Absorptionskältemasehine. Die Erfindung betrifft eine Absorptions- kältemaschine und besteht darin, dass die in zwei oder mehreren Stufen des Kochers aus getriebenen Kältemittelmengen in zwei oder mehreren Kondensatorstufen getrennt kon densiert werden und die freiwerdenden Kon- densationswärmemengen der obern Stufe oder Stufen zur Kältemittelaustreibung in der un tern oder den untern Stufen nutzbar gemacht sind, zum Zweck,
eine Verbesserung des ther mischen Wirkungsgrades der Maschine und damit eine Ersparnis an Heizung und Küh l ung zu erzielen.
Die hierbei verfolgten Prinzipien sind in den Fig. 1 bis 5 der Zeichnung schematisch und beispielsweise dargestellt.
In Fig. 1 ist das Temperaturentropiedia- gramm der Wärmebewegungen in einer idealen Kältemaschine dargestellt. Um mit Hilfe eines Kältemittels, das einen Kreislauf durchmacht, also periodisch zum gleichen Anfangszustand zurückkehrt, eine Wärme menge Q, vom Temperaturniveau T,. auf das Temperaturniveau T, zu fördern, ist not wendig, dass eine Wärmemenge Q4 vom Tem peraturniveau T4 auf das Temperaturniveau Z'3 heruntergeht.
Die Wärmemenge welche auf dem Temperaturniveau T, an das Kühlmittel abgeführt wird, ist grösser als die Wärmemenge Q,. Die Differenz zwischen beiden wird der Wärmemenge Q4 entnommen, und es gilt die Gleichung: Q4^Q3-Q2-Ql oder q4=Qa+(Qz-Q,). Die Wärmemenge Q4, welche auf dem Temperaturniveau T4 verbraucht werden muss, um eine Kälteleistung Q1 auf dem Temperaturniveau T,. zu erhalten, besteht so mit aus zwei Teilen:
erstens aus der Wärme menge Q3, die nach der Wärmebewegung von T4 nach T3 auf der untern Temperaturgrenze abgeführt wird, und zweitens aus der Diffe renz zwischen den beiden, der Hauptwärme bewegung zu- und abgeführten @Värme- mengen. Will man die Wirtschaftlichkeit der Maschine erhöhen, so sind demnach die bei den .Teile, aus denen die Wärmemenge Q4 sich zusammensetzt, auf ein Minimum zu re duzieren.
Die Kompressionsmaschinen haben in die ser Beziehung bereits eine hohe Entwick lungsstufe erreicht. Die Verhältnisse stehen dort rein thermisch wesentlich günstiger als bei den Absorptionsmaschinen. F ig. 1 ist ein Bild der Wärmebewegungen, wie sie sich in einer von einer Dampfmaschine angetriebe nen Kompressionsmaschine abspielen, wenn von kleinen Abweichungen gegenüber der idealen Wirkungsweise abgesehen wird. Die Wärmebewegung von T, nach T2 spielt sich in der Kompressionsmaschine ab, wobei die Wärme Q, hauptsächlich bei der Verflüssi gung des Kältemittels durch das Kühlwasser abgeführt wird.
Wesentlich günstig dabei ist, dass diese Verflüssigung bei konstanter Temperatur stattfinden kann, so dass die Temperatur T2 praktisch über die ganze Dia grammbreite eine und dieselbe sein kann und dass sie die Temperatur des verfügbaren Kühlwassers nicht mehr überragt, als aus thermischen Gründen notwendig ist. Die Wärmebewegung vom Temperaturniveau T, auf das Niveau T3 erfolgt in der Dampf maschine. Diese Wärmebewegung ist ganz unabhängig von den Vorgängen im Kompres sor. Es ist nur die Wärmemenge (Q@ Q,) von der Dampfmaschine auf den Kompressor zu transportieren, was bekanntlich in Form von mechanischer Energie erfolgt.
Bei solchen Kompressionsmaschinen herrscht in der Bestimmung der Wärmebewegung von T4 nach Ts ,grosse Freiheit. Zweckmässig wählt man hierfür die thermisch günstigsten Prozesse, das heisst solche, bei denen die Temperaturniveaux T4 und T; weit auseinan der liegen, bei denen also für eine bestimmte Differenz zwischen Q4 und Q3, sowohl Q4 als auch Qa möglichst gering ausfallen. In Fig. 1 ist dies durch die hohe und schmale Form des rechtsseitigen Diagrammes zum Ausdruck gebracht.
Bei der Absorptionsmaschine sind die Verhältnisse ganz anders, das heisst sie .sind thermisch wesentlich ungünstiger, einmal wegen der Eigentümlichkeit des Absorptions prozesses und dann wegen des engeren Zu sammenhanges der beiden Wärmebewegun gen. In Fig. 2 sind die Wärmebewegungen bei einer bisher üblichen Absorptionsma schine dargestellt.
Es ist dabei vollkommener Wärmeaustausch angenommen, also ein Aus tausch, der sich nicht auf die arme und reiche Lösung beschränkt, sondern bei dem auch das Kältemittel auf seinem Wege vom Kocher nach dem Kondensator, vom Kondensator nach dem Verdampfer und vom Verdampfer nach dem Absorber berücksichtigt wird, und bei dem die zirkulierenden Absorptions- und Kältemittelmengen vollständigem Tempera turwechsel unterworfen sind. Auch ist der thermische Einfluss der Druckänderungen, denen das Absorptions- und das Kältemittel unterworfen sind, wie auch der Einfluss des Mitverda.mpfens von Absorptionsmittel au sser Acht gelassen.
