Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss, deren Energiequelle Niedertemperaturwärme im Bereich 60-80[deg.]C ist, also Wärme aus Sonnenkollektoren, Fernwärmesystemen oder Abwärme von Maschinen, Industrieprozessen und Kraftwerken.
Stand der Technik
Technisch ausgereifte Kühlmaschinen, die für ihren Antrieb Wärme verwenden sind vor allem die Abso[phi]tionsmaschinen. Im Gegensatz zu Kompressorkältemaschinen haben Abso[phi]tionskältemaschinen aber deutliche Beschränkungen bei ihrem Einsatzbereich. Zum einen ist die erforderliche Heiztemperatur an die von Umgebungsbedingungen definierte Rückkühlungstemperatur und an die erwünschte Kühltemperatur gekoppelt. Je höher die Rückkühltemperatur ist, desto heisser muss die Heiztemperatur sein.
Praktisch bedeutet das, dass gerade in heissen feuchten Klimazonen die erforderlichen Heiztemperaturen viel höher liegen, als die Temperatur der zur Verfügung stehenden Niedertemperaturabwärme. Damit kommt es zum Wärmestau und der Kühlprozess kommt zum Erliegen. Zum anderen ist der energetische Wirkungsgrad solcher Anlagen deutlich niedriger, als es nach dem 2. Hauptsatz der Wärmelehre zu erwarten wäre. Die Wärmezahl, definiert als Quotient aus Kühlleistung und der dafür benötigten Heizleistung liegt in der Regel knapp unter 1 und kann ohne Wärmerückgewinnung nicht wesentlich grösser sein. Dies kann man am Beispiel einer Ammoniak.-Wasser Abso[phi]tionskältemaschine veranschaulichen: Gegeben sei eine Kältemaschine die bei einer Verdampfertemperatur von 0[deg.]C und einer Mindestabwärmetemperatur von 30[deg.]C arbeiten soll.
Der Verdampferdruck liegt dann bei 4 bar (absolut) und der Kondensatordruck bei 12 bar. Der Prozess geht in 4 Schritten:
1. Man lässt dazu eine Wasser- Ammoniak-Lösung den Dampf bei einem Druck von 4 bar aufhehmen. Geschieht dies bei konstantem Druck, muss dabei die Absorbertemperatur gleichzeitig fallen, da die Konzentration steigt. Dies geschehe im Temperaturintervall von 54[deg.]C - 30[deg.]C.
2. Die mit Ammoniak angereicherte Lösung wird bei gleich bleibender Konzentration erwärmt, wobei der Druck steigt. Um den Mindestdruck für Kondensation, nämlich 12 bar zu erreichen ist eine Temperatur von 63 [deg.]C nötig.
3. Um eine signifikante Ammoniakmenge auszutreiben muss die Lösung auf ca. 90[deg.]C erhitzt werden.
4.
Die abgereicherte (ausgedampfte) Lösung wird bei konstanter Konzentration wieder abgekühlt und erreicht den Druck des Verdampfers, also 4 bar, bei einer Temperatur von 54[deg.]C, dies war die obere Grenze des Temperaturintervalls von Schritt 1.
Bedeutende Wärmeumsätze finden nur in den Schritten 1 und 3 statt. Die Energien für Aufwärmen und Abkühlen der Lösung ohne Konzentrationsänderung (Schritte 2 und 4) machen nur wenige Prozent der Austreibungs- bzw. Abso[phi]tionswärme aus. Dazu kommt, dass Austreibungs- und Abso[phi]tionsenergie ebenso wie die Kondensations- und die Verdampfungswärme alle von der gleichen Grössenordnung sind.
Dadurch wird die gesamte Abwärme, die Summe aus Abso[phi]tion und Kondensation, immer mindestens doppelt so gross sein, wie die Heizwärme, woraus folgt, dass die theoretische Wärmezahl nicht grösser als 1 sein kann, in realen Maschinen aber deutlich darunter liegt. Aus diesem Beispiel folgen die grundsätzlichen Nachteile herkömmlicher Abso[phi]tionskältemaschinen:
Die maximal mögliche Wärmezahl ist durch die Art des Kreisprozesses selbst definiert und verglichen mit Kompressionskältemaschinen sehr niedrig.
