Kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschine. Die Erfindung betrifft eine kontinuier lich arbeitende Absorptionskältemaschine, bei der das Absorptionsmittel eine aus einem oder mehreren wasserfreien unflüchtigen Salzen und dem flüssigen Kältemittel zu sammengesetzte Flüssigkeit ist. Gemäss der Erfindung beträgt der Temperaturunter schied zwischen dem Verdampfer für das Kältemittel und dem Absorber 40 C oder mehr.
Durch die Erfindung wird ein neuer Weg gezeigt, um Kälte tiefer Temperatur und Kälte bei hohen Kühlwassertemperatu ren mit hohem thermodynamischem Wir kungsgrad zu erzeugen, was bisher nur mit der Kompressionsmaschine möglich war. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, auch in den erwähnten Fällen Kälte unmit telbar aus Wärme zu erzeugen, ohne diese erst in mechanische Energie umwandeln zu müssen.
Bereits der Umstand, dass Wärmeenergie an vielen Orten leichter zu beschaffen ist als mechanische oder elektrische Energie, zeigt, wie wertvoll dieser neue -Weg ist.
Die Ursache für die Erhöhung des ther modynamischen Wirkungsgrades der vorlie genden Maschine lässt sich durch folgende Betrachtung erkennen: Beim Kälteprozess wird Wärme tiefer Temperatur, nämlich die gälte, auf die Temperaturstufe der Umwelt (Kühlwasser temperatur) gehoben. Diese Arbeitsleistung muss in irgend einer Form aufgebracht wer den. Beim Kompressionsverfahren wird sie als mechanische bezw. elektrische Energie, beim Absorptionsverfahren in Form von Wärme höherer Temperatur zugeführt.
Diese Wärme lässt man auf die Temperatur der Umwelt (Kühlwassertemperatur) absinken und gewinnt so, entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre, die erforder liche Energie. Um nun eine bestimmte Wärmemenge um einen bestimmten Tempe raturbetrag zu heben, muss man beim Ab sorptionsverfahren theoretisch, ebenfalls entsprechend dem zweiten Hauptsatz, eine gleichgrosse Wärmemenge um etwa einen gleichen Temperaturbetrag absinken lassen. Will man also z. B. Wärme von -5 auf 20 heben, so wäre theoretisch nur ein Absinken von 45 auf 20 erforderlich.
In der Praxis ist nun aber die Über tragung der Wärme von einem Stoff auf den andern, wie es beim Absorptionsver fahren notwendig ist, an Temperaturdiffe renzen gebunden. Es muss einmal Wärme von hoher Temperatur auf die Lösung (Aus treiber), . dann. von dem erzeugten Dampf auf das Kühlwasser (Kondensator), sodann Wärme von tiefer Temperatur (Kälte leistung) an den Kälteträger, zum Beispiel Ammoniak (Ammoniakverdampfer) und fer ner die Absorptionswärme auf Kühlwasser (Absorber) übertragen werden. Rechnet man für jede Übertragung mit dem üblichen Wert von 10 , so verliert man 40'.
Hinzu kommt noch der durch den Konzentrations unterschied der armen und reichen Lösung bedingte Temperaturverlust (Unterschied der Austreibungstemperaturen bei' gleichem Druck). Dieser Verlust beträgt etwa 20, wenn derFlüssigkeitsumlauf zwischenAntrei- ber und Absorber nicht zu hoch werden soll.
Der thermodynamische Wirkungsgrad ist etwa proportional dem nutzbringenden Tem peraturgefälle zum insgesamt erforderlichen Gefälle, hier also 25 : (25 -f- 40 -I- 20) = 0,3, während er beim Kompressor unter den glei chen Verhältnissen 0,6 bis<B>0,7</B> beträgt.
Wird nun nach vorliegender Erfindung zum Beispiel Kälte tiefer Temperatur er zeugt, so wird der thermodynamische Wir- kungsgrad für den Absorptionsprozess gün stiger, denn die Temperaturverluste bleiben konstant und das nutzbringende Gefälle wird grösser, während der Wirkungsgrad der Kompressionskältemaschine ungünstiger wird.
Mit wachsendem Kompressionsver hältnis werden hier die Verluste grösser, die Kompressoren müssen schliesslich zwei- und dreistufig gebaut werden, und so ergibt sich bei der Erzeugung von Kälte von - 60 für den Absorptionsprozess ein Wert von 80 : 140 = 0,57 und für den Kompressions- prozess ein Wert von etwa 0,5.
Der Vergleich der thermodynamisehen Wirkungsgrade gibt aber für die 'irt- schaftlichkeit noch nicht das richtige Bild, wenn der Kompressor durch eine Wärme kraftmaschine, zum Beispiel eine Dampf maschine angetrieben wird. Man muss in diesem Falle auch den thermischen Wir kungsgrad des Gesamtprozesses betrachten, das heisst den Wärmeverbrauch beider Ver fahren vergleichen.
