Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage.
Diffusionsabsorptionsanlagen sind als Kleinkälteanlagen zur Verwendung in Haushaltkühlschränken seit langem bekannt. Diese Absorptionskälteanlagen wurden bezüglich ihres Wirkungsgrads entscheidend verbessert. Ein solches Aggregat ist z.B. im Schweizer Patent Nr. 475 527 ausführlich beschrieben. Diese Aggregate weisen jedoch eine relativ geringe Leistung auf. Für grosse Kälteanlagen, z.B. zur Klimatisierung oder zur Verwendung als Wärmepumpen in Heizanlagen sind sie deshalb nicht geeignet. In diesen Anlagen werden Ammoniak und Wasser als Stoffpaare eingesetzt, wobei das Wasser der absorbierende Stoff darstellt und das Ammoniak das Kältemittel. Als druckausgleichendes Hilfsgas wird in der Regel Wasserstoff oder Helium verwendet.
Verdampfer in Anlagen, die eine grosse Leistung zu erbringen haben, müssen in der Lage sein, die dafür erforderlichen grossen Mengen an Kältemittel zu verdampfen und die Verdampfungswärme aus dem zu kühlenden Medium mit möglichst geringen Verlusten zu entnehmen. Bei den bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen kleiner Leistung wird die Verdampfungswärme aus der Umgebungsluft bezogen. Bei grossen Anlagen ist das in der Regel nicht möglich oder unerwünscht, vielmehr soll die Verdampfungswärme mittels eines Sekundärsystems mit flüssigem Medium zugeführt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung zu zeigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verdampfer der eingangs erwähnten Art durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung.
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Teilansicht eines Verdampfers und
Fig. 3 eine Aufsicht auf den Verdampfer gemäss Fig. 2.
In Fig. 1 ist das Schema einer Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung dargestellt. Ein derartiges Aggregat umfasst einen Gasbrenner 1 oder eine andere Wärmequelle, einen Austreiber mit Gasblasenpumpe 2 in welchem der Kältemitteldampf ausgetrieben wird. Dieser Dampf gelangt über einen Dreifach-Wärmetauscher 2a durch eine Dampfleitung in den Kondensator 4. Hier kondensiert der Kältemitteldampf und das Kondensat fliesst durch eine Kondensatleitung in einen Verdampfer 5, wo es unter Wärmeaufnahme verdampft. Das durch die Verdampfung reich gewordene Hilfsgas strömt in einen Gaswärmetauscher 6 und kühlt das dort einströmende arme Gas ab. Das reiche Gas strömt anschliessend in einen Absorber 3, wo ein Teil des Kältemitteldampfs durch die arme Lösung absorbiert wird. Die durch den Absorptionsvorgang reich gewordene Lösung gelangt über den Dreifach-Wärmetauscher 2a in den Austreiber 2.
Das Kältemittel wird hier wie erwähnt ausgetrieben und die dadurch arm gewordene Lösung mittels der Gasblasenpumpe hochgepumpt und dadurch in die Lage versetzt, oben in den Absorber zu fliessen, wobei die arme Lösung zuvor ebenfalls durch den Dreifach-Wärmetauscher 2a geleitet wird. Der Absorber 3 und der Kondensator 4 werden durch das Medium eines Sekundärsystems durchflossen, das dort Wärme auf einem hohen Temperaturniveau aufnimmt. Der Verdampfer 5 wird durch ein Medium eines weiteren Sekundärsystems durchflossen, das ihm Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau zuführt.
In Fig. 2 wird ein Verdampfer dargestellt. Dieser Verdampfer besteht aus vier koaxial angeordneten Rohrschlangen 9 bis 12, wobei die äusserste Schlange 9 sichtbar ist und die inneren Schlangen 10 bis 12 im aufgeschnittenen Teil der Zeichnung im Querschnitt erkennbar sind. Die Fig. 3 zeigt diese koaxiale Anordnung in der Aufsicht von oben. Im innern der Rohre dieser Rohrschlangen 9 bis 12 fliesst die Flüssigkeit des Sekundärsystems, die dem Verdampfer Wärme abgibt. Die Einspeisung der Flüssigkeit des Sekundärsystems erfolgt parallel und wird am Ende der vier Rohrschlangen durch Auslässe 13 bis 16 entnommen. Ein Einlass 23 für die äusserste Rohrschlange ist in Fig. 1 sichtbar. Die Rohrschlangen 9 bis 12 befinden sich in einem zylindrischen Gehäuse 17, das im innern ein Blindrohr 18 aufweist.