Der angegebene Kreisprozess lässt eine teilweise Wiederverwertung der Abwärme nicht zu, da sowohl Abso[phi]tions- wie auch Kondensationswärme unterhalb der minimalen Heiztemperatur (63 [deg.]C) anfallen
Auch wenn die minimale Heiztemperatur mit 65 [deg.]C genannt wurde, ist für einen quantitativ interessanten Ammoniakumsatz eine deutlich höhere Heiztemperatur nötig, in unserem Beispiel 90[deg.]C.
Heizte man stattdessen mit 150[deg.]C so würde die Lösung so sehr abgereichert, dass sie nach dem Abkühlen bis zum Verdampferdruck immerhin noch eine Temperatur von 108[deg.]C hätte.
Das heisst man könnte einen Teil der entstehenden Abso[phi]tionswärme zum Austreiben von Ammoniak verwenden, also rund 40% der verbrauchten Austreibungswärme zurück gewinnen. Dem steht allerdings entgegen, dass zwar in der heutigen Praxis viele Abso[phi]tionskältemaschinen mit 150[deg.]C beheizt werden, dass dies aber nicht mit "billiger Abwärme" möglich ist. Will man dagegen mit Heiztemperaturen von 60-80[deg.]C arbeiten, so ist dieser Weg der Wärmerückgewinnung nicht gangbar.
Sowohl für Sonnenkollektoren als auch für Abwärme liegt der billige Temperaturbereich zwischen 60[deg.]C und 80[deg.]C. In diesem Bereich lässt sich die Wärmezahl herkömmlicher Abso[phi]tionskältemaschinen nicht mehr steigern.
Dadurch wird sogar ein Betrieb mit "kostenloser" Solarenergie problematisch, weil schon ein relativ kleiner Kühlbedarf sehr grosse Sonnenkollektorflächen erfordert, deren Anschaffung teuer ist. Es wird zwar manchmal versucht, in mehrstufigen Abso[phi]tionskälteanlagen die Abwärme einer Maschine zum Betrieb einer anderen Maschine zu nutzen, das Ganze eventuell auch noch in Kaskaden, doch sind diesem Verfahren durch die Wärmetauscher, die dieses Recycling von Energie bewerkstelligen sollen, Grenzen gesetzt. Zusätzlich führt die Kombination mehrerer Kältemaschinen zu sehr grossen, komplizierten und schweren Systemen.
Es ist dabei anzumerken, dass bei den heute üblichen mehrstufigen Abso[phi]tionskältemaschinen die Mehrstufigkeit nur um eine äussere Kombination mit Wärmeübergabe zwischen den Stufen handelt, während die Kältemittelkreisläufe der einzelnen Stufen voneinander getrennt sind.
Allgemeine Aufgabe der Erfindung ist es, neuartige Abso[phi]tionskältemaschinen anzugeben, die einem neuen Kreisprozess folgen, der den Bau von Maschinen ermöglicht, die einerseits mit niedriger Temperatur beheizt werden können - selbst bei einer ungünstig hohen Rückkühltemperatur, wo aber andererseits ein Grossteil der anfallenden Abso[phi]tionswärme in das System zurückgeführt werden kann.
Dieses Ziel wurde bereits in zwei früheren Patentanmeldungen angestrebt, die dem Prinzip der mehrstufigen Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss folgen.
Dabei sind die einzelnen Stufen direkt miteinander gekoppelt und der Druck des durchströmenden Kältemitteldampfes wird von Stufe zu Stufe angehoben. In der ersten (österr. Patentamt, Anmeldung 01/2004) wurde eine Abso[phi]tions- oder Adso[phi]tionskältemaschine beschrieben, bestehend aus einem Verdampfer, einem Kondensator und einer oder mehrerer Druckerhöhungseinheiten, die jeweils durch eine mit einem Absperrmittel versehene Leitung verbunden sind, wobei in der Druckerhöhungseinheit sich ein Abso[phi]tions- oder Adso[phi]tionsmittel befindet, welches in Zyklen erhitzt und dann wieder abgekühlt wird, sodass im kalten Zustand Kältemitteldampf vom Verdampfer in die Druckerhöhungseinheit strömt und im heissen Zustand Kältemitteldampf aus der Druckerhöhungseinheit in den Kondensator gedrückt wird.