Beim Kompressionsverfahren wird aus Wärme mechanische bezw. elektrische Ener gie erzeugt. Der Wirkungsgrad bezogen auf Kohle einschliesslich aller Übertragungsver luste ist bereits hoch, wenn er 18 % beträgt. Der Gesamtwirkungsgrad für den Kompres- sionsprozess wird damit für wenig tiefe Temperaturen 0,18 X 0,7 = ca. 0,13, für tiefe Temperaturen 0,18 X 0,5 = 0,09.
Beim Absorptionsprozess fällt die Um wandlung der Energie fort. Die Wärme kann mit dem Wirkungsgrad ausgenutzt werden, der dem Carnotischen Wirkungs grad der Zuführungstemperatur entspricht. Verluste durch Unvollkommenheit des kraft erzeugenden Prozesses (Turbinenwirkungs grad, Generatorverluste usw.) fallen fort. Es ist gegenüber dem Carnotischen Wir kungsgrad lediglich ein Abschlag von etwa 20% für den unvollkommenen Wärmeaus tausch zwischen der reichen und armen Lö sung einzusetzen.
Für wenig tiefe Tempera turen (- 5 ) wäre die Zuführungstempera tur für das obige Beispiel (Kühlwasser temperatur + verbrauchtes Gefälle) = 20,' 25 + 40 -i- 20 =<B>105</B> , für tiefe Tem peratur (-60#'), 20'+80'+40'+2,0' -1,60'.
Der Carnotische Wirkungsgrad ist bei 20' Umwelttemperatur für
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Damit ergibt sich ein Gesamtwirkungs grad bei 20% Abschlag und den oben er- reehneten thermodynamischen Wirkungs graden für wenig tiefe Temperaturen (-5 ) - 0,22 X 0,8 X 0,3 = 0,05, für tiefe Tem peraturen (- 60-') = 0,32 X 0,8 X 0,54 = 0,15.
Dass diese Betrachtungen nicht nur theo retisch zutreffen, sondern auch praktisch zutreffen, zeigt das Ergebnis einer ausführ lichen Berechnung einer mit Lithiumnitrat- Ammoniaka.t als Absorptionsmittel arbeiten den Absorptionskältemaschine für Kälte von - 45 .
Diese Berechnung wurde auf Grund eingehender Laboratoriumsversuche über die physikalischen Eigenschaften und auf Grund von Versuchen mit einer Ver suchsanlage aufgestellt. , Als Absorptionsmittel für derartige Kältemaschinen dienen Flüssigkeiten, die aus wasserfreien, unflüchtigen Salzen, zum Beispiel überchlorsauren Salzen von Natrium und Lithium oder Lithiumnitrat und aus Ammoniak oder einem Amin bestehen. Diese Flüssigkeiten geben auch bei hohen Temperaturen von 200' und darüber nur reines Gas ab, da die Salze selbst unflüchtig sind und sich nicht zersetzen.
Die mit Am moniak gebildeten Flüssigkeiten bilden bei l atabs zum Teil erst bei über<B>100</B> feste Verbindungen.
Alle andern bisher bekannten Absorp tionsmittel weisen derartige Eigenschaften nicht auf. Verwendet man zum Beispiel Wasser, so verdampft das Wasser mit dem Kältemittel (meist Ammoniak) und man er hält im Ammoniakkondensator nicht reines Ammoniak, sondern Ammoniak mit Wasser. Dies tritt natürlich besonders dann in Er scheinung, wenn die Temperatur im Aus treiber \hoch ist, wie es bei der Erzeugung von Kälte tiefer Temperatur der Fall sein muss. Auch teure Rektifilmtionsapparate können diesen Übelstand nicht gänzlich be seitigen.
Man hat daher bereits vorgeschlagen, an Stelle des meist verwandten Wassers als Absorptionsflüssigkeit wä.ssrige Lösungen von Salzen, wie Calciumchlorid, Lithium- chlorid und andere zu verwenden, deren Siedepunkt höher als der des Wassers liegt.
Man erreicht damit zwar eine Verbesserung, aber auch hier kann das absorbierte Kälte mittel nicht rein abgegeben werden, da auch hochkonzentrierte Lösungen bei<B>80'</B> immer noch einen beträchtlichen Wasser dampfdruck besitzen und daher immer etwas Wasserdampf mit dem ausgetriebenen Kälte mittel mitgeht.<B>80'</B> ist wohl die geringste Temperatur, die zum Beispiel für das Aus treiben des Ammoniaks bei einer Absorp- tionskältemaschine in Betracht kommt; meist liegt sie sogar weit höher. Ausserdem greifen die Salzlösungen unlegiertes Eisen stark an, so dass die Verwendung teurer Spezialmaterialien erforderlich wird.
Auch die weiterhin vorgeschlagenen Kohlenwasserstoffe sind nicht geeignet, da sie ebenfalls einen zu geringen Siedepunkt besitzen und merkbar mitverdampfen. Ausserdem zersetzen sie sich bei längerem Gebrauch infolge der Einwirkung der Hitze und geben zu Verkrustungen an den Heiz flächen Anlass.
Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man nun in neuerer Zeit für die Absorption von Ammoniak oder Aminen an Stelle von Wasser oder wässriger Lösungen feste Stoffe, wie aktive Kohle oder auch feste Salze, wie Calciumahlorid zu verwenden versucht. Man muss aber hierbei in Kauf nehmen, dass man die Maschinen nicht mehr kontinuierlich, sondern nur noch periodisch betreiben kann, da diese festen Stoffe nicht gepumpt werden können; auch muss man ausserordentlich grosse und besonders kon struierte Heizflächen einbauen, da sonst der Wärmeübergang von der Wand auf den festen Stoff schlecht ist.
Man kann diese Stoffe daher nur bei absatzweise arbeiten den Kleinkältemaschinen verwenden, wo der Wirkungsgrad der Anlage nicht von aus schlaggebender Bedeutung ist.
Unter den erwähnten festen, wasserfreien Salzen, die für die Absorption von Am moniak oder andern Kältemitteln in Be- tracht kommen, befinden sich auch einige, die bei Zimmertemperatur, wenn man ge nügend Kältemittel absorbieren lässt, mit dem Kältemittel eine flüssige Verbindung bilden. Diese Erscheinung ist bereits be kannt, man hat aber diese Flüssigkeiten bis her nicht in Betracht gezogen mit Aus nahme der flüssigen Verbindungen von Ammoniumnitrat und Ammoniumthiocyanat.
Diese Flüssigkeiten sind nun aber keines wegs für die vorliegende Kältemaschine ge eignet. Sie zersetzen sich bereits bei ca. 100 , sind vor allem explosiv und bilden bei bereits etwa <B>30'</B> und 1 atabs mit Ammoniak feste Verbindungen. Bei höheren Tempera turen, wie sie bei der Erzeugung von Kälte tieferer Temperatur auftreten, sind sie nicht brauchbar.
Gegenüber allen diesen bekannten Ab sorptionsmitteln besitzen die oben genannten Lithiumsalze und die Perchlorate eine Reihe bedeutender Vorteile. Da sie während des ganzen Prozesses flüssig sind und hierbei überhaupt nicht fest werden, so ist der Wärmeübergang beim Kühlen und beim Erhitzen dauernd gut; die Heizflächen wer den daher klein, und Sonderkonstruktionen, wie sie für feste Stoffe in Frage kommen, sind überflüssig.
Da ausserdem diese Flüssigkeiten auch. bei hohen Temperaturen nur reines Am moniakgas abgeben, so kann die Temperatur im Austreiber viel höher liegen als bei Ver wendung von wässrigen Lösungen. Hier durch ist es möglich, im Austreiber die Flüssigkeit so ammoniakarm zu machen,
dass auch bei hohen Absorbertemperaturen im Absorber noch Ammoniak aufgenommen wird. Man kann daher entweder die Heiz flächendifferenz im Absorber zwischen Ab sorptionsflüssigkeit und Kühlwasser sehr gross machen und so bei kleiner Absorber kühlfläche eine grosse Kälteleistung erzielen oder den Konzentrationsunterschied zwischen der ammoniakarmen und ammoniakreichen Flüssigkeit erhöhen und damit die umlau fenden Flüssigkeitsmengen und die Pumpen leistung vermindern oder auch den. Tempe- raturunterschied zwischen der erzeugten Kälte und dem
Kühlwasser vergrössern. Die genannten Absorptionsmittel eignen sich da her besonders für hohe Kühlwassertempera turen, wie es in den Tropen vorkommt, und in den Fällen, wo Kälte tiefer Temperatur verlangt wird, wie dies für verschiedene in dustrielle Zwecke erforderlich ist.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausfüh rungsbeispiel einer Kältemaschine gemäss der Erfindung zum Erzeugen von Kälte tiefer Temperatur.
1 ist der Austreiber. Hier wird durch Wärmezufuhr aus der Absorptionsflüssig keit, zum Beispiel Lithiumnitratammoniakat, bei 12 atabs und<B>160'</B> Ammoniakdampf er zeugt. Die Beheizung erfolgt durch Wasser dampf in der Schlange 2; der Ammoniak dampf wird im Kondensator 3 an der wassergekühlten Schlange 4 niederschlagen. Das flüssige Ammoniak fliesst über das Drosselventil 5 in den Ammoniakverdampfer 6. Hier verdampft es bei Unterdruck, zum Beispiel bei 0,4 atabs bei - 50 und er zeugt Kälte. Eine durch die Schlange 7 fliessende Kältesole wird dementsprechend abgekühlt.
Der Ammoniakdampf strömt zum Absorber 8 und wird hier von flüssi gem Lithiumnitratammoniakat ebenfalls bei Unterdruck absorbiert. Die Affinität dieser Flüssigkeit zum Ammoniakdampf ist so gross, dass der Dampf bei einer Temperatur von + <B>30'</B> aufgenommen wird. Die Flüs sigkeit besitzt also infolge ihres hohen Salz gehaltes einen bedeutend niedrigeren Dampf druck als das Ammoniak bei einer um 40' tieferen Temperatur, das heisst bei -10 , bei welcher Temperatur der Dampfdruck des Ammoniaks immer noch 2,9 atabs beträgt. Die entstehende Wärme wird durch Schlange 9 auf Kühlwasser übertragen.
