AT506356A1

AT506356A1 - Absorptionskältemaschine

Info

Publication number: AT506356A1
Application number: AT0019608A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Dr Kunze
Original assignee: Solarfrost Forschung Und Entwi
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-08-15
Also published as: AT506356B1

Description


  Absorptionskältemaschine 

  
Beschreibung 

  
Absorptionskältemaschinen sind in der Lage Wärmeenergie zur Erzeugung von Kälte zu nützen. Der weitaus grösste Teil aller Kältemaschinen weltweit in Form von Kompressorkältemaschinen wird jedoch mit elektrischem Strom oder mit mechanischer Energie betrieben. In Zeiten der Energieverknappung und Verteuerung und der Suche nach Alternativen wächst das Interesse an Maschinen, die mit wieder gewonnener Energie oder Sonnenenergie betrieben werden können, insbesondere also durch Wärme. Absorptionskältemaschinen bieten sich damit als logische Kühltechnik der Zukunft an. 

  
Absorptionskältemaschinen bestehen aus Generator, Kondensator, Dmckmmderungsstufe, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, wobei im Generator so genannte starke Kältemittellösung (= hochkonzentrierte) erhitzt und dabei unter Bildung von schwacher Kältemittellösung Kältemitteldampf frei gesetzt wird, welche im Kondensator exotherm verflüssigt, dann über eine TJruckminderungsstufe in den Verdampfer gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen wird, während der entstehende Kältemitteldampf zum Absorber geführt wird, wo er sich exotherm mit der vom Generator über eine Druckminderungsstufe kommenden schwachen Kältemittellösung vereint. Die dabei entstehende starke Kältemittellösung wird durch eine Lösungsumwälzpumpe mit erhöhtem Druck erneut zum Generator befördert. 

  
Wegen der exothermen Prozesse im Kondensator und im Absorber müssen diese rückgekühlt werden, in der Regel bei einer Temperatur, die sich nicht sehr von der Umgebungstemperatur der Kältemaschine unterscheidet. Aus thermodynamischen Berechnungen und aus experimentellen Messungen ergibt sich, dass sowohl eine hohe Generatortemperatur als auch eine niedrige Rückkühltemperatur vorteilhaft sind, wenn man niedrige Kühltemperaturen und eine gute Wärmezahl, das ist der Quotient aus aufgewendeter Leistung pro erzielter Kühlleistung, erreichen will. Alternative Wärmequellen wie Abwärme und thermische Solarenergie aus Flachkollektoren haben aber in der Regel kaum über 100[deg.]C.

   Herkömmliche Absorptionskältemaschinen können bei einer so niedrigen Heiztemperatur nur bei sehr niedrigen Rückkühltemperaturen, erzielbar z.B. durch nasse Kühltürme, arbeiten, was aber gerade in heissem Klima nur bei sehr trockener Luft zum Ziel führt. 

  
Auch wenn es gelingt, die niedrige Kühltemperatur zu erreichen, um mit Niedertemperaturheizung zu kühlen, so ist die erreichbare Wärmezahl (0,3 - 0,7 je nach der Kühltemperatur) bescheiden. Man hat daher versucht, durch Rückführung eines Teils der Absorptionsabwärme der Kältemaschine die Wärmezahl zu erhöhen. So wird in der österr. Patentanmeldung AI 744/2006 eine Absorptionskältemaschine mit 2 hintereinander geschalteten Absorbern beschrieben, dabei ist der eine Absorber kalt und der andere warm. Die heisse, vom Generator über eine Druckminderungsstufe kommende schwache Lösung nimmt zuerst im warmen Absorber einen Teil des Kältemitteldampfs bis zu einer mittleren Lösungsstärke auf und gibt dabei die Absorptionswärme an das durch den Heizprozess im Generator abgekühlte Heizmedium ab, das dadurch wieder wärmer wird, bevor es die Maschine verlässt.

   Erst in einem zweiten Schritt gelangt die mittelstarke Lösung in den vom Rückkühlmedium gekühlten kalten Absorber, wo sie den Rest des Kältemitteldampfs aufnimmt. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass es nur funktioniert, wenn der Generatordruck und der Verdampferdruck nicht weit auseinander liegen, daraus folgt, dass  Rückkühltemperatur und Kühltemperatur nicht weit auseinander liegen dürfen. Je weiter die beiden Drücke auseinander liegen, umso weiter verschieben sich auch die Temperaturintervalle, bei denen einerseits im Generator eine Verdampfung und andererseits im Absorber eine Absorption stattfinden kann. Sobald sich diese beiden Temperaturintervalle gar nicht mehr überlappen, ist auch keine Wärmerückführung mehr möglich. 