Der periodische Heiz- und Kühlvorgang wird durch ein zwischen einem heissen und einem kühlen Behälter hin und herströmendes Temperierungsmedium gewährleistet. Dabei kann ein Teil der beim Abso[phi]tions- oder Adso[phi]tionsvorgang entstehenden Wärme wiederverwertet werden, wodurch ein sehr guter Wirkungsgrad des Gesamtsystems erzielt wird.
In einer weiteren Patentanmeldung (österr. Patentamt, Anmeldung A535/2004 ) wird eine Weiterentwicklung dieses Prinzips beschrieben, wo die mehrstufige Bauweise mit durchgehendem gemeinsamem Kältemittelfluss bereits zum leitenden Prinzip erhoben ist.
Dabei befinden sich in jeder Stufe zwei Zonen unterschiedlicher Temperatur, von denen die wärmere beheizt und die kältere gekühlt wird, zwischen denen eine Lösung aus Abso[phi]tionsmittel und Kältemittel so hin und her bewegt wird, dass sich wesentliche Lösungsmengen immer nur entweder in der heisseren oder in der kälteren Zone befinden. Die dadurch entstehenden Druckänderungen werden dazu benützt, Kältemitteldampf vom Verdampfer in den Kondensator zu drücken. Mehrere Druckerhöhungseinheiten können hintereinander geschaltet werden.
Das Problem der Wärmerückgewinnung wird dadurch gelöst, dass man den Kältemitteldampf nicht in einer einzelnen Stufe vom Verdampferdruck auf den Kondensatordruck bringt, sondern in zwei oder mehr Stufen.
Dabei wird in jeder dieser Stufen ein Zyklus aus vier Schritten durchlaufen, wie beim oben beschriebenen herkömmlichen Abso[phi]tionskühlungsprozess, mit dem Unterschied, dass die erste Stufe Kältemitteldampf aus dem Verdampfer absorbiert, dann aber beim Austreibprozess dasselbe Kältemittel an die zweite Stufe weitergibt, wo es wieder absorbiert wird und beim Austreiben wieder an die nächste Stufe weitergegeben wird oder gegebenenfalls an den Kondensator. Dabei ist der Abso[phi]tionsdruck jeder Stufe fast gleich dem Austreibungsdruck der vorherigen Stufe. Zwischen Abso[phi]tion und erneuter Austreibung wird der Druck des Kältemitteldampfes von Stufe zu Stufe angehoben.
Verdampfer und erste Stufe, die Stufen hintereinander sowie die letzte Stufe und der Kondensator sind durch Kältemitteldampfleitungen verbunden, in denen jeweils ein Rückschlagventil die durchgehende Flussrichtung definiert.
Die Rückgewinnung von Abwärme wird so bewerkstelligt, dass das vom Rückkühler kommende Wärmeübertragungsmedium hintereinander durch die Absorberwärmetauscher der einzelnen Stufen geleitet wird und sich dabei erwärmt. Umgekehrt wird das von der Heizung kommende Wärmeübertragungsmedium hintereinander durch die Austreiberwärmetauscher der einzelnen Stufen geleitet, wobei es sich fast bis zu jener Grenztemperatur abkühlt, welche die angereicherte Lösung vor Beginn des Austreibvorgangs hat.
Diese Temperatur ist umso niedriger je mehr Stufen man verwendet und niedriger als die Endtemperatur, die das Rückkühlmedium nach dem Durchlaufen der Absorberstufen hat.
Es gibt nur einen Kreislauf des Wärmeträgermediums: Es wird von der Wärmequelle entnommen, läuft durch die Austreiberwärmetauscher, von dort durch den Rückkühler, wo es auf seine tiefste Temperatur kommt, läuft dann durch die Absorberwärmetauscher und von dort zurück zur Wärmequelle, wo es erneut erhitzt wird.
