zweiwertige diskrete Durchsatzregelung, und ein Beispiel einer Ventilanordnung für eine dreiwertige Durchsatzregelung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildungsformen
Eine Durchsatzregelung der schwachen Lösung wie hier beschrieben kann in jedem Wasser-Ammoniak Absorptionskühl- und/oder Heizsystem mit einem Absorberaufbau, einem Generatoraufbau und einem Absorptionsflüssigkeitskreislauf zur Leitung von Absorptionsflüssigkeit zwischen dem Absorber- und dem Generatoraufbau angewendet werden. Derartige Systeme umfassen einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Kältemittelkreislauf umfassend Rohrleitungen zur Leitung von Kältemittel vom Generatoraufbau zum Kondensator und vom Kondensator zum Verdampfer. Die Wasser-Ammoniak Absorptionsvorrichtung kann Kühl- und/oder Heizfunktionen ausführen. Die Vorrichtungen umfassen Kühler, Wärmepumpen, kältetechnische Apparaturen, nur-Heizungs-Apparate, und Zwei-Temperatur-Apparaturen. Letztere sind eine spezielle Form nichtreversierter Wärmepumpe, in der sowohl Heizung als auch Kühlung für vorteilhaften Einsatz gleichzeitig bereitgestellt werden. Derartige Vorrichtungen umfassen herkömmliche Wasser-Ammoniak Systeme ebenso wie hocheffiziente GAX-Anlagen, wie sie in den vorgenannten Patentschriften und Anwendungen offenbart sind.
In einer in 1 dargestellten Ausbildungsform wird ein temperaturgeregeltes Ventil 60 zur Durchsatzregelung der schwachen Lösung vom Generator 11 zu einem (nicht gezeigten) Absorber verwendet. Das Ventil wird gesteuert durch einen Kolben- Temperaturfühler 62, der mit einer Mischung befällt ist, die einen auf die vom Kolben gefühlte Temperatur reagierenden Druck erzeugt. Der Kolben-Temperaturfühler ist in thermischem Kontakt mit der schwachen Lösung im Generator oder beim Passieren durch Rohrleitungen oder Wärmetauscherschlangen des Generators installiert. Durch Änderungen des Drucks der Kolbenladungsmischung verursachte Änderungen des Kolbendrucks werden auf ein bewegliches Bauelement wie eine Membran oder Balgen im Ventil gerichtet und verursachen so ein Öffnen und Schließen des Ventils als Reaktion auf Druckänderungen oder Druckdifferenzen zwischen Oberflächen der Membran. In der in 1 gezeigten Vorrichtung ist das Ventil 60 zwischen den Rohrleitungen 45 und 47, die die schwache Lösung vom Unterteil des Generators 11 zu einem (nicht gezeigten) Absorber leiten, angeordnet. Die Ventilanordnung umfasst einen Kolben-Temperaturfühler 62 in thermischem Kontakt mit der Aufnahmerohrleitung 68 für die schwache Lösung. Ventil 60 wird geöffnet und geschlossen in Reaktion auf die vom Kolben 62 gemessene Temperatur in Leitung 68, die die schwache Lösung vom Unterteil des Generators zur GHX (Generator Heat Exchanger, Generatorwärmetauscher)-Rohrschlange 65 und -Leitung 45 leitet. Alternativ kann der Kolben in thermischem Kontakt mit dem Unterteil des Generators angebracht werden, entweder auf der Außenseite der Hülle, wo er die Lösungstemperatur im Unterteil des Generators indirekt misst, oder in direktem thermischen Kontakt mit der Lösung im Inneren des Unterteils des Generators. Der Kolben-Temperaturfühler kann an jeder geeigneten Stelle angebracht werden, vorzugsweise dort, wo die ammoniakarme Lösung an oder nahe an ihrer Gasentlösungstemperatur ist.
Das Ventil wird durch eine Membran gesteuert, wobei eine Seite der Membran dem Druck des Kolben-Temperaturfühlers ausgesetzt ist und die andere Seite dem Generatordruck. Die gezeigten Ventilbestandteile umfassen den Eingangsanschluss 71, Ausgangsanschluss 72, Membran 73, Aktuatorstange 74, Ventilstopfen 75, Ventilkammer 76 und Feder 77. Das Ventil 60 ist so montiert, dass der Eingangsanschluss 71 des Ventils schwache Lösung vom Generator über Leitung 45 erhält und mit der Ventilkammer 76, die der Membran 73 ausgesetzt ist, kommuniziert, und der Ausgangsanschluss 72 mit der Leitung 47 zur Leitung der schwachen Lösung zum Absorberaufbau kommuniziert. Der Ventilausgangsanschluss 72 wird geöffnet und geschlossen in Reaktion auf die Druckdifferenz zwischen dem Generatordruck und dem Druck des Kolben- Temperaturfühlers. Das Ventil reguliert den Durchsatz der schwachen Lösung, um die Konzentration von Ammoniak in der schwachen Lösung innerhalb eines erwünschten Bereichs zu halten. Die Reaktion des Ventils hängt ab von Parametern des Ventilaufbaus einschließlich Membrandurchmesser, Sitzdurchmesser, Federkraft und Kolbenfüllung. Prozessparameter wie etwa Ober- und Unterseitendruck, d.h. die Drücke auf den beiden Seiten des Ventilstopfens, beeinflussen die Leistung.