Die Diagramme sind somit auf die Vorgänge, welche von wesentlich thermischer Bedeutung sind, also auf das Verdampfen und Absorbieren bezw. Aus treiben und Kondensieren beschränkt. In die sen Diagrammen sind somit die Verbindungs linien zwischen den genannten Vorgängen vertikal gezeichnet. Dass die gemachten Vor aussetzungen in Wirklichkeit nicht ganz zu treffen, ändert am Sinne der hier folgenden Ausführungen nichts.
Man kann sieh denken, dass das Diagramm die Zustandsänderungen des Kältemittels angibt, wobei das Absorp tionsmittel, abgesehen von seiner Fähigkeit, d.a.s Kältemittel unier entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen zu absorbieren und auszutreiben, als thermisch indifferent angenommen wird.
Das Kältemittel durchläuft bei Absorp- t:ionsmaschinen einen 8-förmigen Doppelkreis prozess, der die beiden in Fig. 1 getrennt an gedeuteten Wärmebewegungen umfasst, und der sich in der Reihenfolge: Verdampfung (a <I>h),</I> Absorption (e d), Austreibung<I>(e f)</I> und Kondensation (rg k) abspielt.
Die Abfuhr der Wärmemenge Q2 erfolgt dabei nicht wie bei Kompressionsmaschinen, während der Kon densation des Kältemittels, sondern grössten teils während der Absorption. Bei dem in Fig. 2 abgebildeten Prozess wird die Wärme menge Qj, nicht ganz während der Absorption abgeführt, ein Teil bleibt nach Beendigung der Absorption im Kältemittel zurück (die Entropie ist in<I>d</I> grösser als in <I>a),</I> führt die obere Schleife des Kreislaufes mit aus und wird erst zusammen mit Wärmemenge Q3 bei der Kondensation des Kältemittels ausgestossen. Es findet also statt:
Zufuhr Q, auf dem Wege von<I>a</I> nach b, Abfuhr Q2 über c <I>d</I> und<I>d h, Zu-</I> fuhr Q4 über ef und Abfuhr Q3 über g <I>d.</I> Aus der Gleichung Q°=Qs+(QZ--Q,) folgt, dass die Fläche<I>d e f g d</I> gleichen Inhalt wie die Fläche a <I>b c d h a</I> hat. Es handelt sich auch hier um zwei thermische Effekte, deren Grö ssen .durch die betreffenden Flächen darge stellt sind und die einander neutralisieren.
Für die Wirtschaftlichkeit von Bedeu tung ist die Form der obern Schleife<I>d e f</I> g <I>d,</I> bei der es darauf ankommt,.ob sie breit und niedrig, oder schmal und hoch sei. Beeinflusst wird diese Form durch die Eigenschaften des betreffenden Kältemittels und das Verhalten desselben gegenüber dem Absorptionsmittel. Es. liegt auf der Hand zu erwarten, dass .die Temperaturdifferenz zwischen Austreiben und Kondensieren bezw. Absorbieren und Verdampfen bei konstanter Lösungskonzen tration (zum Beispiel die Distanzen f g bezw. <I>c b)</I> eine Funktion der absoluten Temperatur sei, die mit der absoluten Temperatur steigt und fällt.
Bei Absorptionsmaschinen, die als Kältemittel Ammoniak, als Absorptionsmit tel eine Lösung von Ammoniak in Wasser verwenden, steigt in der Tat die betreffende Temperaturdifferenz mit der absoluten Temperatur, was für die Wirtschaftlichkeit der Maschine günstig ist: die Höhendimen sionen der obern Schleife sind grösser und die Breitendimensionen entsprechend geringer als diejenigen der untern Schleife. Bei Ammo- niakabsorptionsmaschinen liegt Punkt g, wie dies auch in Fig. 2 gezeichnet ist, links vom Punkt b. Es ist nicht ausgeschlos sen, dass der Punkt d links statt rechts vom Punkt a liegt.
Aber auf jeden Fall ist die Distanz zwischen den Punkten<I>d</I> und<I>g</I> kleiner als zwischen a und b. In Fig. 3 sind die beiden Schleifen, welche sich auf je eine der zwei Wärmebewegungen beziehen, der Übersichtlichkeit halber und um den Ver gleich mit Fig. 1 zu erleichtern, getrennt dargestellt.
Der erste für die Wirtschaftlichkeit der Absorptionsmaschine ungünstige Faktor liegt darin, dass die Wärmeabfuhr Qz, wie bereits vermerkt, nicht bei der Kondensation, son dern im grossen und ganzen bei der Absorp tion des Kältemittels erfolgt. Im Gegensatz zu der Kondensation erfolgt die Absorption nicht bei konstanter Temperatur. Die aus dem Kocher kommende schwache Lösung fängt bei einer Temperatur zu absorbieren an, welche je nach dem Austreibungsgrad mehr oder weniger hoch über der Kühlwasser temperatur liegt. Erst bei fortschreitender Absorption kommt .die Absorptionstempera tur der Kühlwassertemperatur allmählich näher.
In Fig. 3 wird dieser Vorgang durch den schrägen Verlauf der Linie TZ', TZ an gedeutet. Es fällt also (Q2 Q,) grösser aus als bei Kompressionsmaschinen. Der zweite ungünstige Faktor liegt in der Art der zu sätzlichen Wärmebewegung von T4 nach T3. Diese ist von der Hauptwärmebewegung nichts weniger als unabhängig. Sie ist gerade das Umgekehrte davon, nur spielt sie sich in etwas höheren Temperaturgrenzen ab und hat, abgesehen von den bereits erwähnten Ab weichungen, die gleichen thermischen Cha rakteristiken wie diese.