Beide Vorschläge zur Lösung der gestellten Aufgabe haben das gleiche Problem: Wärmerückgewinnung ist vor allem dann interessant, wenn es gelingt, Abwärme mit möglichst hoher Temperatur einzusammeln.
Dafür braucht man optimal gebaute Wärmetauscher, insbesondere solche, wo die Wärmeübergangskoeffizienten besonders hoch sind, also dann, wenn Strömungen mit sehr hoher Reynoldszahl auftreten. Bei den beiden zitierten Anmeldungen steht im ersten Fall die Lösung ruhig und im zweiten Fall bewegt sie sich langsam, der Gravitation folgend durch horizontale Rohre, wobei nur der Rohrboden mit Flüssigkeit bedeckt wird.
In beiden Fällen ergibt sich somit entweder ein schlechter Wirkungsgrad oder ein schlechtes Material-Leistungsverhältnis.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine mehrstufige Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss anzugeben, wo ein Grossteil der anfallenden Abso[phi]tionswärme in das System zurückgeführt werden kann, die Bauweise der Maschine zu vereinfachen, das Material-Leistungsverhältnis sowie den Wirkungsgrad deutlich zu verbessern und die Zahl und Grösse der benötigten Wärmetauscher zu verringern.
Lösung der gestellten Aufgabe
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit intermittierenden Zyklen so gelöst,
dass pro Stufe nur ein gemeinsamer Wärmetauscher für Abso[phi]tion und Austreibung verwendet wird an welchen auf der einen Seite ein Pumpgefäss angeschlossen ist und auf der gegenüberliegenden Seite ein Gasabscheider, wobei dann die Lösung vom Pumpgefäss aus abwechselnd durch diesen Wärmetauscher in den Gasabscheider gedrückt wird oder von diesem her angesaugt wird. Eine zusätzliche vorteilhafte Option besteht darin, dass die ausgegaste Lösung auf dem Rückweg vom Gasabscheider zum Wärmetauscher durch eine Drossel, um ihren Druck zu verringern läuft. Gleichzeitig und im gleichen Takt mit dieser Lösungsbewegung muss dann aber das Wärmeträgermedium jeweils im Gegenstrom zur Lösung seine Flussrichtung wechseln.
Erfindungsgemäss entsteht diese Synchronisierung selbsttätig, wenn das Pumpgefass in Form eines Wärmetauschers ausgeführt wird, dessen Sekundärseite mit dem pumpgefässseitigen Anschluss des Wärmeträgermediums des gemeinsamen Wärmetauschers verbunden wird.
Erfindungsgemäss kann der grosse Temperaturgradient entlang des Austreiberwärmetauschers dazu genützt werden, den vom Gasabscheider kommenden Kältemitteldampf im Gegenstrom zur Lösung abzukühlen und dadurch vor dem Verlassen der jeweiligen Stufe zu rektifizieren, wobei auch diese Rektifikationswärme dem Austreibungsprozess zugeführt wird.
Das Kondensat muss dann über eine Drossel zurück in die Lösung der gleichen Stufe geführt werden.
Erfindungsgemäss wird der Kältemitteldampf beim Abso[phi]tionsvorgang der Lösung an mehreren Punkten entlang ihres Weges durch den Abso[phi]tionswärmetauscher zugeführt, um eine gleichmässige Wärmeentwicklung und einen gleichförmigen Temperaturanstieg des kühlenden Wärmeträgermediums zu gewährleisten.
Erfindungsgemäss kann das Pumpgefass auch durch eine mechanische, vorzugsweise elektrisch betriebene Pumpe ersetzt werden.
Effekte der Erfindung und Unteransprüche
Durch die erfindungsgemässe Anordnung von nur jeweils einem Wärmetauscher pro Stufe mit einem Pumpgefass an dessen einem Ende und einem Gasabscheider an dessen anderem Ende wird eine sehr kompakte und einfache Bauform ermöglicht.