  
In einer andern Erfindung (österr.Pat. 407085) wird versucht, den thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses zu verändern, um die Heiztemperatur des Generators zu senken, ohne dafür eine niedrigere Rückkühltemperatur zu verlangen. Dabei handelt es sich allerdings um eine Diffusionskältemaschine, also eine Absorptionskältemaschine, die zusätzlich zum Kältemittel und zum Lösungsmittel mit einem Inertgas gefüllt ist, sodass in der ganzen Maschine der gleiche Druck herrscht.

   Dadurch braucht man zwar nur eine viel einfachere Lösungsumwälzpumpe (weil nur die Schwerkraft zu überwinden ist) und die Druckabsenkungsstufen fallen auch weg, dafür verlangt aber das Inertgas, das nur durch Schwerkraft bewegt wird, sehr grosse Rohrdurchmesser und wegen des hohen Systemdrucks dicke und schwere Rohrwände, so dass die Maschinen sehr gross und sehr schwer werden, weshalb sie sich am Markt nicht durchsetzen konnten. 

  
Erstes Ziel der Erfindung ist es, eine Änderung des thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses anzugeben, die es erlaubt auch bei Absorptionskältemaschinen ohne Inertgas die Heiztemperatur des Generators zu senken, ohne dafür eine niedrigere Rückkühltemperatur zu verlangen. 

  
Zweites Ziel der Erfindung ist es, eine Form der Absorptionswärmerückgewinnung anzugeben, die auch bei relativ hohen Rückkühltemperaturen in Kombination mit tiefen Kühltemperaturen funktioniert. 

  
Erfindungsgemäss wird das Ziel einer Änderung des thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses, die es erlaubt auch bei Absorptionskältemaschinen ohne Inertgas die Heiztemperatur des Generators zu senken, ohne dafür eine niedrigere Rücl ühltemperatur zu verlangen, erreicht, indem man bei einer Absorptionskältemaschine, mit Generator, Kondensator, 2 Druckminderungsstufen, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, die üblicherweise nur 2 Druckniveaus hat, nämlich den Generatordruck und den Absorberdruck (wobei in dieser Betrachtungsweise der Verdampferdruck und der Absorberdruck als nahezu gleich angenommen werden), ein erfindungsgemässes dazwischen liegendes drittes Druckniveau einführt, Bypassdruck genannt, und zu den üblicherweise relevanten 2 Lösungskonzentrationen, nämlich schwach und stark, zwei weitere Konzentrationen,

   nämlich extra-schwach und extra-stark hinzunimmt, was durch eine erfindungsgemässe zusätzliche Drackminderungs- und eine Pumpstufe, sowie je einen erfindungsgemässen Gasabscheider, ein Bypassrohr, einen Bypass-Generator und einen Bypass- Absorber, wobei die beiden letzten Bypasselemente durch entsprechend dimensionierte Wärmetauscher dargestellt sind, erreicht wird, wobei die den Generator verlassende heisse schwache Lösung über eine erste Dmckmmderungsstufe in einen so genannten Bypass-Generator bei gleicher Temperatur aber Bypassdruck gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf die heisse Lösung auf extra-schwaches Niveau bringt, wobei diese Lösung über eine weitere erfindungsgemässe D[pi]ickminderungsstufe in den Absorber fliesst,

   während der im BypassGenerator entstandene Kältemitteldampf durch ein Bypassrohr in einen so genannten BypassAbsorber geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung fliesst, welche vom   < 

  
Absorber kommend durch eine erfindungsgemässe Hilfspumpe vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist, wodurch im Bypass-Absorber aus starker Lösung und Lösungsmitteldampf eine extra-starke Lösung entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe auf Generatordruck gebracht und zum Generator befördert wird, wo aus dieser extra-starken Lösung Kältemitteldampf frei gesetzt wird, welcher im Kondensator verflüssigt, dann über eine Dmckminderungsstufe in den Verdampfer gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess der zu kühlenden Umgebung Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf zum Absorber geführt wird, wo er sich mit der extra-schwachen Lösung vereint, wodurch wieder starke Lösung entsteht. 