Die ammo- niakreiche Flüssigkeit wird durch Pumpe 10 durch den Temperaturwechsler 11 in den Austreiber 1 gepumpt. Hier wird der auf genommene Ammoniakdampf ausgetrieben und die ammoniakarme Flüssigkeit fliesst über die Leitung 14, den Temperaturwechs ler 11 und Drosselventil 12 dem Absorber 8 wieder zu.
Damit die ammoniakreiche Flüssigkeit im Temperaturwechsler 11 nicht zum Sieden kommt, kann noch das Drossel ventil 13 zwischen Temperaturwechsler 11 und Austreiber 1 eingeschaltet werden, so dass mittels dieses Drosselventils im Tempe raturwechsler 11 ein höherer Druck aufrecht erhalten werden kann als im Austreiber 1.
Infolge des höheren Druckes im Tempe raturwechsler 11 gelingt es, die ammoniak- reiche Flüssigkeit auf eine höhere Tempe ratur vorzuwärmen als dies bei Austreiber- druck ohne Drosselventil 13 möglich wäre. Wenn man den Temperaturwechsler 11 gross genug macht, kann man erreichen, dass die ammoniakreiche Flüssigkeit nahezu die Temperatur der ammoniakarmen Flüssigkeit im Austreiber 1 annimmt.
Dadurch wird der Wärmebedarf für den Austreiber 1 vermiu- dert und dies ist wichtig, weil infolge des grossen Temperaturunterschiedes zwischen dem Verdampfer 6 für das Kältemittel und dem Absorber 8 auch der Temperaturunter schied zwischen dem Absorber 8 und dem Austreiber 1 gross wird und infolgedessen zur Beheizung Dampf höherer Spannung verwendet werden muss, der teurer ist als der Abdampf für die übliche Absorptions- kältemaschine.
Die Anlage ist hier in einer einfachen Form dargestellt. Man kann zur Erhöhung der Leistung natürlich alle die Hilfsmittel anwenden, wie zum Beispiel Vorkühlung des flüssigen Ammoniaks und dergleichen mehr, wie sie für die mit Ammoniak und Wasser arbeitenden 31aschinen bekannt sind. Eben so kann man auch hier die bekannten Kon struktionen für den Austreiber und Absor ber anwenden. Rektifiziereinrichtungen, wie sie für den Verdampfer sonst notwendig sind, fallen allerdings gänzlich fort, was natürlich ein grosser Vorteil ist.
Wie man sieht, ist es ohne weiteres mög lich, mit Hilfe von Lithiumnitratammonia- kat Kälte von - 50 , bei Kühlwassertempe raturen von -r- 20 zu erzeugen. Ebenso ge lingt es auch, unter Anwendung der ent- sprechenden Drucke und Temperaturen, Kälte von - 20 bei einer Kühlwasser temperatur bis zu 40 zu erzeugen, wie dies in den Tropen erforderlich ist.
Dies alles bedeutet also eine wesentliche Verbesserung für das Absorptionsverfahren, der Betrieb wird wirtschaftlicher, und in vielen Fällen, wo bisher nur die Anwendung des Kom pressionsverfahrens in Frage kam, kann nunmehr die Absorptionsmaschine mit Er folg betrieben werden, und sogar mit besse rem wirtschaftlichen Wirkungsgrad als die Kompressionskältemaschine. Dies wird im mer dann der Fall sein, wenn als Betriebs kraft Dampf oder eine adere Wärmequelle zur Verfügung steht, da dann die Erzeu gung der für den Kompressor notwendigen mechanischen Energie fortfällt und die Wärme unmittelbar verwendet werden kann.
Verwendet man zum Betrieb der Kälte maschine Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Zinkchloridammoniakat, so kann man die Temperatur im Absorber sogar so hoch stei gern, dass man diesen nicht mehr mit Kühl wasser zu kühlen braucht, sondern man kann mit Hilfe der freiwerdenden Wärme gespannten Wasserdampf erzeugen, der zur Energieerzeugung oder zur Beheizung aus genutzt werden kann. Man kommt so zu einer gleichzeitigen Erzeugung von Kälte und von gespanntem Wasserdampf. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Kältemaschine dargestellt.
In dem Austreiber 1 befindet sich zum Bei spiel geschmolzenes Zinkchlorid-Diammonia- kat bei einer Temperatur von etwa 450 und einem Druck von 12 atabs. Dieses wird durch die Wärme der Feuerung 15 zum Teil in Zinkchlorid-Monammoniakat und Ammoniakdampf gespalten. Der Ammoniak dampf von 12 atabs Druck und 450' ge langt durch das Drosselventil 16 und den Temperaturwechsler 17, in dem er sich zum Beispiel auf etwa<B>50'</B> abkühlt, in den Kon densator 3. Durch die Kühlschlange 4 wird dem Ammoniakdampf hier Wärme ent zogen, so dass er kondensiert.