Das Pumpgefass funktioniert so, dass sich, sobald der jeweiligen Stufe nach dem abgeschlossenen Abso[phi]tionsvorgang heisses Wärmeträgermedium zugeführt wird, sich im Pumpgefäss nach Abschluss der Erwärmung der angereicherten Lösung aus dieser Gas bildet, welches Lösung durch den Wärmetauscher in den Gasabscheider hineindrückt, bzw. nach beendetem Austreibvorgang, nach Abschluss der Abkühlung der verbliebenen Reste der Lösung im Pumpgefäss in dieser Kältemitteldampf kondensiert, wodurch in diesem Pumpgefäss der Druck (im Verhältnis zum Gasabscheider) sinkt und Lösung aus dem Gasabscheider durch den Wärmetauscher in das Pumpgefäss gesaugt wird. Durch diesen Druck und Saugvorgang wird die Lösung hinlänglich beschleunigt, um einen guten Wärmeübergang im Wärmetauscher zu gewährleisten.
Der grosse Vorteil dieser Version gegenüber den anderen beiden erfindungsgemässen Versionen liegt darin, dass keine explizite Lösungspumpe benötigt wird. Im Vergleich zur früheren Patentanmeldung österr. Patentamt, Anmeldung AO 1/2004) wird die Leistung der Maschine stark gesteigert, weil in aufeinander folgenden Stufen in gleichen Momenten jeweils Abso[phi]tions- und Austreibvorgang einander abwechseln und weil die Lösung dabei bewegt wird. Im Vergleich zur früheren Patentanmeldung (österr. Patentamt, Anmeldung A535/2004) wird die Lösung nicht bloss durch Schwerkraft bewegt, was in den Wärmetauschern einen wesentlich besseren Wärmeübergangswiderstand ermöglicht.
Ein weiterer kennzeichnender Unterschied besteht darin, dass jeder Stufe der volle Temperaturunterschied zwischen Heiztemperatur und Rückkühltemperatur zu gute kommt, was das Material/Leistungsverhältnis deutlich verbessert. Ein weiterer kennzeichnender Unterschied besteht darin, dass die vom Gasabscheider kommende ausgegaste Lösung über eine Drossel läuft, um den Druck vor dem Abso[phi]tionsprozess zu verringern, was ebenfalls den Wirkungsgrad steigert.
Die erfindungsgemässe Rektifikation des Kältemitteldampfs soll in erster Linie verhindern dass Lösungsmittel von einer Stufe zur nächsten weitergeschleppt wird, was den Gesamtwirkungsgrad des Systems verringern würde.
Die Abkühlung des Lösungsmitteldampfes vor dem Eintritt in die nächste höhere Stufe bringt eine zusätzliche Verbesserung des Wirkungsgrades.
Der erfindungsgemässe Transport der Lösung durch eine elektrische Pumpe ist zwar konstruktiv mit bedeutenden Komplikationen verbunden, speziell bei der Verwendung von Ammoniak als Kältemittel, aber der Energiebedarf einer elektrischen Pumpe ist bedeutend kleiner als der einer Dampfpumpe nach der hier beschriebenen Bauart.
Die Figuren zeigen:
Fig.la und lb: Abso[phi]tionszyklus im Temperatur-Druck Diagramm für eine herkömmliche Abso[phi]tionskältemaschine und für eine mehrstufige Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss.
Fig.2 a und 2b: Schema einer zweistufigen Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss und mit intermittierenden Zyklen, Darstellung der beiden Zyklushälften.
Fig.5:
Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss und mit intermittierenden Zyklen.
Figurenbeschreibung
Fig.1 Abso[phi]tionszyklus im Temperatur-Druck Diagramm für eine herkömmliche Abso[phi]tionskältemaschine und für eine mehrstufige Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss. Da in einem massstabgetreuen Temperatur-Druck Diagramm einer H2O-NH3 Lösung die Linien gleicher Konzentration als exponentielle Kurven dargestellt werden wurde zur einfacheren Darstellung eine Koordinatentransformation angewendet, die diese Kurven zu parallelen Geraden transformiert. Dabei zeigt die Abszisse die Werte von -1/T (T in [deg.]K) und die Ordinate die Werte für logP (P in absoluten bar).