  
Das zweites Ziel, eine Form der Absorptionswärmerückgewinnung anzugeben, die auch bei relativ hohen Rückkühltemperaturen in Kombination mit tiefen Kühltemperaturen funktioniert, wird dadurch erreicht, dass man zwar wie in der österr. Patentanmeldung AI 744/2006 einen kalten und einen warmen Absorber verwendet, dass aber in den warmen Absorber nicht die durch die grosse Druckabsenkungsstufe abgekühlte vom Generator kommende schwache Lösung einfliesst, sondern dadurch, dass erfindungsgemäss in den warmen Absorber die heisse vom Bypassgenerator kommende extra-schwache Lösung fliesst, welche vom Bypassdruck zum Absorberdruck nur eine sehr kleine r^ruckabsenkungsstufe passiert hat und damit nur wenig Temperatur verloren hat und die andererseits wegen ihrer niedrigen Kältemittelkonzentration eine sehr hohe Absorptionstemperatur erreichen kann. 

  
Dadurch, dass bei der erfindungsgemässen Absorptionskältemaschine die den Generator verlassende heisse schwache Lösung über eine Drackmmderungsstufe in einen so genannten Bypass-Generator bei gleicher Temperatur aber niedrigerem Druck, dem so genannten Bypassdruck, gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, kann zusätzliches Kältemittel verdampfen.

   Auch wenn dieser hier verdampfte Teil des Kältemittels nicht über den Kondensator und den Verdampfer am eigentlichen Kühlprozess teilnimmt, sondern, nach Art eines ,3ypass" an Kondensator, Verdampfer und Absorber aussen vorbeigeht, erhöht er trotzdem die Fähigkeit der Maschine bei niedriger Heiztemperatur zu kühlen: einerseits hat die extra-schwache Lösung, die in den Absorber eintritt selbst bei einer relativ hohen Rückkühltemperatur einen sehr niedrigen Dampfdruck, womit der Verdampfungsdruck im Verdampfer und damit die Kühltemperatur der Maschine sinken. Andererseits wird im Bypass-Absorber bei Bypassdruck, der höher ist, als der Verdampfer- und der Absorberdruck, eine L[delta]sungskonzentration erreicht, die höher ist, als es ohne Bypass möglich wäre und diese extra-starke Lösung siedet im Generator schon bei niedrigerer Heiztemperatur.

   Zusätzlich zeigen Berechnung und experimentelle Messungen, dass durch den "Bypass" die Wärmezahl von Absorptionskältemaschinen deutlich verbessert werden kann. 

  
Dadurch, dass in den warmen Absorber nicht wie bei herkömmlichen Absorptionskältemaschinen die durch die einzige grosse Druckabsenkungsstufe abgekühlte vom Generator kommende schwache Lösung einfliesst, sondern dass erfindungsgemäss in den warmen Absorber die heisse vom Bypassgenerator kommende extra-schwache Lösung fliesst, welche vom Bypassdruck zum Absorberdruck nur eine sehr kleine Druckabsenkungsstufe passiert hat und damit nur wenig Temperatur verloren hat und die andererseits wegen ihrer niedrigen Kältemittelkonzentration eine sehr hohe Absorptionstemperatur erreichen kann, ist es möglich bei vorsichtiger Dosierung des Heizmediumsflusses dieses Heizmedium im Generator auf eine Temperatur knapp über der Rückkühltemperatur zu bringen und anschliessend dieses gekühlte Heizmittel im warmen Absorber wieder auf eine hohe Temperatur zu bringen.

   Typische Erfahrungswerte für eine erfindungsgemässe Absorptionskältemaschine für die Heizmediumstemperaturen sind:  Generatoreingang: T=80[deg.]C Generatorausgang: T=40[deg.]C Ausgang warmer Absorber: T=65[deg.]C 

  
Beschreibung der Figuren: 

  
Fig.l zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemässen Absorptionskältemaschine. Dabei umschliesst das dünn punktierte Rechteck die erfindungsgemässen neuen Teile des ersten Anspruchs. Würde man alle Teile in diesem Rechteck entfernen und vom Punkt 1 nach 1 ' und vom Punkt 2 nach 2' je eine Rohrverbindung legen, so erhielte man eine herkömmliche Absorptionskältemaschine. 