Ein Vergleich mit Fig. 1 lässt die thermisch ungünstige Form des rechten Diagrammes in Fig. 3 erkennen. Bekanntlich kann der Wirkungsgrad der Absorptionsmaschine dadurch verbessert wer den, dass die Wärme Q4 zum Teil der Wärme Q2 entnommen wird. Dazu ist nötig, dass die Temperatur TZ höher als die Temperatur T4 ist. In Fig. 4 ist dieses Verfahren schematisch dargestellt. Man lässt ein kleine Lösungs menge, die im Kocher stark entgast wird, zirkulieren, wobei also die Absorption unter entsprechend hoher Temperatur anfangen kann.
Die Wärme, die zwischen T2 und T2' im Hauptprozess abgeführt wird, kann in den Nebenprozess zwischen T,"' und T, wieder eingeführt werden, das heisst<B>'</B> die Wärme, welche am Anfang der Absorption frei wird, wird benützt für die erste Entgasung im Ko cher.
Thermisch bedeutet das, dass die Wärme menge, welche von<I>i</I> 7e bis T2", T2' in die Höhe geführt wird, über T4, T," wieder auf 1 m, das in der Höhe mit n o übereinstimmt, zurückfällt. Die beiden schraffierten Flächen heben einander also auf und man kann sich die thermischen Prozesse durch die unschraf- fierten Flächen dargestellt denken.
Ein Vergleich mit Fig. 3 lässt erkennen, class der rechte Teil eine thermisch viel gün stigere Form erhalten hat. Die Grundlinie ist zusammengeschrumpft und die Grösse n; ist verringert. Für die Ausführung dieses Priuzipes sind jedoch gewisse Grenzen ge stellt. Die Linien T2, <I>T.,'</I> und T, T', kön nen einander nur über einen relativ kleinen Teil überdecken.
Mit T,' darf man, je nach dein Kondensatordruck, gewisse Grenzen nicht überschreiten, weil sonst mit dem Kältemittel zu grosse Mengen des Absorp tionsmittels ausgetrieben werden. Aus dem linken Teil der Fig. 4 geht hervor, dass selbst nach Wegfall des schraffierten Teils Q2-n, grösser bleibt, als bei den Kompressionsma schinen, unter Umständen sogar grösser bleibt, als bei gewöhnlichen Absorptionsmaschinen, die ohne Rückgewinnung von Absorptions wärme arbeiten.
Tatsächlich ist ein hohes An steigen der Temperaturlinie T2, T2' nicht nur an und für sich thermisch unrichtig, sondern es wird damit auch die Gefahr des Austrei- bens von Absorptionsmittel gefördert, die den Verdampfungsprozess schädlich beeinflussen kann.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Verbesserung des Wirkungsgrades bezweckt, die entweder in Verbindung mit der vorer wähnten Verbesserung, oder auch unab hängig davon angewendet werden kann und sich nur auf die Wärmebewegungen im Nebenprozess bezieht, den Hauptprozess da gegen unberührt lässt.
Der Grund der Un wirtschaftlichkeit des Absorptionsprozesses liegt, wie bereits erwähnt, hauptsächlich dar in, dass die Kondensation des Kältemittel, das im Verdampfer wieder verdampfen muss, die Basis ist für den Nebenprozess. Bei den bekannten Absorptionsmaschinen erfolgt die Kondensation bei einer in der Nähe der Küh lungstemperatur gelegenen Temperatur. Alle Kondensationswä.rine wird dabei als wert lose Abwärme fortgeschafft.
Eine wesent liche thermische Verbesserung kann nun da durch erzielt werden, dass die Kondensation des Kältemittels in zwei oder mehrere von einander getrennte Prozesse zerlegt wird, die bei entsprechend gegeneinander abgestuften Temperaturniveauz verlaufen, das Ganze derart, da.ss die bei dem bezw. den höheren emperaturniveaul frei werdende Konden sationswärme zii wertvoll ist, um als nutz lose A.bwli.rme abgeführt zu werden,
viel mehr der betreffende Kondensator als nutz bare Wärmequelle für das Austreiben ver wendet werden kann.
Dass der Nebenprozess einer Kältemaschine nicht per se an das Temperaturniveau des Kühlwassers gebunden ist, ist. an und für sich bekannt. Wird zum Beispiel eine Noin- pressionskältemaschine von einer Verbren nungskraftmaschine angetrieben, so spielt sich der Nebenprozess bei bedeutend höheren Temperaturen als in Fig. 1. angedeutet ab.
Bei der vorliegenden Erfindung bleibt aber ein Teil des Nebenprozesses eng an das Kühlwassertemperaturniveau angeschlossen, während nur die übrigen Teile sich davon entfernen.
In Fig. 5 wird vom rechten Teil der I'ig. 1 ausgehend die Kondensation des Kält-einit- tels in zwei Temperaturstufen beispielsweise: veranschaulicht. Eine Erhöhung der Kon densationstemperatur ist ohne weiteres da durch möglich, dass anstatt Kühlwasser fair die Wärmeabfuhr ein anderes Kühlmittel von entsprechend höherer Temperatur gewählt wird.