Das flüssige Ammoniak von etwa<B>30'</B> strömt darauf durch das Drosselventil 5 in den Verdampfer 6, wo es unter niedrigem Druck, zum Bei spiel '3 atabs, bei<B>-10'</B> wieder verdampft wird. Die hierfür erforderliche Wärme stellt die Kälteleistung der Anlage dar, und sie kann entweder der Wärme der Umge bung oder der Wärme einer die Heizschlange 7 durchströmenden, abzukühlenden Flüssig keit entnommen werden.
Je nach der ge wünschten Temperatur der Kälteleistung wird der Druck im Verdampfer 6 verschie den sein; je niedriger der Druck ist, umso tiefer ist die Temperatur der erzeugten Kälte. Der dem Verdampfer 6 entweichende Ammoniakdampf wird in dem Temperatur wechsler 17, entsprechend der vorherigen Abkühlung, wieder erwärmt (zum Beispiel bei einer Verdampfungstemperatur von -10 im Verdampfer 6 würde er auf 390 erwärmt werden) und wird sodann dem Ab sorber 8 zugeführt.
Hier wird er mit flüs sigem Zinkchlorid-Monammoniakat durch den Verteiler 18 in Berührung gebracht, wodurch sich unter Wärmeentwicklung die ursprüngliche Verbindung (Zinkchlorid- Diammoniakat) zurückbildet. Bei den an gegebenen Verhältnissen tritt diese Wärme- entwicklung bei einer Temperatur von etwa <B>350'</B> ein.
Die Flüssigkeit wird durch die Pumpe 19; Heizschlange 20 und Rohrlei- tung 21 im Kreislauf geführt, wobei sie die im Absorber 8 freiwerdende Wärme an den Wasserverdampfer 22 abgibt und in ihm ge spannten Wasserdampf, zum Beispiel von 100 atm erzeugt.
Zur Aufrechterhaltung konstanter Ge mische von Zinkchlorid-Monammionakat und Zinkchlorid-Diammoniakat (also konstanter Konzentrationen) im Austreiber 1 und im Absorber 8 stehen beide durch eine Ring leitung miteinander in Verbindung. Die im Absorber 8 befindliche Flüssigkeit wird durch die Pumpe 10 in den Temperatur wechsler 11 und weiter über das Drosselven til 13 in den Austreiber 1 geführt, während gleichzeitig eine entsprechende Flüssigkeits menge durch die Rohrleitung 14,
den Tem- peraturwechsler 11 und weiter durch das Drosselventil 12 zum Absorber 8 zurücl@- gelangt.
Durch die Überhitzung im Temperatur wechsler 17 wird der Wirkungsgrad der An lage beträchtlich erhöht. Ohne sie müsste die Wärmemenge, die im Temperaturwechsler 17 dem vom Austreiber 1 zum Kondensator 3 strömenden Dampf entzogen wird, auf das Kühlwasser des Kondensators 3 über tragen und somit nutzlos abgeführt werden, während jetzt diese Wärmemenge im Ab sorber 8 frei wird und zur Erzeugung von gespanntem Wasserdampf verwendet wird.
Der Vorteil gegenüber andern Absor bern liegt darin, dass in den Absorber durch die Leitung 21 eine grosse Menge an Flüs sigkeit eingespritzt werden kann, so dass eine schnelle Absorption bis zur grösstmög lichen Sättigung stattfindet. Für die Ab sorption bei Unterdruck, wo es sich um grosse Dampfvolumen handelt, ist dies be sonders wichtig.
Für den Fall, dass der im Wasserver dampfer 22 erzeugte Wasserdampf der Kraft erzeugung dient, aber noch weitere Kraft mengen benötigt werden, oder dass man die Erzeugung von Kraft und Kälte zum Zwecke der Belastungsregelung gegeneinan der abgleichen will, kann man zu der zwi schen Drosselventil 16 und Absorber 8 ange ordneten Kälte erzeugenden Apparatur (3, 4, 5, 6, 7, 17) eine Ammoniakdampf- turbine 23 parallel schalten, und so den im Austreiber 1 erzeugten Ammoniakdampf abwechselnd ganz oder teilweise die Kälte anlage oder die Kraftanlage betreiben lassen.
Es ist auch möglich, die im Absorber 8 freiwerdende Wärme nicht nur zur Erzeu gung von Wasserdampf, sondern auch ander weitig, zum Beispiel für Beheizung von Apparaturen oder dergleichen, zu verwen den.
Neben Zinkchloridammoniakat kommen als Absorptionsmittel für vorliegende Kälte maschine noch die Ammoniakate von andern Metallhalogeniden in Frage, wie zum Bei- spiel Zinkbromid, Aluminiumchlorid, Magne- siumjodid, Kaliumbromid, Lithiumehlorid, bezw. Gemische von diesen Salzen.
Continuously working absorption chiller. The invention relates to a continuous Lich working absorption refrigerator, in which the absorbent is a liquid composed of one or more anhydrous, non-volatile salts and the liquid refrigerant. According to the invention, the temperature difference between the evaporator for the refrigerant and the absorber is 40 C or more.
The invention shows a new way to generate cold at low temperatures and cold at high Kühlwassertemperatu ren with high thermodynamic efficiency, which was previously only possible with the compression machine. The invention creates the possibility of generating cold directly from heat, even in the cases mentioned, without first having to convert it into mechanical energy.