Eine Wasser-Ammoniak Kolbenfüllung funktioniert gut zur Durchsatzregelung der schwachen Lösung, wobei der Anteil an Ammoniak im Kolben etwas höher ist als die erwünschte Konzentration von Ammoniak in der schwachen Lösung. Nützliche Ammoniakkonzentrationen sind zwischen etwa 1-20% und vorzugsweise zwischen etwa 3% und etwa 10%. Eine relativ konstante Konzentration in der schwachen Lösung wird erreicht durch relativ niedrige Federkräfte in Kombination mit niedrigeren Ammoniakkonzentrationen in der Kolbenfüllung. Erhöhte Federkraft und etwas höherer Ammoniakanteil in der Kolbenfüllung verändert die Ventilantwort hin zu erhöhter Ammoniakkonzentration in der schwachen Lösung bei höheren Drücken. Eine Erhöhung des Anteils an Ammoniak in der schwachen Lösung bei höheren Drücken ist oft eher erwünscht als konstante Konzentration, da es hilft, die Generatortemperatur bei hohen Umgebungstemperaturen zu begrenzen.
Die oben behandelten Wasser/Ammoniak-Mischungen können durch andere Kolbenfüllungsmischungen ersetzt werden, um gute Leistungscharakteristiken zu erzielen. Zum Beispiel können ammoniakalische Komplexverbindungen verwendet werden, wie sie im US-Patent Nr. 4 848 994 offenbart sind. Eine spezielle, für nützlich befundene Komplexverbindung ist FeCl₂·2/6(NH₃). Wässeriges BaCl₂ mit einer Koordinationsstufe von 1-2 Mol Wasser, d.h. BaCl₂·1/2(H₂O) oder wässerige Zeolithe oder Kohlenstoff können ebenso als geeignete Kolbenfüllungen verwendet werden.
Schwache Lösung wird wie gezeigt durch die GHX-Rohrschlange 65 im unteren Abschnitt des Generators geleitet, wobei Wärme von der heißen schwachen Lösung an den Generator abgegeben wird. Wie gezeigt ist das Ventil 60 zur Durchsatzregelung der schwachen Lösung stromabwärts von der GHX-Rohrschlange angeordnet, was insofern vorteilhaft ist, als es eine maximale Wärmeübertragung von der schwachen Lösung zum Generator erlaubt, bevor der Druck der schwachen Lösung reduziert wird, wodurch eine maximale Wärmerückgewinnung aus der Lösung vor dem Entspannen oder Ablassen auf niedrigeren Druck ermöglicht wird. Zudem erlaubt die Positionierung des Ventils im kühlsten Teil des Schwachlösungsstromes, dass das Ventil für niedrigere Maximalbetriebstemperaturen ausgelegt werden kann.
Das oben beschriebene membranbetätigte Ventil kann durch andere Arten von Ventilen ersetzt werden. Jegliches Ventil, das auf Temperatur und/oder Druck der schwachen Lösung reagiert, um eine konstante oder nahezu konstante Konzentration der schwachen Lösung aufrechtzuerhalten, kann verwendet werden. Eine andere Alternative ist es, ein Ventil zu verwenden, das direkt auf die Konzentration der schwachen Lösung oder auf eine mit der Konzentration der schwachen Lösung korrelierende physikalische Eigenschaft oder Beschaffenheit reagiert. Die Vorrichtung kann eine oder mehrere Messeinrichtungen zur Messung oder Überwachung einer Beschaffenheit der Absorptionsflüssigkeit, z.B. der schwachen Lösung, umfassen, wobei die Messeinrichtung wirkend mit einem Ventil kommuniziert, um das Ventil als Reaktion auf eine gemessene Beschaffenheit zu regeln. Die Messeinrichtung kann direkt mit dem Ventil gekoppelt sein oder indirekt wirkend über ein zwischengeschaltetes Bauelement, wie eine Regeleinrichtung, z.B. einen Controller oder Mikroprozessor, mit dem Ventil verbunden sein. Auch elektronische Ventile, die in Reaktion auf Temperatur, Druck und/oder Konzentration der schwachen Lösung betrieben werden, können verwendet werden. Zum Beispiel können derartige elektronische Ventile kontinuierlich verstellbare Ventile sein, oder Auf-Zu-Ventile in gepulstem Betrieb mit Pulsbreitenmodulation oder einem ähnlichen Regelalgorithmus zur Regelung des Zeitanteils, in dem das Ventil geöffnet ist. Ein im Pulsbreitenbetrieb geregeltes Ventil kann auf Generatortemperatur, -druck oder andere mit der Konzentration der schwachen Lösung korrelierende physikalische Eigenschaften oder Beschaffenheiten reagieren, oder könnte eingestellt werden, um zwei oder mehr verschiedene Durchflussraten in Reaktion auf Betriebsbedingungen des Absorptionssystems zur Verfügung zu stellen.