Mit der Erhöhung der Kondensations temperatur steigt der Kondensationsdruclz. Man denkt sich die Diagrainmfläche T.,", 1'; <I>q p</I> durch die Linie T4"'r in zwei Streifen von ungefähr gleicher Breite geteilt. Für den rechten Streifen ist es möglich, die Konden sationstemperatur zu erhöhen, bis zu oder über die Temperatur T,"'. Die mit der Tem peraturerhöhung zusammenhängende Druck erhöhung bedingt aber in erster Linie für den rechten Streifen eine Kocherstufe, deren Arbeitsdruck gegenüber demjenigen der nor malen Kocherstufe für den linken Streifen entsprechend erhöht ist.
Die gewünschte Temperaturerhöhung für den rechten Strei fen wird nun dadurch erreicht, dass an Stelle des Kühlmittels der Normalkocherstufe für die Wärmeabfuhr aus der Hochdruckkonden- satorstufe verwendet wird. Zur Veranschau lichung des hierdurch erreichten thermischen Effektes kann man sich den rechten Dia grammstreifen oberhalb in der Verlängerung des linken Streifens und an diesen anschlie ssend verschoben denken. (Der Einfachheit halber ist angenommen, dass die Form des Streifens sich durch diese Verschiebung nach oben nicht ändert, wie dies in Wirklichkeit der Fall ist.
Bei Ammoniakabsorptions- maschinen zum Beispiel werden die Höhen dimensionen grösser, die Breitendimensionen kleiner und die Wirkungsgrade entsprechend besser als dies die Fig. 5 und 6, zum Aus druck bringen). Es entsteht hierdurch eine Diagrammfläche von ungefähr doppelter Höhe und halber Breite, das heisst eine Fläche, die in ihrer Form der entsprechenden Fläche in Fig. 1 ähnlicher geworden ist.
Das Aneinanderschliessen der beiden Diagramm streifen wird dadurch ermöglicht, dass die Grenzlinien einander thermisch eliminieren können, das heisst die Wärme, die aus dem obern Diagrammstreifen unten austritt, tritt oben in den untern. Diagrammstreifen.wieder ein, das heisst sie bleibt intern. Das kleine Dreieck zwischen beiden Diagrammflächen entspricht einem thermischen Verlust (un- umkehrbarer Wärmesturz), dessen Einfluss sich aus der Figur abschätzen lässt.
Bei Tei lung des Diagrammes in zwei Streifen von gleicher Breite können sich die Kondensa- tionswärme aus dem obern Diagramm und die Austreibewärme aus dem untern nicht vollkommen decken. Die Kondensationswärme ist grösser um den Betrag, der durch den In halt des Dreieckes zwischen den beiden Teil diagrammen dargestellt wird. Um einen ver lustlosen Wärmeaustausch zu erhalten, muss also der untere Diagrammstreifen etwas brei ter und der obere etwas schmäler als. die Hälfte des ursprünglichen Diagrammes sein.
Die Kondensationswärme, welche im untern Diagramm durch das Kühlwasser abzufüh ren ist, wird also etwas grösser ausfallen, als bei einer genauen Halbierung des Dia grammes der Fall sein würde. Um genau den gleichen Betrag nimmt auch die Wärmemenge zu, die im obern Diagramm von aussen zuzuführen ist. Die grössere Wärmezufuhr trotz des schmalen Diagramm streifens bedingt eine weitere Verschiebung dieses Diagrammteils noch oben, als wenn das genannte Dreieck nicht existierte, das heisst dass die betreffenden Grenzlinien parallel wären.
Wenn statt kleine Lösungsmengen, die stark entgast werden, grosse Lösungsmengen zirkulieren, deren Konzentrationen möglichst hoch gehalten werden, um mit den Absorp tionstemperaturen möäli.chst wenig über die Kühlmitteltemperatur hinauszugehen, so ist die Ausführung des in Fig. 4 angedeuteten Verfahrens unmöglich. Demgegenüber ist dann das Verfahren nach vorliegender Erfin dung, gemäss welcher die Aufteilung der Diagrammflächen-noch weiter getrieben wer den kann, leichter ausführbar. In Fig. 6 ist eine Aufteilung des Diagrammes in drei Streifen gezeigt.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Maschine zur Ausführung des in den Fig. 4 und 5 angedeuteten Ver fahrens gezeigt.
Die Hochdruckkocherstufe 1 wird von einer Gasflamme 2 beheizt. Die ausgetriebe nen Gase gehen durch die Leitung 3 nach der Kondensatorstufe 4, welche im untern 'feil der Normaldruckkocherstufe 5 aiigeord- net ist.
Das Kondensat wird durch die Lei tungen 6 und 7 durch den ebenfalls in der Normalkocherstufe angeordneten Nachkühler 8 hindurchgeführt, in dem es unterkühlt wird, um darauf durch den Schwimmregler 9 und die Leitung 10 in die Kondens@itor- stufe 11 der Normalkocherstufe geführt zii werden.
In der Kondensatorstufe 11 kondensiert das durch die Leitung 12 von der Normal kocherstufe zugeführte Gas durch kühlende Wirkung von Wasser oder Luft.
Beide Kondensate werden zusammen durch den Regler 13 dem Verdampfer 14 zu geführt.
Das verdampfte Kältemittel gelangt von hier aus durch die Leitung 16 in die Leitung 17, wo es mit dem Lösungmittel zusammen trifft. Dieses wird der Hoclidruclzl@oclierstufe an ihrer tiefsten Stelle, wo die Temperatur am höchsten und die Konzentration am schwächsten ist (höchstes spezielles Gewicht) entnommen.
Es steigt in der Kocherstufe durch die Wärmeaustauschschlange 18 nach oben zu dem Regulierorgan 19, um von die sem auf den Verdampferdrueh entspannt und in die Leitung 17 übergeführt zu werden, in der es mit dem zu absorp.ierenden Kältemit tel zusammentrifft.