Für die leichtere Lesbarkeit dieses Diagramms wurden auf der rechten Seite die realen Druckwerte in bar und oben die realen Temperaturwerte in [deg.]C hinzugefügt. Die Drucklinie für reinen Ammoniak (NH3) ist stark ausgezogen dargestellt. Die Drucklinien für den Zyklus der Ammoniak- Wasser-Lösung (NH3-H2O) sind dünn ausgezogen dargestellt. Strichlierte Linien sind Ordinaten zum leichteren Vergleich von Temperaturen und Drücken.
Fig.la zeigt den in der Einleitung beschriebenen herkömmlichen Abso[phi]tionszyklus. Schritt 1, die Abso[phi]tion, erfolgt zwischen den Punkten Pia und P2a, Schritt 2, die Erwärmung bei konstanter Konzentration erfolgt zwischen den Punkten P2a und P3a, Schritt 3, die Austreibung erfolgt zwischen den Punkten P3a und P4a, Schritt 4, die Abkühlung bei konstanter Konzentration erfolgt zwischen den Punkten P4a und Pia.
Da dieser Zyklus die Form eines Parallelogramms hat, ist klar zu erkennen, dass eine Wärmerückführung von der Abso[phi]tion zur Austreibung, die nur im Überlappungsbereich der Temperaturintervalle von Pla-P2a und P3a-P4a möglich ist nur bei sehr hohen Heiztemperaturen geschehen könnte. In dem vorliegenden Konkreten Beispiel, das sich auf eine Niedertemperaturbeheizung bezieht, kann keine Rückgewinnung der Wärme erfolgen.
Fig.lb zeigt den Zyklus für eine erfindungsgemässe zweistufige Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss.
Durch die Aufspaltung des Zyklusparallelogramms von Fig.la in Unterzyklen ergibt sich nicht nur eine Reduktion des Drucks pro Stufe sondern auch die Temperaturbeziehungen verändern sich vorteilhaft: Der Überlappungsbereich P3b-Plb der Temperaturintervalle von Plb-P2b und P3b-P4b ist sogar grösser als das Temperaturintervall von Plb-P4b, was bedeutet, dass in diesem konkreten Beispiel mehr als die Hälfte der Abso[phi]tionswärme dem Austreibungsprozess zugeführt werden könnte. Da für 3 oder mehr Stufen die Zyklusparallelogramme noch flacher werden, ergibt sich für jene Fälle sogar eine noch bedeutend grössere Wärmerückführungsmöglichkeit.
Allerdings werden dabei auch die Maschinen grösser und schwerer.
Fig.2 zeigt das Schema einer erfindungsgemässen zweistufigen Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss und mit intermittierenden Zyklen, und zum besseren Verständnis der Funktion die Darstellung der beiden Zyklushälften in getrennten Figuren. Ausgezogene dünne Linien beziehen sich dabei auf Kältemittel-Dampfleitungen, ausgezogene mittelstarke Linien auf Leitungen für Kältemittel-Lösung, ausgezogene sehr starke Linien auf Wärmetauscher und Gefässe und punktierte Linien auf Leitungen von Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, Wasser mit Frostschutz oder gegebenenfalls auch Luft.
Dabei bedeuten
1 Verdampfer
2 Kondensator
3 Drossel
4- 6 Absperrmittel, vorteilhafterweise Rückschlagventile
7a gemeinsamer Wärmetauscher für Abso[phi]tion und Austreibung der 1.Stufe
7b gemeinsamer Wärmetauscher für Abso[phi]tion und Austreibung der 2. Stufe
8a Pumpefäss der 1. Stufe
8b Pumpefäss der 2.Stufe
9a Gasabscheider der 1. Stufe
9b Gasabscheider der 2. Stufe
10a Leitung, die Kältemitteldampf beim Abso[phi]tionsvorgang der Lösung an mehreren
Punkten entlang ihres Weges durch den Abso[phi]tionswärmetauscher zugeführt der 1. Stufe
10b Leitung, die Kältemitteldampf beim Abso[phi]tionsvorgang der Lösung an mehreren
Punkten entlang ihres Weges durch den Abso[phi]tionswärmetauscher zugeführt der 2. Stufe
11a Drossel für Kältemittel-Lösung der 1. Stufe für ihre Druckabsenkung bei konstanter
Konzentration
1 lb Drossel für Kältemittel-Lösung der 2.