In einem herkömmlichen System ohne die vorliegende Erfindung gelangt die schwache Lösung ohne aktive Regelung über eine feste Durchflussbegrenzung vom Generator zum Absorber. 2 zeigt schematisch ein Wasser-Ammoniak Generator-Absorber Wärmetauscher (GAX)-Kühlsystem mit kontinuierlicher Durchsatzregelung der schwachen Lösung unter Verwendung eines Ventils wie in 1 gezeigt. Wie in 2 gezeigt, gelangt schwache Lösung vom Generatoraufbau 11 über Ventil 60, das den Durchsatz der schwachen Lösung zur Aufrechterhaltung der Ammoniakkonzentration darin in einem gewünschten Bereich anpasst, zum Absorberaufbau 10. Die wesentlichen Bestandteile des Kühlsystems umfassen einen Absorberaufbau 10, umfassend einen Absorber 12 und einen Absorber-Wärmetauscherabschnitt 30, der einen auch als lösungsgekühlten Absorber (solution cooled absorber, SCA) bezeichneten Absorber-Wärmetauscher 31 und einen GAX-Wärmetauscher 33 umfasst. Der gezeigte Generatoraufbau 11 umfasst einen Generatorwärmetauscher 15, einen Heizkessel 26 mit einem Brenner 19 zum Erhitzen und Verdampfen der Lösung, einen adiabatischen Abschnitt 16 und einen Rücklaufverflüssigerabschnitt 17 mit Rücklaufrohrschlange 13. Der Brenner kann vom Einfach-, Mehrfach oder variablen Kapazitätstyp sein und kann eine Verbrennungsluftvorheizung umfassen. Ein Kondensator 14 und ein Verdampfer 20 sind die anderen wesentlichen Bestandteile des Systems. Das Kühlsystem kann auch einen Vorkühler 52 zur Vorkühlung des vom Kondensator kommenden Kältemittels mit kaltem gasförmigem Kältemittel vom Verdampfer enthalten. Die Absorber- und Kondensatorwärmetauscher können luft- oder flüssigkeitsgekühlt sein, und der Rücklaufverfüssiger 17 kann mit Lösung oder Wasser gekühlt werden. Ein solcher GAX-Kühler ist in der Technik wohlbekannt, zum Beispiel aus den US-Patenten Nr. 5 490 393 und 5 367 884 und aus der vorgenannten Veröffentlichung von Modahl et al.
Beim Betrieb der dargestellten GAX-Kühlvorrichtung wird die relativ kühle, kältemittelreiche Absorptionsflüssigkeitslösung vom Absorber über Leitung 46 zur Wärmetauscherschlange 13 im Rücklaufverfüssiger 17 gepumpt, wonach sie über Leitung 49 zum Absorberwärmetauscher 31 und GAX-Wärmetauscher 33 geleitet wird. In der gezeigten Ausbildungsform teilt ein Flussteiler 32 die ammoniakreiche Absorptionsflüssigkeit (reiche Lösung), die ihn vom Absorberwärmetauscher (SCA) 31 aus passiert, in einen ersten Anteil zum Generator über Leitung 48 und einen zweiten Anteil über zum GAX-Wärmetauscher 33 und dann zum Generator über Leitung 50 auf. Der Kältemitteldampf vom Verdampfer 20 wird über Leitung 44 zum Absorberaufbau 10 geleitet. Schwache Absorptionsflüssigkeit oder schwache Lösung wird vom Generator zum Absorberaufbau 10 über Leitung 45, Ventil 60 und Leitung 47 geleitet. Wenn die schwache Lösung vom Generator über den GAX-Wärmetauscher 33 im Absorber und über den Absorberwärmetauscher 31 strömt, nimmt sie Ammoniakdampf auf. Die Vorteile eines GAX-Systems mit Flussteilung eines Anteils der reichen Absorptionsflüssigkeit durch den GAX-Wärmetauscher sind eingehender in den vorgenannten Literaturstellen diskutiert, insbesondere in der Veröffentlichung von Modahl et al. und in dem '884er Patent. Allerdings ist innerhalb des breiten Bereichs von GAX-Systemen die vorliegende Erfindung nicht beschränkt durch das Verfahren der Rückgewinnung von GAX-Wärme, sei es durch die starke Lösung, die schwache Lösung oder eine zusätzliche Flüssigkeit. Weiterhin ist bei GAX-Rückgewinnungssystemen mit starker Lösung die vorliegende Erfindung nicht auf die Positionierung der Flussteilung der reichen Lösung in GAX- und Neben- (nicht-GAX)-Ströme beschränkt. In der Ausbildungsform von 3 wird die reiche Lösung beim Flussteiler 32' geteilt, wodurch ein Anteil der reichen Lösung über Leitung 48' zum Generator geleitet wird, bevor die reiche Lösung die SCA- und GAX-Wärmetauscher erreicht, wohingegen in 2 der Flussteiler 32 zwischen den SCA- und GAX-Wärmetauschern platziert ist. Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf ein GAX-System und kann in einem herkömmlichen Absorber-Wärmetauschsystem verwendet werden, wenn auch der effizientere GAX-Zyklus bevorzugt ist. Die Ausbildungsform von 2 ist insbesondere gut geeignet für den Betrieb mit kontinuierlich veränderlicher Heizleistungsregelung.