Die Mischung von Dampf und schwacher Lösung steigt in der Schlange 20, in der die Absorption bei entsprechend hoher Tempera tur (TJ, TJ' in Fig. 4) beginnt, nach oben. Die Schlange ist in der Normaldruckkocher- stufe angeordnet, zum Zweck, die in ihr freiwerdende Absorptionswärme für die erste Austreibung nutzbar zu machen. (T4, T4' in Fig. 4). Die Lösung mit dem noch nicht ab sorbierten Gas geht durch die Leitung 21 nach dem Absorberteil 22, der durch.
Kühl wasser oder Luft gekühlt sein kann. Naeh- dem die Lösung sich in diesem gesättigt hat, sammelt sie sich im Behälter 23, um als dann von der Pumpe 24 durch den Wärme- austauscher 25 und die Leitung 26 in den obern Teil der Normaldruckkocherstufe ge- trieben zii werden.
In der Kocherstufe anbe langt wird die Lösung unter der Einwirkung des Nachkühlers, des ersten Absorberteils, der Hochdruckkondensatorstufe und der Ab gase der Hochdruckkocherstufe allmälilicli erhitzt und vorvergast, wobei sie unter Zu nahme des;
spezifischen Gewichtes zu Boden sinkt. Dit# auf diese Weise vorvergaste Lö sung verlässt die Normaldruckkocherstufe am untern Ende und gebt alsdann durch die Lei tung 27 in den Überlaufbehälter 28, dessen Gasraum durch die Leitung ?9 mit dem Gas raum der Kocherstufe verbunden ist.
Die in die Leitung 30 überlaufende Lösung wird mitsamt einem kleinen Gasüberschuss von der Pumpe 31 angesaugt und durch die Leitung 3\? für die Endvergasung der Hochdruck- kocherstufe zugeführt.
Zweckmässig wird die Leitung 32 mit dem untern Teil der Lei tun- 17 zu einem @Värmeaustauscher kombi niert (nicht gi-zeiclinet), um denjenigen Teil der mit der armen Lösung aus der Hoeh- drue@koe@ertufe austretenden Wärme, wel che für die Absorption überflüssig ist, dem Kocher nutzbar wieder zuführen zu können.
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Maschine zur Ausführung des in Fig. 6 angedeuteten Verfahrens, mit dem Unterschied, dass die Vergasung in der Uoch- druckkocherstufe anfängt, in der Mitteldrueli#- kocherstufe fortgesetzt und in der Normal druckkocherstufe beendigt wird.
Bei dieser Ausführung ist nur eine Lösungspumpe nö tig, welche die Lösung direkt in die Hoch- druckkocherstufe fördert, während die Wei- terleitung der Lösung durch automatisch wirkende Schwimmerventile bewerkstelli--t werden kann.
Die Hochdruelzkoeherstufe 1 wird durch die Heizflamme \? gebeizt, während die ausge triebenen Gase durch Leitung 3 in die in der Mitteldruckkocherstufe 5 angeordnete Kon- densatorstufe 4 geleitet werden. Das Kon densat wird durch das Regelorgan 6 und die Leitung 7 in die in der Normaldruckkoclier- stufe angeordnete Kondensatorstufe 8 ge führt.
Diese wird durch die Leitung 9 mit dem von der Mitteldruckkocherstufe aüsge- treibenen Kältemittel gespeist, das unter Beheizung der Normaldruckkocherstufe 10 kondensiert.
Von der Kondensatorstufe 8 geht das Kondensat der Hochdruck- und Mitteldruckkocherstufe durch das Regulier ventil 11 und die Leitung 12 nach der Kon- densatorstufe 13 der Normaldruckkocber- stufe, mit welch letzterer die Kondensator stufe 13 durch die Leitung 14 verbunden ist. Durch das Regulierventil 15 wird das Kon densat der drei Kocherstufen in den Ver dampfer 16 übergeführt.
Die entgaste Lösung wird aus der Nor- maldruckkocherstufe durch die Leitung 18, Wärmeaustauscher 19, Schwimmerventil 20 und die Leitung 21, in der sie mit den vom Verdampfer 16 kommenden Dämpfen zusam mentreffen, nach dem Absorber 22 geführt. Die ganze Absorption findet im Absorber 22 statt. Die reiche Lösung wird vom Be hälter 24 gesammelt und von der Lösungs pumpe 25 durch Wärmeaustauscher 26, 27, 28 und 29 in die Hochdruckkocberstufe ge pumpt.
Nach der ersten Vergasung verlässt die Lösung die Hochdruckkocherstufe durch die Leitung<B>30,</B> geht durch den Wärmeaustau- scher 31, Schwimmerventil 32 und Leitung 33 nach der Mitteldruckkocherstufe, um von dort nach zweiter Entgasung durch die Lei tung 34, Wärmeaustauscher 35, Schwimmer ventil 36 und Leitung 37 nach der Normal druckkocherstufe zu gelangen.
Absorption chillers. The invention relates to an absorption chiller and consists in the fact that the quantities of refrigerant driven out of two or more stages of the cooker are condensed separately in two or more condenser stages and the released amounts of condensation heat of the upper stage or stages for expelling refrigerant in the lower or lower the lower levels are made usable for the purpose,
to achieve an improvement in the thermal efficiency of the machine and thus a saving in heating and cooling.
The principles followed here are shown schematically and by way of example in FIGS. 1 to 5 of the drawing.