Stufe für ihre Druckabsenkung bei konstanter
Konzentration
12a Absperrmittel, vorteilhafterweise Rückschlagventil der 1. Stufe, welches beim
Austreibvorgang Lösung und Dampf in den Gasabscheider gelangen lässt, aber die Lösung beim Abso[phi]tionsvorgang zwingt, den zur Druckverringerung notwendigen Weg durch die
Drossel 1 la zu nehmen.
12b Absperrmittel, vorteilhafterweise Rückschlagventil der 2. Stufe
THl Heiztemperatur, Vorlauf der von der Wärmequelle kommt
TH2 Temperatur des Heizungsrücklaufs, der zur Wärmequelle geht.
TR1 Rückkühltemperatur, Vorlauf der vom Rückkühler kommt
TR2 Temperatur des Rückkühlungsrücklaufs der zum Rückkühler geht
TK1 Kühltemperatur, Vorlauf der vom zu kühlenden Objekt kommt
TK2 Temperatur des Kühlrücklaufs, der zum zu kühlenden Objekt geht
Fig.2 a zeigt den ersten Teil eines Zyklus.
Die erste Stufe befindet sich auf dem Druckniveau des Verdampfers. Es wird Kältemitteldampf, der vom Verdampfer 1 kommt über die mit Poren oder Einspritzdüsen versehene Leitung 10a der Primärseite des Wärmetauschers 7a zugeführt, durch welche die von der Drossel 1 la kommende schwache Kältemittellösung zum Pumpgefass fliesst. Die dabei entstehende Wärme erwärmt das Wärmeträgermedium, welches im Gegenstrom zur Kältemittel-Lösung fliesst von der Temperatur TR1 auf TH2. Die zweite Stufe befindet sich auf dem Druckniveau des Kondensators. Das Ventil 5 verhindert ein Übertreten von Dampf von der zweiten Stufe zur ersten. In der zweiten Stufe wird Lösung aus dem Pumpgefäss 8b durch die Primärseite des Wärmetauschers 7b und das Rückschlagventil
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12b in den Gasabscheider 9b gedrückt und es entsteht ein Gemisch aus Lösung und Kältemitteldampf.
Die dabei verbrauchte Wärme kühlt das Wärmeträgermedium, welches im Gegenstrom zur Kältemittel-Lösung fliesst von der Temperatur THl auf TR2. Der im Gasabscheider 9b abgetrennte Dampf geht durch das Ventil 6 zum Kondensator.
Fig.2b zeigt den zweiten Teil eines Zyklus. Die Wärmeträgermedien in den beiden Stufen haben nun ihre Flussrichtung geändert. Dadurch wird nun das Pumpgefäss 8a wärmer als in der ersten Zyklushälfte, 8b wird dagegen kälter. Da sich in den Pumpgefässen immer Lösung und eine Gasblase befinden, bedeutet Erwärmung eine Vergrösserung der Gasblase oder eine Erhöhung des Drucks, da Dampf aus der Lösung freigesetzt wird. Umgekehrt bedeutet Abkühlung eine Verkleinerung der Gasblase oder eine Verringerung des Drucks, da Dampf in der Lösung kondensiert.
Damit ändert sich mit der Flussrichtung des Wärmeträgermediums auch die Flussrichtung der Kältemittel Lösung. Die erste Stufe befindet sich nun auf dem mittleren Druckniveau zwischen Verdampfer und Kondensator. Das Ventil 4 verhindert ein Übertreten von Dampf von der ersten Stufe zum Verdampfer. In der ersten Stufe wird Lösung aus dem Pumpgefäss 8a durch die Primärseite des Wärmetauschers 7a und das Rückschlagventil 12a in den Gasabscheider 9a gedrückt und es entsteht ein Gemisch aus Lösung und Kältemitteldampf. Die dabei verbrauchte Wärme kühlt das Wärmeträgermedium, welches im Gegenstrom zur Kältemittel-Lösung fliesst von der Temperatur THl auf TR2. Der im Gasabscheider 9a abgetrennte Dampf geht durch das Ventil 5 zur zweiten Stufe. Die zweite Stufe befindet sich auf dem gleichen Druckniveau wie die erste Stufe.