3 zeigt schematisch eine weitere Ausbildungsform eines Wasser-Ammoniak Kühlers, der aktive Durchsatzregelung der schwachen Lösung einsetzt. Aktive Regelung ist besonders vorteilhaft in einem System mit einem Brennner mit variabler oder mehrfach einstellbarer Heizleistung. In der Ausbildungsform von 3 kann der Durchsatz der schwachen Lösung in diskreten Schritten geändert werden und ist besonders gut geeignet für den Betrieb mit einer diskreten Regelung der Brennerleistung. Diskrete Durchsatzregelung der schwachen Lösung ist insbesondere vorteilhaft in einem System mit einem Brenner mit 2 oder mehr diskreten Heizleistungsstufen. Eine derartige Vorrichtung ist offenbart in der US-Patentanmeldung Nr. 10/125125, eingereicht am 16. April 2002 (ROCKYR. 113A). In der in 3 dargestellten Ausbildungsform wird der Strom der schwachen Lösung vom Generatoraufbau 11 zum Absorberaufbau 10 entlang der Leitung 47 zum Teiler 51 in erste und zweite Leitungen 55 beziehungsweise 70 geleitet. Die ersten Leitungen 55 enthalten ein aktiv geregeltes Ventil 56 und eine erste Drossel 57. Die zweiten Leitungen 70 enthalten eine zweite Drossel 59. Diese zwei Ströme schwacher Lösung stellen hohen und niedrigen Durchsatz zur Anpassung der Konzentrationen der schwachen Lösung innerhalb erwünschter Konzentrationsbereiche bereit. Für einen hohen Durchsatz der schwachen Lösung wird Ventil 56 geöffnet und schwache Lösung, die vom Generator über Leitung 47 zum Absorber fließt, wird am Flussteiler 51 aufgeteilt, wobei ein erster Anteil durch Leitung 55, Ventil 56 und Drossel 57 fließt und ein zweiter Anteil durch Leitung 70 und Drossel 59. In einer Betriebsart mit niedrigem Durchsatz wird Ventil 56 geschlossen und die ganze schwache Lösung, die zum Absorber fließt, fließt durch Leitung 70 und Drossel 59. Die Drosseln 57 und 59 können jede beliebige Kombination von Blende, Kapillarröhren, Düsen oder anderen dem Fachmann bekannten Strömungswiderstandselementen sein. Die Durchsatzumschaltung kann ausgeführt werden in Reaktion auf wechselnde Betriebsbedingungen, wie etwa Umgebungs- oder Lasttemperaturen oder Konzentrationen der schwachen Lösung, um den erwünschten Konzentrationsbereich einzuhalten. Verringerter Durchsatz der schwachen Lösung kann auch zur Verbesserung des Hochfahrens des Absorptionssystems eingesetzt werden. Erhöhter Durchsatz der schwachen Lösung kann dazu dienen, kurzzeitige Steigerungen der Kühlleistung zu erzielen. In der gezeigten Ausbildungsform kommuniziert ein Controller 58 wirkend mit der Ventilsteuereinrichtung 87, die das Öffnen und Schließen des Ventils 56 zur Durchsatzregelung der schwachen Lösung auslöst. Die Ventilöffnung kann variabel geregelt sein oder als Ventil, das (ganz) geöffnet oder geschlossen ist. Das Ventil kann mechanisch oder elektronisch sein. Der Controller ist wirkend verbunden mit der Temperaturmesseinrichtung 53, die in thermischem Kontakt mit dem Unterteil des Generators 11 steht und steuert das Ventil 56 in Reaktion auf die von der Messeinrichtung 53 gemessene Temperatur. Die Temperaturmesseinrichtung 53 kann statt außerhalb der Hülle auch im Inneren des Generators in direktem thermischem Kontakt mit der Lösung im Inneren des Unterteils des Generators platziert sein. Alternativ kann eine Einrichtung zur Messung einer anderen physikalischen Eigenschaft oder Beschaffenheit der schwachen Lösung, wie etwa der Kältemittelkonzentration, oder einer mit der Beschaffenheit der schwachen Lösung zusammenhängenden Eigenschaft, oder zur Messung einer Beschaffenheit der Vorrichtung oder des Systems wie etwa lastabhängige Beschaffenheiten, zum Beispiel Temperatur des Wasserzuflusses und/oder -rücklaufs, oder Heizleistung, die Temperaturmesseinrichtung 53 ersetzen oder in Kombination mit der Temperaturmessung eingesetzt werden. Diese Erkennung, alleine oder kombiniert mit der Temperaturmessung, wird überwacht vom Controller 58 zum Betrieb des Ventils 56 zur Aufrechterhaltung der erwünschten Ammoniakkonzentration in der schwachen Lösung, die dem Absorber zugeführt wird. Der Controller kann auch thermostatisch betrieben werden zur Regelung der Ventilöffnung, wobei die Generatorheizung und der Durchsatz der schwachen Lösung in Reaktion auf auf Temperaturbedingungen, für die das Heiz- und/oder Kühlsystem verwendet wird, angepasst werden. Als Beispiel kann der Controller 58 Software oder Firmware mit einem Pulsbreitenregelalgorithmus zur Regelung des Betriebs des Ventils 56 und zum periodischen schnellen Öffnen und Schließen des Ventils, wobei der Controller oder Mikroprozessor eingerichtet ist, unter Verwendung von Pulsbreitenmodulation in Reaktion auf Änderungen von Temperatur, Druck, Konzentrationen etc. zu arbeiten.