The fact that thermal energy is easier to obtain than mechanical or electrical energy in many places shows how valuable this new path is.
The reason for the increase in the thermodynamic efficiency of the present machine can be seen from the following point of view: During the cooling process, heat at a lower temperature, namely the cold, is raised to the temperature level of the environment (cooling water temperature). This work must be done in some way. In the compression process, it is used as mechanical respectively. electrical energy, supplied in the form of heat at a higher temperature during the absorption process.
This heat is allowed to fall to the temperature of the environment (cooling water temperature) and thus, according to the second law of thermodynamics, the required energy is obtained. In order to raise a certain amount of heat by a certain amount of temperature, theoretically, in accordance with the second law, one has to allow an equal amount of heat to drop by approximately the same amount of temperature in the absorption process. So if you want z. B. raise heat from -5 to 20, theoretically only a decrease from 45 to 20 would be required.
In practice, however, the transfer of heat from one substance to the other, as is necessary with the absorption process, is tied to temperature differences. The solution (driver) must be subjected to heat at a high temperature. then. from the generated steam to the cooling water (condenser), then heat of low temperature (cooling capacity) to the refrigerant, for example ammonia (ammonia evaporator) and further the absorption heat to cooling water (absorber). If you calculate with the usual value of 10 for each transfer, you lose 40 '.
In addition there is the temperature loss caused by the difference in concentration between the poor and rich solution (difference in expulsion temperatures at the same pressure). This loss is around 20 if the liquid circulation between the driver and absorber is not to become too high.
The thermodynamic efficiency is roughly proportional to the useful temperature gradient to the total required gradient, here 25: (25 -f- 40 -I- 20) = 0.3, while it is 0.6 to <B for the compressor under the same conditions > 0.7 </B>.
If, according to the present invention, for example, low temperature cold is generated, the thermodynamic efficiency for the absorption process is more favorable, because the temperature losses remain constant and the beneficial gradient is greater, while the efficiency of the compression refrigeration machine is less favorable.
As the compression ratio increases, the losses become greater, the compressors ultimately have to be built in two and three stages, and so when generating cold of -60 this results in a value of 80: 140 = 0.57 for the absorption process and for the compression - process a value of about 0.5.
The comparison of the thermodynamic efficiencies does not, however, give the correct picture for economic efficiency if the compressor is driven by a heat engine, for example a steam engine. In this case, one also has to consider the thermal efficiency of the overall process, i.e. compare the heat consumption of both processes.
In the compression process, heat becomes mechanical respectively. electrical energy generated. The efficiency based on coal including all transmission losses is already high when it is 18%. The overall efficiency for the compression process is 0.18 X 0.7 = approx. 0.13 for slightly low temperatures and 0.18 X 0.5 = 0.09 for low temperatures.
In the absorption process, the conversion of the energy does not take place. The heat can be used with an efficiency that corresponds to the Carnotic efficiency of the supply temperature. Losses due to imperfections in the power-generating process (turbine efficiency, generator losses, etc.) are eliminated. Compared to the Carnotic efficiency, only a discount of around 20% has to be used for the imperfect heat exchange between the rich and poor solution.
For slightly low temperatures (-5) the feed temperature for the above example (cooling water temperature + used gradient) = 20, '25 + 40 -i- 20 = <B> 105 </B>, for low temperatures ( -60 # '), 20' + 80 '+ 40' + 2.0 '-1.60'.
The Carnotic efficiency is at 20 'ambient temperature for
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This results in an overall degree of efficiency with a 20% reduction and the thermodynamic degree of efficiency calculated above for slightly low temperatures (-5) - 0.22 X 0.8 X 0.3 = 0.05, for low temperatures (- 60- ') = 0.32 X 0.8 X 0.54 = 0.15.
That these considerations are not only theoretically correct, but also apply in practice, is shown by the result of a detailed calculation of an absorption chiller that works with lithium nitrate ammonia as the absorption medium for cold temperatures of -45.
This calculation was made on the basis of detailed laboratory tests on the physical properties and on the basis of tests with a test facility. Liquids consisting of anhydrous, non-volatile salts, for example superchloric acid salts of sodium and lithium or lithium nitrate and of ammonia or an amine, serve as absorption media for such refrigerating machines. Even at high temperatures of 200 'and above, these liquids only give off pure gas, since the salts themselves are non-volatile and do not decompose.
With l atabs, the liquids formed with ammonia sometimes only form solid compounds at over <B> 100 </B>.
None of the other previously known absorbents have such properties. If you use water, for example, the water evaporates with the refrigerant (usually ammonia) and you don't keep pure ammonia in the ammonia condenser, but ammonia with water. Of course, this is particularly evident when the temperature in the driver is high, as must be the case when generating cold at low temperatures. Even expensive rectal filming apparatus cannot completely eliminate this drawback.
It has therefore already been proposed to use aqueous solutions of salts, such as calcium chloride, lithium chloride and others, whose boiling point is higher than that of water, in place of the mostly used water as the absorption liquid.