Das Blindrohr 18 und das Gehäuse 17 sind oben und unten mit je einem Deckel fest verbunden, wobei das Blindrohr offen gegenüber der Umgebung ist, damit innerhalb des Blindrohrs atmosphärischer Druck herrscht. Das in der Diffusionsabsorptionswärmepumpe verwendete Hilfsgas strömt in dem durch das Blindrohr 18 und dem Gehäuse 17 gebildeten Raum entlang den äusseren Oberflächen der Rohrschlangen. Das Kältemittel, hier Ammoniak, kommt aus dem Kondensor und wird in vier Teilströme aufgegliedert, um dem Verdampfer durch Einlässe 19 bis 22 zugeführt zu werden. Diese Einlässe 19 bis 22 sind im oberen Teil des Absorbers so angeordnet, dass den Rohrschlangen durch je einen der Einlässe das Kältemittel einzeln zugeführt wird (Fig. 3).
Die Rohre der Rohrschlangen 9 bis 12 weisen einen flachovalen Querschnitt auf. Dieser ist im aufgeschnittenen Teil der Fig. 2 ersichtlich. Diese Querschnittsform weist gegenüber den sonst üblichen kreisrunden Querschnitten in mehrfacher Hinsicht erhebliche Vorteile auf. Zum einen wird nämlich der Wärmeübergang der Flüssigkeit des Sekundärsystems durch den Formfaktor ganz erheblich verbessert. Der Wärmeübergang wird um so besser, je flacher das Rohrprofil ist. Eine Verflachung des Rohrprofils vergrössert aber auch den Druckverlust, der beim Durchströmen der Flüssigkeit im innern der Rohre entsteht. Es hat sich gezeigt, dass ein Profil mit einer inneren lichten Weite von 4 mm bezüglich Wärmeübergangsverbesserung noch vertretbarem Druckverlust am günstigsten ist.
Das flache Profil der Rohrschlangen wirkt sich zum anderen aber auch günstig aus für die gleichmässige Verteilung des Kältemittels über die ganze Rohroberfläche, ein Erfordernis, das für einen leistungsfähigen Verdampfer erfüllt werden muss. Das aus dem Absorber stammende arme Hilfsgas gelangt durch einen Gaswärmetauscher in den oberen Teil des Verdampfers und wird durch das verdampfende Ammoniak aufgeladen. Die durch den Verdampfungsvorgang benötigte Wärmeenergie wird dem Medium des Sekundärsystems entnommen. Die hier dargestellte Diffusionsabsorptionswärmepumpe weist wärmeseits eine Leistung von ca. 3 Kilowatt auf, wobei ca. 1 Kilowatt aus der Verdampfungsleistung des Verdampfers stammt.
Um eine derart hohe Leistung zu erzielen, ist es erforderlich, dass im Verdampfer eine grosse Oberfläche mit Kältemittel benetzt wird, damit dem Medium des Sekundärsystems ausreichend Wärmeenergie entzogen werden kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Fläche durch vier konzentrisch angeordnete Rohrschlangen zur Verfügung gestellt. Damit die Verdampfung gleichmässig über dem ganzen Oberflächenbereich stattfinden kann, ist es notwendig, dass jede Stelle der Rohroberflächen kontinuier lich mit Ammoniak versorgt wird. Dazu dienen im wesentlichen zwei Massnahmen. Zum einen sind die einzelnen Windungen der Rohrschlangen im Abstand zueinander angeordnet, wie dies aus Fig. 2 entnommen werden kann.
In dem durch diesen Abstand gebildeten Spalt kann sich das Ammoniak infolge seiner Oberflächenspannung sammeln und spiralförmig nach unten fliessen, wobei kontinuierlich ein Teil des Kältemittels immer wieder über die Rohrfläche praktisch senkrecht nach unten verteilt wird und sich in dem durch den nächsten Spiralgang gebildeten Spalt mit dem dort vorhandenen Kältemittel wieder vermischt. Die oberste Windung jeder Rohrschlange weist einen erhöhten Abstand auf und bildet demnach einen grösseren Spalt. Dies gewährleistet, dass das durch die Einlässe 19-22 eintretende Ammoniak sehr schnell den ganzen radialen Umfang einer Rohrschlange benetzt. Zum andern hat die Oberfläche der Rohrschlangen so beschaffen zu sein, dass eine gleichmässige Benetzung zustande kommt. Im Ausführungsbeispiel wird das dadurch erreicht, dass die Rohre mit einem randrierungsähnlichen Kreuzprofil versehen sind.