1 shows the temperature entropy diagram of the heat movements in an ideal refrigeration machine. In order to use a refrigerant that goes through a cycle, i.e. periodically returns to the same initial state, a heat quantity Q, from temperature level T ,. To promote the temperature level T, it is necessary that an amount of heat Q4 goes down from the temperature level T4 to the temperature level Z'3.
The amount of heat which is dissipated to the coolant at temperature level T i is greater than the amount of heat Q i. The difference between the two is taken from the amount of heat Q4, and the equation applies: Q4 ^ Q3-Q2-Ql or q4 = Qa + (Qz-Q,). The amount of heat Q4 that must be consumed at temperature level T4 to achieve a cooling capacity Q1 at temperature level T ,. consists of two parts:
firstly from the heat quantity Q3, which is dissipated after the heat movement from T4 to T3 at the lower temperature limit, and secondly from the difference between the two heat quantities supplied and removed from the main heat movement. If you want to increase the economic efficiency of the machine, the parts that make up the amount of heat Q4 must be reduced to a minimum.
The compression machines have already reached a high level of development in this respect. From a purely thermal point of view, the conditions there are much more favorable than with the absorption machines. Fig. 1 is a picture of the heat movements as they take place in a compression machine driven by a steam engine, if small deviations from the ideal mode of operation are ignored. The heat movement from T, to T2 takes place in the compression machine, with the heat Q, mainly being dissipated by the cooling water when the refrigerant is liquefied.
It is essential that this liquefaction can take place at a constant temperature, so that the temperature T2 can be practically the same over the entire width of the diagram and that it does not exceed the temperature of the available cooling water any more than is necessary for thermal reasons. The heat movement from temperature level T to level T3 takes place in the steam engine. This heat movement is completely independent of the processes in the compressor. Only the amount of heat (Q @ Q,) has to be transported from the steam engine to the compressor, which is known to take place in the form of mechanical energy.
With such compression machines there is great freedom in determining the thermal movement from T4 to Ts. For this purpose, it is advisable to choose the thermally most favorable processes, i.e. those in which the temperature levels T4 and T; are far apart, i.e. for which, for a certain difference between Q4 and Q3, both Q4 and Qa are as small as possible. In Fig. 1 this is expressed by the tall and narrow shape of the diagram on the right.
In the absorption machine, the conditions are completely different, that is, they are thermally much less favorable, first because of the peculiarity of the absorption process and then because of the closer relationship between the two heat movements. In Fig. 2, the heat movements in a previously common absorption machine shown.
Complete heat exchange is assumed, i.e. an exchange that is not limited to the poor and rich solution, but also takes into account the refrigerant on its way from the cooker to the condenser, from the condenser to the evaporator and from the evaporator to the absorber is, and in which the circulating absorption and refrigerant quantities are subjected to a complete temperature change. The thermal influence of the pressure changes to which the absorption medium and the refrigerant are subjected, as well as the influence of the co-evaporation of absorption medium, are also ignored.
The diagrams are therefore on the processes that are of essential thermal importance, ie on evaporation and absorption respectively. Limited from drifting and condensing. In these diagrams, the connecting lines between the processes mentioned are drawn vertically. The fact that the assumptions made cannot actually be fully met does not change anything in the meaning of the explanations below.
One can see that the diagram shows the changes in state of the refrigerant, whereby the absorption medium, apart from its ability to absorb and expel refrigerant under the corresponding pressure and temperature conditions, is assumed to be thermally indifferent.
In absorption machines, the refrigerant runs through an 8-shaped double cycle process, which comprises the two heat movements indicated separately in FIG. 1, and which is in the following order: evaporation (a <I> h), </I> absorption (ed), expulsion <I> (ef) </I> and condensation (rg k) takes place.
The dissipation of the amount of heat Q2 does not take place, as in compression machines, during the condensation of the refrigerant, but mostly during the absorption. In the process shown in FIG. 2, the amount of heat Qj is not completely dissipated during the absorption, a part remains in the refrigerant after the absorption has ended (the entropy is greater in <I> d </I> than in <I> a), </I> executes the upper loop of the circuit and is only expelled together with the amount of heat Q3 when the refrigerant condenses. So it takes place:
Supply Q, on the way from <I> a </I> to b, discharge Q2 via c <I> d </I> and <I> ie, supply- </I> passed Q4 via ef and discharge Q3 g <I> d. </I> From the equation Q ° = Qs + (QZ - Q,) it follows that the area <I> defgd </I> has the same content as the area a <I> bcdha </ I > has. Here, too, there are two thermal effects, the sizes of which are represented by the surfaces in question and which neutralize each other.
The shape of the upper loop <I> d e f </I> g <I> d, </I> is important for economic efficiency. It depends on whether it is wide and low or narrow and high. This shape is influenced by the properties of the refrigerant in question and its behavior towards the absorbent. It. it is obvious to expect that .the temperature difference between expulsion and condensation respectively. Absorption and evaporation with constant solution concentration (for example the distances f g and <I> c b) </I> are a function of the absolute temperature, which rises and falls with the absolute temperature.
In absorption machines that use ammonia as the refrigerant and a solution of ammonia in water as the absorption medium, the temperature difference in question actually increases with the absolute temperature, which is beneficial for the economy of the machine: the height dimensions of the upper loop are greater and the Width dimensions correspondingly smaller than those of the loop below. In ammonia absorption machines, point g, as is also drawn in FIG. 2, lies to the left of point b. It is not excluded that point d lies to the left instead of to the right of point a.