This leads to an improvement, but here, too, the absorbed refrigerant cannot be released in pure form, since even highly concentrated solutions at <B> 80 '</B> still have a considerable water vapor pressure and therefore always some water vapor with the expelled cold medium goes along. <B> 80 '</B> is probably the lowest temperature that comes into consideration, for example, for driving out ammonia in an absorption refrigeration machine; it is usually much higher. In addition, the salt solutions strongly attack unalloyed iron, so that the use of expensive special materials is necessary.
The hydrocarbons also proposed are unsuitable, since they also have a boiling point that is too low and noticeably also evaporate. In addition, they decompose with prolonged use as a result of the action of the heat and give rise to encrustations on the heating surfaces.
In order to avoid these disadvantages, attempts have recently been made to use solid substances, such as active charcoal or solid salts, such as calcium arylide, instead of water or aqueous solutions for the absorption of ammonia or amines. However, you have to accept that you can no longer operate the machines continuously, but only periodically, since these solid substances cannot be pumped; you also have to install extremely large and specially designed heating surfaces, otherwise the heat transfer from the wall to the solid material is poor.
These substances can therefore only be used for intermittent work in small refrigeration machines, where the efficiency of the system is not of crucial importance.
Among the solid, anhydrous salts mentioned, which are suitable for the absorption of ammonia or other refrigerants, there are also some which, if sufficient refrigerant is allowed to be absorbed, form a liquid compound with the refrigerant at room temperature. This phenomenon is already known, but these liquids have not yet been taken into account with the exception of the liquid compounds of ammonium nitrate and ammonium thiocyanate.
However, these liquids are by no means suitable for the present refrigeration machine. They decompose at around 100, are above all explosive and form solid compounds with ammonia at around <B> 30 '</B> and 1 atabs. At higher tempera tures, as they occur when generating cold at lower temperatures, they are not usable.
Compared to all of these known adsorbents, the abovementioned lithium salts and perchlorates have a number of significant advantages. Since they are liquid during the entire process and do not become solid at all, the heat transfer during cooling and heating is always good; the heating surfaces are therefore small, and special constructions such as those used for solid materials are superfluous.
There are also these liquids. Only give pure ammonia gas at high temperatures, so the temperature in the expeller can be much higher than when using aqueous solutions. This makes it possible to make the liquid in the expeller so low in ammonia,
that even at high absorber temperatures, ammonia is still absorbed in the absorber. You can therefore either make the heating surface difference in the absorber between absorption liquid and cooling water very large and thus achieve a large cooling capacity with a small absorber cooling surface, or increase the concentration difference between the ammonia-poor and ammonia-rich liquid and thus reduce the circulating liquid quantities and the pump performance, or else the. Temperature difference between the generated cold and the
Enlarge cooling water. The absorbents mentioned are therefore particularly suitable for high cooling water tempera tures, as occurs in the tropics, and in those cases where low temperature cold is required, as is required for various industrial purposes.
Fig. 1 of the drawing shows an Ausfüh approximately example of a refrigeration machine according to the invention for generating low temperature cold.
1 is the expeller. Here, heat is supplied from the absorption liquid, for example lithium nitrate ammonia, at 12 atabs and <B> 160 '</B> ammonia vapor. It is heated by water vapor in line 2; The ammonia vapor is reflected in the condenser 3 on the water-cooled coil 4. The liquid ammonia flows through the throttle valve 5 into the ammonia evaporator 6. Here it evaporates at negative pressure, for example at 0.4 atabs at -50 and it generates cold. A cold brine flowing through the snake 7 is correspondingly cooled.
The ammonia vapor flows to the absorber 8 and is here also absorbed by liquid lithium nitrate ammonia at negative pressure. The affinity of this liquid for ammonia vapor is so great that the vapor is absorbed at a temperature of + <B> 30 '</B>. As a result of its high salt content, the liquid has a significantly lower vapor pressure than ammonia at a temperature 40 'lower, i.e. at -10, at which temperature the vapor pressure of the ammonia is still 2.9 atabs. The resulting heat is transferred through the coil 9 to the cooling water.
The ammonia-rich liquid is pumped by the pump 10 through the temperature changer 11 into the expeller 1. Here, the absorbed ammonia vapor is expelled and the low-ammonia liquid flows via line 14, the temperature changer 11 and throttle valve 12 to the absorber 8 again.
So that the ammonia-rich liquid does not boil in the temperature changer 11, the throttle valve 13 between the temperature changer 11 and the expeller 1 can be switched on, so that a higher pressure can be maintained in the temperature changer 11 than in the expeller 1 by means of this throttle valve in the temperature changer 11.
As a result of the higher pressure in the temperature changer 11, it is possible to preheat the ammonia-rich liquid to a higher temperature than would be possible with an expeller pressure without a throttle valve 13. If the temperature changer 11 is made large enough, it can be achieved that the ammonia-rich liquid almost assumes the temperature of the ammonia-poor liquid in the expeller 1.