Die elektronische Durchsatzregelung der schwachen Lösung und/oder der Brennerheizleistung kann aufgrund der Messung der Gebäudelast oder eines oder mehrerer die Last repräsentierender Parameter stattfinden. Zum Beispiel sind die Temperatur der Zufuhr gekühlten Wassers oder der Abluft ein Maß der relativen Leistung des Kühlers gegenüber der Gebäudelast. Der Abfall der Temperatur der Zufuhr (oder des Rücklaufs) gekühlten Wassers unter eine vorherbestimmte Solltemperatur ist ein Hinweis, dass der Kühler bei höherer Leistung arbeitet als von der Gebäudelast benötigt. In so einem Fall würden ein oder mehrere der Regelventile für die schwache Lösung geschlossen oder mehr in Richtung geschlossen angepasst, um den Durchsatz der schwachen Lösung zu reduzieren und in Verbindung damit der Brenner angepasst, um die Heizleistung zu verringern. Wenn dagegen die Temperatur der Zufuhr (oder des Rücklaufs) gekühlten Wassers über eine vorherbestimmte Solltemperatur ansteigt, würden ein oder mehrere der Regelventile für die schwache Lösung geöffnet oder mehr in Richtung offen angepasst, um den Durchsatz der schwachen Lösung zu erhöhen und in Verbindung damit würde der Brenner angepasst, um die Heizleistung zu erhöhen. Es können Elektronische Regeleinrichtungen, wie ein Controller oder Mikroprozessor wie oben beschrieben, in Wirkverbindung mit einer oder mehreren Komponenten, die die Gebäudelast und/oder Parameter wie oben beschrieben messen, verwendet werden.
Es gibt eine Vielzahl von Wegen, eine Umschaltung des Durchsatzes der schwachen Lösung mittels Ventileinrichtungen, d.h. eines oder mehrerer Ventile in Kombination mit verschiedenen festen Flüssigkeitsstromwiderstandskomponenten, zu bewirken. 4A-f zeigen Beispiele verschiedener Arten von Ventileinrichtungen und Strömungswiderständen, die verwendet werden können. 4a zeigt die Verwendung eines Ventils das in geschlossenem Zustand immer noch einen Flüssigkeitsfluss zulässt, aber mit höherem Strömungswiderstand als wenn das Ventil offen ist. Ein Beispiel für so ein Ventil ist eines, bei dem ein Loch in den Ventilstopfen gebohrt ist, wodurch ein geringer Flüssigkeitsdurchsatz durch die kleine, in den Stopfen gebohrte Öffnung fließt, wenn der Stopfen im Sitz ist, und wenn der Stopfen aus dem Ventilsitz herausgehoben wird, ein größerer Flüssigkeitsstrom durch die größere Engstelle, die durch den Ventilsitz definiert wird, fließt. So ein Ventil kann mittels eines Solenoids betrieben werden oder mit anderen Arten der Steuerung. 4b stellt ein ähnliches durchbohrtes Ventil mit einer kleinen und einer großen Blende im geöffneten beziehungsweise geschlossen Zustand dar, das in Reihe mit einer Begrenzung, die einen zusätzlichen Strömungswiderstand darstellt und sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts des Ventils eingesetzt werden kann, verwendet wird. In 4c wird ein Parallelwiderstand in einer Bypassleitung in Kombination mit einem Ventil verwendet. Das Ventil kann durchbohrt sein wie oben beschrieben, oder kann vollständig geschlossen oder geöffnet sein. Wiederum kann der in Reihe mit dem Ventil eingesetzte Widerstand stromaufwärts oder stromabwärts des Ventils sein. Solch eine Ausbildungsform mit parallelen Widerständen ist wie die in 3 dargestellte. 