But in any case the distance between the points <I> d </I> and <I> g </I> is smaller than between a and b. In Fig. 3, the two loops, which each relate to one of the two thermal movements, for the sake of clarity and to facilitate the comparison with Fig. 1, shown separately.
The first factor, which is unfavorable for the economy of the absorption machine, is that the heat dissipation Qz, as already noted, does not take place during the condensation, but largely during the absorption of the refrigerant. In contrast to condensation, absorption does not take place at a constant temperature. The weak solution coming out of the cooker begins to absorb at a temperature which, depending on the degree of expulsion, is more or less high above the cooling water temperature. Only as absorption progresses does the absorption temperature gradually approach the cooling water temperature.
In Fig. 3 this process is indicated by the oblique course of the line TZ ', TZ. So (Q2 Q,) is larger than in compression machines. The second unfavorable factor is the type of additional heat movement from T4 to T3. This is nothing less than independent of the main heat movement. It is exactly the opposite of this, only it takes place in slightly higher temperature limits and, apart from the deviations already mentioned, has the same thermal characteristics as this one.
A comparison with FIG. 1 reveals the thermally unfavorable shape of the diagram on the right in FIG. 3. It is known that the efficiency of the absorption machine can be improved by partially removing the heat Q4 from the heat Q2. For this it is necessary that the temperature TZ is higher than the temperature T4. This method is shown schematically in FIG. A small amount of the solution, which is strongly degassed in the digester, is circulated so that the absorption can start at a correspondingly high temperature.
The heat that is removed between T2 and T2 'in the main process can be reintroduced into the secondary process between T, "' and T, that is, the heat that is released at the beginning of the absorption , is used for the first degassing in the cooker.
Thermally, this means that the amount of heat that is led upwards from <I> i </I> 7e to T2 ", T2 ', via T4, T," back to 1 m, which corresponds to no in height , falls behind. The two hatched areas cancel each other out and one can imagine the thermal processes represented by the unshaded areas.
A comparison with FIG. 3 shows that the right part has received a thermally much more favorable shape. The baseline has shrunk and the size n; is decreased. However, certain limits are placed on the implementation of this principle. The lines T2, <I> T., '</I> and T, T' can only cover each other over a relatively small part.
Depending on your condenser pressure, you must not exceed certain limits with T ', because otherwise too large quantities of the absorbent will be expelled with the refrigerant. From the left part of Fig. 4 it can be seen that even after omission of the hatched part Q2-n, remains larger than in the compression machines, possibly even larger than in ordinary absorption machines that work without recovery of absorption heat.
In fact, a high rise in the temperature line T2, T2 'is not only thermally incorrect in and of itself, but also promotes the risk of absorbent being expelled, which can adversely affect the evaporation process.
The aim of the present invention is to improve the efficiency, which can be used either in conjunction with the aforementioned improvement or independently thereof and which only relates to the thermal movements in the secondary process, leaving the main process untouched.
As already mentioned, the main reason for the inefficiency of the absorption process is that the condensation of the refrigerant, which has to evaporate again in the evaporator, is the basis for the secondary process. In the known absorption machines, the condensation takes place at a temperature in the vicinity of the cooling temperature. All condensation heat is removed as worthless waste heat.
A substantial thermal improvement can now be achieved in that the condensation of the refrigerant is broken down into two or more separate processes that run at correspondingly mutually graded temperature levels, the whole thing in such a way that the in the resp. The condensation heat released at the higher temperature levels is valuable to be dissipated as useless waste water arms,
much more of the capacitor in question can be used as a usable heat source for expelling ver.
The secondary process of a refrigeration machine is not tied to the temperature level of the cooling water per se. known in and of itself. If, for example, a no-injection refrigeration machine is driven by an internal combustion engine, the secondary process takes place at significantly higher temperatures than indicated in FIG. 1.
In the present invention, however, a part of the secondary process remains closely connected to the cooling water temperature level, while only the remaining parts move away from it.
In Fig. 5 is from the right part of I'ig. 1 shows the condensation of the refrigerant in two temperature levels, for example: illustrated. An increase in the condensation temperature is easily possible because, instead of cooling water for heat dissipation, another coolant of a correspondingly higher temperature is selected.
The higher the condensation temperature, the higher the condensation pressure. Imagine the diagram area T., ", 1 '; <I> q p </I> divided by the line T4"' r into two strips of approximately equal width. For the right strip it is possible to increase the condensation temperature, up to or above the temperature T, "'. The pressure increase associated with the tem perature increase primarily requires a digester level for the right strip, the working pressure of which is compared to that of the normal cooker setting for the left strip is increased accordingly.
The desired temperature increase for the right stripe is now achieved by using the normal cooker stage for heat dissipation from the high pressure condenser stage instead of the coolant. To illustrate the thermal effect achieved in this way, the right diagram strip above can be thought of as an extension of the left strip and then shifted to this. (For the sake of simplicity, it is assumed that the shape of the strip does not change as a result of this upward shift, as it actually does.
In the case of ammonia absorption machines, for example, the height dimensions are larger, the width dimensions smaller and the efficiencies correspondingly better than those shown in FIGS. 5 and 6). This creates a diagram area of approximately double the height and half the width, that is to say an area which has become more similar in shape to the corresponding area in FIG.
The connection between the two diagram strips is made possible by the fact that the boundary lines can thermally eliminate each other, i.e. the heat that emerges from the upper diagram strip at the bottom enters the lower one. Diagram strips. On again, that means it remains internal. The small triangle between the two diagram areas corresponds to a thermal loss (irreversible heat loss), the influence of which can be estimated from the figure.