  
Die Buchstaben bedeuten: 

  
AI ...warmer Absorber 

  
A2... kalter Absorber 

  
B... Bypassrohr 

  
BA...Bypass-Absorber 

  
BG... Bypass-Generator 

  
DM1, DM2, DM3...Druckminderungsstufen 

  
F...Medium zum Abtransport der erzeugten Kälte 

  
G... Generator 

  
GA1 , GA2...Gasabscheider 

  
H...Heizmedium 

  
K...Kondensator 

  
PI ... Hilfspumpe 

  
P2... Hauptumwälzpumpe 

  
RK...Rückkühlmedium 

  
V... Verdampfer 

  
In den markierten Punkten herrschen genähert die folgenden Systemzustände: 

  
Punkt Aggregatzustand Lösungskonzentration Druck Temperatur 

  
1 Lösung schwach Bypassdruck Heizung 

  
1' Lösung extra-schwach Absorberdruck Heizung 

  
2 Lösung stark Absorberdruck Rückkühlung 

  
2' Lösung extra-stark Bypassdruck Rückkühlung 

  
3 Kältemitteldampf 100% Generatordruck Heizung 

  
4 Kältemittel flüssig 100% Absorberdruck Kühlung 

  
5 Kältemitteldampf 100% Absorberdruck Kühlung 

  
6 Kältemitteldampf 100% Bypassdruck Heizung 

  
7 Lösung + Kältemitteldampf schwach + 100% Absorberdruck warmer Abs. 

  
8 Lösung extra-stark Generatordruck Rückkühlung 
 <EMI ID=4.1> 
 9 Lösung + Kältemitteldampf schwach + 100% Generatordruck Heizung 

  
Die den Generator G verlassende heisse schwache Lösung -9- gelangt über eine erste r^uckmmderungsstufe DM1 in einen so genannten Bypass-Generator BG bei gleicher Temperatur aber Bypassdruck, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von  zusätzlichem Kältemitteldampf -6- die heisse Lösung auf extra-schwache Konzentration bringt, wobei diese Lösung -1'- über eine erfindungsgemässe D ckminderungsstufe DM2 in den warmen Absorber AI fliesst, während der im Bypass-Generator BG entstandene Kältemitteldampf -6- durch ein Bypassrohr B in einen so genannten Bypass-Absorber BA geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung -2- fliesst, welche vom Absorber A2 kommend durch eine erfindungsgemässe Hilfspumpe PI vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist,

   wodurch im Bypass-Absorber BA aus starker Lösung -2- und Lösungsmitteldampf -6- eine extra-starke Lösung 2' entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe P2 auf Generatordruck gebracht und zum Generator G befördert wird, wo aus dieser extra-starken Lösung -8- Kältemitteldampf -3- frei gesetzt wird, welcher im Kondensator K verflüssigt, dann über eine Druckminderungsstufe DM3 in den Verdampfer V gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium F Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf -5- zum warmen Absorber AI geführt wird, wodurch zunächst warme schwache Lösung mit einem Anteil Kältemitteldampf entsteht, wobei diese Mischung -7- sich im anschliessenden kalten Absorber A2 zu kalter starker Lösung vereint.

Claims

Patentansprüche

1. Absorptionskältemaschine mit Generator, Kondensator, 2 rJruckminderungsstufen, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, die üblicherweise nur

2 Druckniveaus hat, nämlich den Generatordruck und den Absorptionsdruck, dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäss ein dazwischen liegendes drittes Druckniveau eingeführt wird, Bypassdruck genannt, und zu den üblicherweise relevanten 2 Lösungskonzentrationen, nämlich schwach und stark, zwei weitere Konzentrationen hinzu kommen, nämlich extra-schwach und extra-stark, was erfindungsgemäss durch eine zusätzliche Dmckminderungs- DM2 und eine Pumpstufe PI, sowie je einen erfindungsgemässen Gasabscheider GA2, ein Bypassrohr B, einen Bypass-Generator BG und einen Bypass-Absorber BA, wobei die beiden letzten Bypasselemente durch entsprechend dimensionierte Wärmetauscher dargestellt sind, erreicht wird,

wobei die den Generator G verlassende heisse schwache Lösung -9- über eine erste D ckminderungsstufe DM1 in einen sogenannten Bypass-Generator BG bei gleicher Temperatur aber Bypassdruck gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf -6- die heisse Lösung auf extraschwache Konzentration bringt, wobei diese Lösung -1 '- über eine erfindungsgemässe Dmckminderungsstufe DM2 in den Absorber A fliesst, während der im BypassGenerator BG entstandene Kältemitteldampf -6- durch ein Bypassrohr B in einen so genannten Bypass-Absorber BA geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung -2- fliesst, welche vom Absorber kommend durch eine erfindungsgemässe Hilfspumpe PI vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist,

wodurch im Bypass-Absorber BA aus starker Lösung -2- und Lösungsmitteldampf -6- eine extra-starke Lösung 2' entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe P2 auf Generatordruck gebracht und zum Generator G befördert wird, wo aus dieser extra-starken Lösung -8- Kältemitteldampf -3- frei gesetzt wird, welcher im Kondensator K verflüssigt, dann über eine Druckminderungsstufe DM3 in den Verdampfer V gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium F Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf -5- zum Absorber A geführt wird, wo er sich mit der extraschwachen Lösung vereint 1', wodurch wieder starke Lösung entsteht.

Absorptionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber in einen kalten und einen warmen Absorber geteilt ist, wobei im warmen Absorber AI die heisse vom Bypassgenerator BG über eine Druckabsenkungsstufe DA2 kommende extra-schwache Lösung 1 ' einen Teil des vom Verdampfer V kommenden Kältemitteldampfs -5- absorbiert und die dabei frei werdende Wärme an das durch den Heizprozess im Generator G abgekühlte Heizmedium H abgibt, während das im warmen Absorber AI entstehende Gemisch -7- aus schwacher Lösung und dem verbleibenden nicht absorbierten Kältemitteldampf in einen kalten Absorber A2 geführt werden, der mit dem Rückkühlmedium RK beaufschlagt wird, wodurch der Absorptionsprozess zu Ende geführt wird. Patentanspruch:

Absorptionskältemaschine mit Generator, Kondensator, 2 rJruckmmderungsstufen, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, die üblicherweise nur 2 Druckniveaus hat, nämlch den Generatordruck und den Absorptionsdruck, dadurch gekennzeichnet, dass erfindungsgemäss ein dazwischen hegendes drittes Druckniveau eingeführt wird, Bypassdruck genannt, und zu den üblicherweise relevanten 2 L[delta]sungskonzentrationen, nämlch schwach und stark, zwei weitere Konzentrationen hinzu kommen, nämlich extra schwach und extra-stark, was erfindungsgemäss durch eine zusätzliche DruckminderungsS 5 <Und [beta]me Pum>P<stufe> tf*<1>) sowie je einen erfindungsgemässen Gasabscheider (GA2), em Bypassrohr (B), einen Bypass-Generator (BG) und einen Bypass-Absorber (BA) errecht wird, wobei die den Generator (G) verlassende heisse schwache Lösung (9)

über ene erste Druckminderungsstufe (DA1) in einen so genannten Bypass-Generator (BG) be gleicher Temperatur aber Bypassdruck gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wrd, de unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf (6) die heisse Lösung auf extra-schwache Konzentration bringt, wobei diese Lösung (1') über eine erfindungsgemässe Drackmmderungsstufe (DA2) in den Absorber fliesst, der einen warmen (AI) und einen kalten Absorber (A2) geteüt ist, wobei im warmen Absorber (AI) de hesse, vom Bypassgenerator (BG) über eine Druckabsenkungsstufe (DA2) kommende extra-schwache Lösung (1') einen Teil des vom Verdampfer (V) kommenden Kältemtteldampfs (5) absorbiert und die dabei frei werdende Wärme an das durch den Hezprozess m Generator (G) abgekühlte Heizmedium (H) abgibt, während das im warmen Absorber (AI) entstehende Gemisch (7)

aus schwacher Lösung und dem verblebenden mcht absorbierten Kältemitteldampf in einen kalten Absorber (A2) geführt werden, der mit dem Rückkühlmedium (RK) beaufschlagt wird, wodurch der Absorptonsprozess zu Ende geführt wird, während der im Bypass-Generator (BG) entstandene Kältemitteldampf (6) durch ein Bypassrohr B in einen so genannten BypassAbsorber (BA) geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung (2) fliesst, welche vom Absorber kommend durch eine erfindungsgemässe Hilfspumpe (PI) vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist, wodurch im Bypass-Absorber (BA) aus starker Lösung (2) und Lösungsmitteldampf (6) eine extra starke Lösung (2') entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe (P2) auf Generatordruck gebracht und zum Generator (G) befördert wird, wo aus dieser extrasta ken Lösung (8) Kältemitteldampf (3)

frei gesetzt wird, welcher im Kondensator (K) verflüssgt dann über eine r^ckminderungsstufe (DA3) in den Verdampfer (V) gelangt wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium (F) Wärme entzogen wrd während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf (5) zum Absorber (A) geführt wrd, wo er sich mit der extra-schwachen Lösung vereint (1 '), wodurch wieder s tark T[Lambda][beta]un T ontctoUt ' s st taarrkke L T[Lambda]ös[beta]uunngT e onnttsctteohUtt.

NACHGEBEICHT