4d stellt eine Reihenschaltung von Widerständen mit einem einzelnen Ventil dar, welches benutzt wird, für hohen Durchsatz einen der Widerstände zu umgehen. Wieder kann das Ventil für hohen und geringen Durchsatz durchbohrt sein, oder kann variable Ventilöffnungen haben, wobei jedes der Ventile geregelt werden kann. 4e zeigt parallele Strömungswiderstände mit einem Ventile in Reihe mit jedem Widerstand. Diese Ausbildungsform kann gegenüber der in 4c dargestellten Ausbildungsform zu bevorzugen sein, wenn es angestrebt wird, den Strom schwacher Lösung komplett abzustellen, zum Beispiel zum herunterfahren oder aus anderen Gründen. Die obigen Ausbildungsformen von Ventilen und Widerständen sind nützlich für zwei Durchsatzmodi der schwachen Lösung, hoher und niedriger Durchsatz, und für Systeme mit Zweileistungsbrennern. 4f stellt ein Beispiel einer Anordnung von Ventilen und Widerständen für eine dreifache oder dreistufige Durchsatzregelung dar. Es ist einsichtig, dass verschiedene Kombinationen von Ventilen und Strömungswiderständen verwendet werden können, erweiterbar auf jede gewünschte Anzahl von Durchsatzregelungen der schwachen Lösung. Jedes beliebige oder mehrer der Ventile können zum vollständigen Öffnen oder Schließen betrieben werden, wie etwa ein solenoidbetriebenes Ventil, oder können für variable Öffnung angesteuert werden.
In einer anderen in 3 dargestellten Ausbildungsform werden ein Ventil und ein Kolben-Temperaturfühler zur Regelung des Kältemittelstroms zum Verdampfer und zur Regelung der Dampfübenwärmung verwendet. Ein TXV 40 ist längs der Leitung 42 zur Regelung des Kältemittelstroms zum Verdampfer 20. Ein Kolben-Temperaturfühler 23 ist am oder nahe bei dem Verdampferauslass an Leitung 44 platziert, wobei eine Druckleitung 25 zwischen dem Kolben-Temperaturfühler 23 und dem Ventil 40 vermittelt. Ein bevorzugtes Ventil zur Verwendung in der Vorrichtung der Erfindung ist ein Regelventil mit gepulstem Betrieb, das im US-Patent Nr. 5 675 982 offenbart ist. Die Verwendung und der Betrieb des Ventils zur Regelung der Überwärmung in einer derartigen Vorrichtung ist eingehender in der gleichfalls anhängigen (US-)Anmeldung Nr. 10/125125, eingereicht am 16. April 2002 (ROCKYR.104A) beschrieben.
In den Wasser-Ammoniak Systemen kann der Absorber 12 luftgekühlt sein wie in 2 dargestellt oder kann durch Kältemittel gekühlt sein, wie es im US-Patent Re. 36 684 beschrieben ist. 3 stellt für eine derartige Absorberkühlung einen Teil eines Kältemittelkreislaufs umfassend eine Wärmetauscherschlange 84, in der vom Kondensator 14 zugeführtes kondensiertes Kältemittel zumindest teilweise zur Kühlung des Absorbers verdampft wird, dar. Wenn so eine Ausbildungsform verwendet wird, kann die Vorrichtung ein (nicht dargestelltes) Reservoir für das kondensierte Kältemittel enthalten. Der Kältemittelkreislauf umfasst Rohrleitungen 83, die mit den Rohrleitungen 85 kommunizieren, um das verdampfte Kältemittel von der Absorberwärmetauscherschlange, wo es mit Kältemitteldampf aus dem Rücklaufverflüssiger 17 vereinigt wird, über Leitung 41 zum Kondensator 14 zu leiten. In dieser Ausbildungsform wird die komplette Wärmeentlastung durch die Vereinigung des beim Kühlen des Absorbers verdampften Kältemittels mit Kältemitteldampf, der vom Rücklaufverflüssiger zum Kondensator strömt, im Kondensator erzielt. Der Rücklaufverflüssiger 17 umfasst vorzugsweise auch eine Rücklaufrohrschlange 13 zur Kühlung und Rückverflüssigungdes Dampfes durch Erhitzen und/oder Verdampfen von Kältemittel in der Rücklaufrohrschlange oder Kühlschlange. Ein solcher Kältemittelkreislauf wird ebenso bevorzugt mit einer Ventilanordnung, wie einem oder mehreren Ventilen und besonders bevorzugt mit einem Vierwegventil zur Umkehrung des Kältemittelstroms, wie es in Re. 36 684 offenbart ist, verwendet. Ein derartiger Kältemittelkreislauf leitet das Kältemittel wahlweise zum Kondensator und zum Verdampfer hin und davon weg, wobei jeder davon wechselweise zum Verdampfen oder Kondensieren des Kältemittels in einem Wärmepumpensystem arbeiten kann. Die oben beschriebene Durchsatzregelung der schwachen Lösung und die Absorberkühlung und Systemwärmeentlastung kann in einer Doppeltemperaturvorrichtung, die die vorgenannten Komponenten enthält und einen Kältemittelkreislauf hat, in dem der Kältemittelstrom nicht umgekehrt wird und die Wärmetauscherfunktionen des Kondensators und Verdampfers nicht vertauscht sind, angewendet werden.