If the diagram is divided into two strips of equal width, the condensation heat from the upper diagram and the expulsion heat from the lower one cannot completely coincide. The heat of condensation is greater by the amount shown by the content of the triangle between the two partial diagrams. In order to achieve a lossless heat exchange, the lower diagram strip must be a little wider and the upper one a little narrower than. be half of the original diagram.
The heat of condensation, which is to be removed by the cooling water in the diagram below, will therefore be somewhat greater than would be the case if the diagram were exactly halved. The amount of heat that has to be supplied from outside in the diagram above also increases by exactly the same amount. The greater heat input despite the narrow strip of the diagram causes a further shift in this part of the diagram above than if the triangle mentioned did not exist, i.e. the relevant border lines were parallel.
If instead of small amounts of solution that are heavily degassed, large amounts of solution circulate, the concentrations of which are kept as high as possible so that the absorption temperatures as little as possible exceed the coolant temperature, the process indicated in FIG. 4 is impossible. In contrast, the method according to the present invention, according to which the division of the diagram areas can be driven even further, can be carried out more easily. 6 shows a division of the diagram into three strips.
In Fig. 7, an embodiment of the present machine for executing the process indicated in Figs. 4 and 5 is shown.
The high pressure cooker stage 1 is heated by a gas flame 2. The expelled gases go through the line 3 after the condenser stage 4, which is arranged in the lower part of the normal pressure cooker stage 5.
The condensate is passed through the lines 6 and 7 through the aftercooler 8, which is also located in the normal cooker stage, in which it is subcooled and then passed through the float regulator 9 and the line 10 into the condenser stage 11 of the normal cooker stage .
In the condenser stage 11, the gas supplied through the line 12 from the normal cooker stage condenses by the cooling effect of water or air.
Both condensates are fed together by the controller 13 to the evaporator 14.
From here, the evaporated refrigerant passes through line 16 into line 17, where it meets the solvent. This is taken from the Hoclidruclzl @ oclierstufe at its lowest point, where the temperature is highest and the concentration is weakest (highest special weight).
It rises in the digester stage through the heat exchange coil 18 up to the regulating member 19 to be relaxed from the sem on the evaporator pressure and transferred to the line 17, in which it meets the refrigerant to be absorbed tel.
The mixture of steam and weak solution rises in the line 20, in which the absorption begins at a correspondingly high tempera ture (TJ, TJ 'in Fig. 4). The snake is arranged in the normal pressure cooker stage for the purpose of making the absorption heat released in it usable for the first expulsion. (T4, T4 'in Figure 4). The solution with the gas that has not yet been sorbed goes through line 21 to absorber part 22, which passes through.
Cooling water or air can be cooled. After the solution has become saturated in this, it collects in the container 23 in order to be driven by the pump 24 through the heat exchanger 25 and the line 26 into the upper part of the normal pressure cooker stage.
In the cooker stage anbe the solution is gradually heated and pre-gasified under the action of the aftercooler, the first absorber part, the high pressure condenser stage and the gases from the high pressure cooker stage, taking them to the;
specific gravity drops to the ground. The solution pre-gasified in this way leaves the normal pressure cooker stage at the lower end and then passes through line 27 into overflow container 28, the gas space of which is connected to the gas space of the cooker stage through line 9.
The solution overflowing into the line 30 is sucked in by the pump 31 together with a small excess of gas and passed through the line 3 \? for the final gasification of the high pressure boiler.
The line 32 is expediently combined with the lower part of the line 17 to form a heat exchanger (not gi-zeiclinet) in order to dissipate that part of the heat exiting with the poor solution from the heat exchanger which is required for the absorption is superfluous so that it can be usefully fed back into the cooker.
FIG. 8 shows an embodiment of the present machine for carrying out the method indicated in FIG. 6, with the difference that the gasification begins in the high pressure cooker stage, continues in the medium pressure cooker stage and is ended in the normal pressure cooker stage.
With this version, only one solution pump is required, which conveys the solution directly into the high-pressure cooker stage, while the solution can be conveyed through automatically acting float valves.
The Hochdruelzkoeherstufe 1 is by the heating flame \? Pickled, while the expelled gases are passed through line 3 into the condenser stage 4 arranged in the medium-pressure boiler stage 5. The condensate is passed through the control element 6 and the line 7 into the condenser stage 8 arranged in the normal pressure cooler stage.
This is fed through the line 9 with the refrigerant driven out by the medium-pressure cooker stage, which condenses while the normal-pressure cooker stage 10 is heated.
From the condenser stage 8 the condensate of the high-pressure and medium-pressure boiler stage goes through the regulating valve 11 and the line 12 to the condenser stage 13 of the normal pressure cooker stage, to which the condenser stage 13 is connected by the line 14. Through the regulating valve 15, the condensate of the three digester stages in the United steamer 16 is transferred.
The degassed solution is led from the normal pressure boiler stage through line 18, heat exchanger 19, float valve 20 and line 21, in which it meets the vapors coming from the evaporator 16, to the absorber 22. All of the absorption takes place in absorber 22. The rich solution is collected from the loading container 24 and pumped from the solution pump 25 through heat exchangers 26, 27, 28 and 29 in the high-pressure kocber stage.
After the first gasification, the solution leaves the high-pressure boiler stage through line 30, goes through the heat exchanger 31, float valve 32 and line 33 after the medium-pressure boiler stage, from there to the second degassing through line 34, Heat exchanger 35, float valve 36 and line 37 to reach the normal pressure cooker stage.