Es wird Kältemitteldampf, der von der ersten Stufe kommt über die mit Poren oder Einspritzdüsen versehene Leitung 10b der Primärseite des Wärmetauschers 7b zugeführt, durch welche die von der Drossel 11b kommende schwache Kältemittellösung zum Pumpgefäss fliesst. Die dabei entstehende Wärme erwärmt das Wärmeträgermedium, welches im Gegenstrom zur Kältemittel-Lösung fliesst von der Temperatur TR1 auf TH2. Ventil 6 verhindert ein Rückfliessen von Dampfaus dem Kondensator zur zweiten Stufe.
Werden mehr als zwei Stufen verwendet, so befindet sich immer der Reihe nach abwechselnd eine Stufe im Abso[phi]tionsmodus und die darauffolgende im Austreibmodus.
Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer zweistufigen Abso[phi]tionskältemaschine mit durchgehendem Kältemittelfluss und mit intermittierenden Zyklen.
Dabei sind Verdampfer 1 und Kondensator und auch die Wärmetauscher 7a und 7b als Röhrenwärmetauscher ausgeführt und im Schnitt gezeichnet. Selbstverständlich könnte das gleiche Prinzip auch mit Plattenwärmetauschern realisiert werden. Wegen der möglichen Komplikationen bei der Installation des abwechselnd hin und her fliessenden Wärmeträgermediums ist dieses hier auch voll beschrieben. Zusätzlich zu den schon bei den vorherigen Figuren beschriebenen Ziffern und Buchstabenkennzeichen bedeuten:
13a Reservegefäss für starke Lösung der 1. Stufe in dem sich zusätzlich eine Dampfblase befindet
13b Reservegefäss für starke Lösung der 2. Stufe in dem sich zusätzlich eine Dampfblase befindet
14a Rohrkanal der 1. Stufe, in dem sich die Lösung bewegt.
14b Rohrkanal der 2. Stufe, in dem sich die Lösung bewegt.
15a Dampfrohr und Rektifikator der 1.
Stufe
15b Dampfrohr und Rektifikator der 2. Stufe
16/1 und 16/2 Pumpen des Wärmeträgermediums, wobei während des ersten Halbzyklus
(Fig.2a) nur die Pumpe 16/1 läuft aber die zweite Pumpe den Fluss nicht sperrt (z.B.
Zentrifugalpumpe) und während des zweiten Halbzyklus (Fig.2b) nur die Pumpe 16/2 läuft aber die erste Pumpe den Fluss nicht sperrt (z.B. Zentrifugalpumpe).
17a Drossel zur Rückführung von Kondensat der Rektifikation der 1. Stufe
17b Drossel zur Rückführung von Kondensat der Rektifikation der 2. Stufe
18 Rückkühler, z.B. ein Kühlturm, ein Gebläse oder Ähnliches.
19/1, 19/2, 19/3, 19/4 Rückschlagventile, die gewährleisten sollen, dass das
Wärmeträgermedium immer in der gleichen Richtung durch den Kühler 18 fliesst.
20 Heizung, z.B.
Sonnekollektor oder Wärmeübernahmestation eines Fernwärmesystems
21/1, 21/2, 21/3, 21/4 Rückschlagventile, die gewährleisten sollen, dass das
Wärmeträgermedium immer in der gleichen Richtung durch die Heizung 20 fliesst.
22a Wärmeträgermantel der 1. Stufe
22b Wärmeträgermantel der 2. Stufe
Fig.3 zeigt insbesondere die erfindungsgemässe Rektifikation des Kühlmitteldampfs im Rohr 15 welches der Länge nach durch den Wärmetauscher 7 geführt wird und dabei seine Rektifikationswärme an den Austreibeprozess abgibt. Das dabei gebildete Kondensat läuft durch eine Kapillare zurück in das Lösungsreservegefäss 13.
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