Claims

Wasser-Ammoniak Absorptionskühl- und/oder -heizvorrichtung, umfassend: einen Absorberaufbau (10), einen Generatoraufbau (11), einen Kondensator (14), einen Verdampfer (20), einen Kühlmittelkreislauf umfassend Rohrleitungen (41, 42, 43, 44) zur Leitung von Kühlmittel zwischen Absorberaufbau, Generatoraufbau, Kondensator und Verdampfer, einen Absorptionsflüssigkeitskreislauf zur Leitung von Absorptionsflüssigkeit zwischen dem Absorberaufbau und dem Generatoraufbau, wobei der Absorptionsflüssigkeitskreislauf erste Rohrleitungen (46) zur Leitung ammoniakreicher Absorptionsflüssigkeit vom Absorberaufbau zum Generatoraufbau und zweite Rohrleitungen (45, 47) zur Leitung ammoniakarmer Absorptionsflüssigkeit vom Generatoraufbau zum Absorberaufbau enthält, und eine Ventilanordnung (60, 56) umfassend ein oder mehrere Ventile, die zum Öffnen und Schließen mit den zweiten Rohrleitungen zusammenwirken, um den Durchfluss von schwacher Absorptionsflüssigkeit darin zu regulieren, wobei die Vorrichtung charakterisiert ist durch eine zur Messung einer Beschaffenheit der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit stromaufwärts des einen oder der mehreren Ventile platzierte Messeinrichtung (62, 53), die wirkend mit dem einen oder den mehreren Ventilen kommuniziert, um das eine Ventil oder die mehreren Ventile als Reaktion auf die gemessene Beschaffenheit zu öffnen und/oder zu schließen, wobei die gemessene Beschaffenheit eine gemessene Temperatur, Konzentration oder damit korrelierende Eigenschaft oder Beschaffenheit der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit ist, um die Ammoniakkonzentration in der schwachen Lösung innerhalb des erwünschten Bereiches zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die Messeinrichtung einen Temperatunwächter (62) umfasst, der zur Überwachung der Temperatur der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit im Generatoraufbau, wo die Lösung an oder nahe an ihrer Gasentlösungstemperatur ist, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, in der die Ventilanordnung (60) ein von einem beweglichen Element (73) betriebenes Ventil (75) umfasst, in der der Temperaturwächter ein Kolben-Temperaturfühler ist, und in der eine erste Seite des beweglichen Elements dem Kolbendruck ausgesetzt ist und eine zweite Seite davon dem Generatordruck oder der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit bei oder nahe am Generatordruck, wobei der Durchfluss der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit durch das Öffnen und Schließen des Ventils als Reaktion auf die Druckdifferenz zwischen Kolbendruck und Generatordruck reguliert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der der Absorber eine Wärmetauscherschlange (84) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf enthält, wobei kondensiertes Kühlmittel zu dieser Wärmetauscherschlange geleitet und darin zur Kühlung des Absorbers zumindest teilweise verdampft wird, und in der der Kühlmittelkreislauf Rohrleitungen (83, 85) zur Leitung verdampften Kühlmittels von der Absorber-Wärmetauscherschlange und vom Generatoraufbau zum Kondensator enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend einen Rücklaufverflüssiger (17) und eine darin befindliche Kühlschlange (13) in Flüssigkeitsverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf, wobei kondensiertes Kühlmittel zur Kühlschlange geleitet und darin zur Kühlung des Rücklaufverflüssigers erhitzt und/oder zumindest teilweise verdampft wird, und in der der Kühlmittelkreislauf Rohrleitungen (41) zur Leitung erhitzten und/oder verdampften Kühlmittels von der Kühlschlange zum Kondensator enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, in der der Absorberaufbau (10) einen Absorber (12), einen Absorberwärmetauscher (31) und einen Generator/Absorber-Wärmetauscher (33) enthält, und wobei der Absorptionsflüssigkeitskreislauf eine oder mehrere Leitungen (46, 49) zur Leitung ammoniakreicher Absorptionsflüssigkeit im Absorberaufbau vom Absorber (12) zum Absorberwärmetauscher (31) und zum Generator/Absorber-Wärmetauscher (33) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die zweiten Rohrleitungen eine oder mehrere durchflusshemmende Einrichtung(en) (57, 59) in Reihe oder parallel zu einem oder mehreren der Ventile enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 7, in der die zweiten Rohrleitungen einen Flussteiler (51) und eine Mehrzahl damit kommunizierender Leitungen (55, 70) zur Leitung von Teilen der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit zum Ventil (56) beziehungsweise zur durchflusshemmenden Einrichtung (57) enthalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, in der die zweiten Rohrleitungen (47) einen Flussteiler (51) und erste und zweite damit kommunizierende Leitungen (55, 70) enthalten, sowie ein Ventil (56) und/oder eine durchflusshemmende Einrichtung (57, 59) entlang der ersten und zweiten Leitungen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gemessene Beschaffenheit eine lastabhängige Beschaffenheit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die lastabhängige Beschaffenheit die Zufuhr gekühlten Wassers und/oder die Rücklaufwassertemperatur umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gemessene Beschaffenheit die Brennerleistung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die gemessene Beschaffenheit Druck, Temperatur und/oder Konzentration der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Messeinrichtung in Messkontakt mit der ammoniakarmen Absorptionsflüssigkeit steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen Regler oder Mikroprozessor (58), der wirkend mit der Ventilanordnung (56) und der Messeinrichtung (53) kommuniziert.