As a result, the heat requirement for the expeller 1 is reduced and this is important because due to the large temperature difference between the evaporator 6 for the refrigerant and the absorber 8, the temperature difference between the absorber 8 and the expeller 1 is large and consequently for heating Steam with a higher voltage must be used, which is more expensive than the exhaust steam for the usual absorption chiller.
The system is shown here in a simple form. Of course, all the aids can be used to increase the output, such as, for example, pre-cooling of the liquid ammonia and the like, as are known for machines that work with ammonia and water. The known constructions for the expeller and absorber can also be used here. Rectification devices, as they are otherwise necessary for the evaporator, are, however, omitted entirely, which is of course a great advantage.
As you can see, it is easily possible, with the help of lithium nitrate ammonia, to generate cold of -50, with cooling water temperatures of -r- 20. It is also possible to generate cold of - 20 with a cooling water temperature of up to 40 using the corresponding pressures and temperatures, as is necessary in the tropics.
All of this means a significant improvement for the absorption process, the operation becomes more economical, and in many cases where previously only the use of the compression process was possible, the absorption machine can now be operated with success, and even with better economic efficiency than the compression refrigerator. This will always be the case if steam or another heat source is available as operating power, since the mechanical energy required for the compressor is then no longer generated and the heat can be used immediately.
If you use liquids such as zinc chloride ammonia to operate the refrigeration machine, you can even increase the temperature in the absorber so high that you no longer need to cool it with cooling water, but you can use the released heat to generate tensioned water vapor that can be used to generate energy or for heating. This leads to a simultaneous generation of cold and pressurized water vapor. In Fig. 2, an embodiment of such a refrigeration machine is shown.
In the expeller 1 there is, for example, molten zinc chloride diammonia cat at a temperature of about 450 and a pressure of 12 atabs. This is partly split into zinc chloride-monammoniakat and ammonia vapor by the heat of the furnace 15. The ammonia vapor with a pressure of 12 atabs and 450 ′ passes through the throttle valve 16 and the temperature changer 17, in which it cools down to about 50 ′, for example, into the condenser 3. Through the cooling coil 4 Heat is extracted from the ammonia vapor here so that it condenses.
The liquid ammonia of about <B> 30 '</B> then flows through the throttle valve 5 into the evaporator 6, where it under low pressure, for example' 3 atabs, at <B> -10 '</B> again is evaporated. The heat required for this represents the cooling capacity of the system, and it can be taken from either the heat of the surrounding area or the heat of a liquid to be cooled flowing through the heating coil 7.
Depending on the desired temperature of the cooling capacity, the pressure in the evaporator 6 will be different; the lower the pressure, the lower the temperature of the cold generated. The ammonia vapor escaping from the evaporator 6 is heated again in the temperature changer 17, corresponding to the previous cooling (for example at an evaporation temperature of -10 in the evaporator 6 it would be heated to 390) and is then fed to the absorber 8.
Here it is brought into contact with liquid zinc chloride-monammoniakat through the distributor 18, which causes the original compound (zinc chloride-diammoniakat) to regress with the development of heat. Under the given conditions, this heat development occurs at a temperature of about <B> 350 '</B>.
The liquid is fed by the pump 19; Heating coil 20 and pipeline 21 are circulated, transferring the heat released in absorber 8 to water evaporator 22 and generating strained water vapor in it, for example 100 atm.
To maintain constant Ge mixes of zinc chloride monammionacate and zinc chloride diammonate (ie constant concentrations) in the expeller 1 and in the absorber 8, both are connected to each other by a ring line. The liquid in the absorber 8 is passed through the pump 10 into the temperature changer 11 and further via the Drosselven valve 13 into the expeller 1, while at the same time a corresponding amount of liquid through the pipe 14,
the temperature changer 11 and further through the throttle valve 12 to the absorber 8 back.
Due to the overheating in the temperature changer 17, the efficiency of the system is increased considerably. Without it, the amount of heat that is withdrawn in the temperature changer 17 from the steam flowing from the expeller 1 to the condenser 3 would have to transfer to the cooling water of the condenser 3 and thus uselessly dissipated, while this amount of heat in the ab sorber 8 is now released and used to generate pressurized steam is used.
The advantage over other absorbers is that a large amount of liquid can be injected into the absorber through line 21, so that rapid absorption takes place up to the greatest possible saturation. This is particularly important for absorption under negative pressure, where large volumes of vapor are involved.
In the event that the water vapor generated in Wasserver evaporator 22 is used to generate power, but additional amounts of power are required, or that you want to compare the generation of power and cold for the purpose of load control against one another, you can use the interim throttle valve 16 and absorber 8 arranged cold-generating apparatus (3, 4, 5, 6, 7, 17) connect an ammonia steam turbine 23 in parallel, and thus let the ammonia vapor generated in the expeller 1 alternately wholly or partially operate the refrigeration system or the power plant .
It is also possible to use the heat released in the absorber 8 not only for generating steam, but also in other ways, for example for heating equipment or the like.
In addition to zinc chloride ammonia, the ammoniaates of other metal halides, such as zinc bromide, aluminum chloride, magnesium iodide, potassium bromide, lithium chloride, respectively, can also be used as absorbents for the present refrigeration machine. Mixtures of these salts.