Vorrichtung nach Anspruch 15, in der das Ventil (56) mittels Steuerung per Pulsbreitenmodulation betrieben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend eine wirkend mit dem einen oder den mehreren Ventilen verbundene Vorrichtung zur elektronischen Regelung, und ein oder mehrere mit der elektronischen Regelungsvorrichtung wirkend verbundene Elemente zur Erfassung von Gebäudelasten und/oder eines Parameters oder mehrerer Parameter davon.
Vorrichtung nach Anspruch 17, worin der eine oder die mehreren Lastparameter die Temperatur des gekühlten Wassers oder die Rücklauftemperatur umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin Kondensator (14) und Verdampfer (20) erste und zweite Wärmetauscher umfassen, die jeweils geeignet sind, als Kondensator oder Verdampfer zu arbeiten, wobei die Vorrichtung ein oder mehrere Ventile umfasst, das/die mit dem Kühlmittelkreislauf zur wahlweisen Umkehrung des Kühlmittelflusses zu den Wärmetauschern hin und davon weg zusammenwirkt/zusammenwirken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch einen Kolben-Temperaturfühler in Wärmeübertragungsverbindung mit dem Verdampfer am oder nahe am Ausgang des Verdampfers und ein mit den Kühlmittelrohrleitungen (42, 43) zusammenwirkendes Kühlmittelsteuerungsventil (40), wobei das Kühlmittelsteuerungsventil einen dem Druck des Kolben-Temperaturfühlers ausgesetzten Druckanschluss sowie ein diesem Druckanschluss ausgesetztes bewegliches und auf den Kolbendruck reagierendes Element zum Betrieb des Ventils und zur Regulierung des Durchflusses von Kühlmittel in Reaktion zur vom Kolben-Temperaturfühler erfassten Temperatur enthält, wobei das bewegliche Element eine erste dem Druck des Kolben-Temperaturfühlers ausgesetzte Seite und eine zweite dem Verdampferdruck ausgesetzte Seite hat, wobei das bewegliche Element das Kühlmittelsteuerungsventil veranlasst, in Reaktion auf den Druckunterschied zwischen dem Kolben-Temperaturfühler und dem Verdampfer zu arbeiten, und wobei der Kolben-Temperaturfühler oberhalb des beweglichen Elements platziert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Kühlmittelsteuerungsventil ein Steuerventil mit gepulstem Betrieb umfasst, welches umfasst: einen Eingangsanschluss in Verbindung mit dem Kondensator, umfassend einen Flusseingangsbereich zum Empfang von kondensiertem Kühlmittel, und ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Eingangsanschlusses; einen Ausgangsanschluss umfassend einen Flussausgangsbereich, der mit dem Verdampfer zur Leitung von flüssigem Kühlmittel dorthin kommuniziert; eine Ventilkavität zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss in offener Verbindung dazwischen; wobei das Ventil auf den Druck in der Kavität zum Betrieb des Ventils und zur Regulierung des Öffnens und Schließens des Eingangsanschlusses reagiert, und wobei ein höherer Druck darin das Ventil zum Schließen des Eingangsanschlusses beeinflusst und ein niedrigerer Druck darin das Ventil zum Öffnen des Eingangsanschlusses beeinflusst; und wobei der Flusseingangsbereich mindestens zweimal so groß ist wie der Flussausgangsbereich, wodurch ein Öffnen des Eingangsanschlusses für schnellen Druckaufbau in der Kavität sorgt und für schnelles Schließen davon nach jedem Öffnen.