Bei diesem Profil ist darauf zu achten, dass die einzelnen Einkerbungen durchgehend sind und bei den Kreuzungen mit den quer dazu verlaufenden Kerbungen nicht verschlossen werden. Dies gewährleistet eine ausserordentlich gute Benetzung der ganzen Rohroberflächen mit einer dünnen Kältemittelschicht. Zudem vergrössert diese Randrierung die Oberfläche der Rohre. Das Ammoniak wird auf der Rohroberfläche gleichsam verwirbelt.
Die Rohroberfläche kann auch anders als randriert beschaffen sein, entscheidend ist ihre Kapillarwirksamkeit. So können beispielsweise die Rohre mit eng gelegten spiralig um die Rohre verlaufende Kerben versehen werden.
Der Abstand zwischen den konzentrisch angeordneten Rohrspiralen ist möglichst klein zu halten. Ebenso der Abstand zwischen der äussersten Rohrschlange und dem zylindrischen Gehäuse 17 und der innersten Rohrschlange und dem Blindrohr 18. Denn die durch diese Abstände gebildeten Spälte werden durch das arme Hilfsgas durchströmt. Je kleiner dieser Raum ist, desto effektiver erfolgt die Diffusion des Ammoniaks in das Gas (Fig. 2). Allerdings dürfen diese Zwischenräume nicht beliebig klein sein, da sonst für das durchströmende Hilfsgas ein zu grosser Druckverlust entstehen würde, der eine hinreichende Zirkulation des Hilfsgases im Gesamtsystem verhindern würde. Das im innern des Verdampfers angeordnete Blindrohr 18 hat aber nicht nur die Aufgabe, einen für eine leistungsfähige Diffusions notwendigen geringen Spalt zu bilden, es reduziert auch das unter Druck stehende Volumen.
Dies ist für die Sicherheit des Apparats von entscheidender Bedeutung (Kesselformel).
Die Rohrschlangen 13 bis 16 besitzen infolge ihrer konzentrischen Anordnung verschieden grosse Durchmesser, dadurch wird auch die Rohroberfläche der einzelnen Schlangen unterschiedlich gross. Es muss also dafür gesorgt werden, dass die einzelnen Rohrschlangen ihrer Oberfläche entsprechend mit verschieden grossen Mengen von Ammoniak gespeist werden. Eine Verteilervorrichtung die zwischen Kondensator und Verdampfer geschaltet ist, nimmt diese Aufteilung in vier unterschiedliche Teilströme des Ammoniaks vor. Mit dem am Ausführungsbeispiel dargestellten Verdampfer wird es möglich, Diffusionsabsorptionswärmeanlagen mit ausreichend grossen Leistungen herzustellen, die in der Lage sind, als Wärmepumpen in Heizanlagen oder zum Zwecke der Klimatisierung Verwendung zu finden.
The present invention relates to an evaporator for a diffusion absorption system.
Diffusion absorption systems have long been known as small refrigeration systems for use in household refrigerators. These absorption refrigeration systems have been significantly improved in terms of their efficiency. Such an aggregate is e.g. described in detail in Swiss Patent No. 475,527. However, these units have a relatively low performance. For large refrigeration systems, e.g. they are therefore not suitable for air conditioning or for use as heat pumps in heating systems. In these systems, ammonia and water are used as substance pairs, the water being the absorbent substance and the ammonia the refrigerant. Hydrogen or helium is generally used as the pressure-equalizing auxiliary gas.
Evaporators in systems that have a high output must be able to evaporate the large amounts of refrigerant required for this and to extract the heat of vaporization from the medium to be cooled with as little loss as possible. In the known diffusion absorption systems of low power, the heat of vaporization is obtained from the ambient air. In large systems, this is generally not possible or undesirable; rather, the heat of vaporization should be supplied using a secondary system with a liquid medium.
The aim of the present invention is therefore to show an evaporator for a diffusion absorption system of high performance.
This object is achieved in an evaporator of the type mentioned by the characterizing part of claim 1.
An exemplary embodiment of the invention is explained below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 is a schematic representation of a diffusion absorption system of high performance.
Fig. 2 is a partially cutaway partial view of an evaporator and
3 is a plan view of the evaporator according to FIG. 2.
In Fig. 1 the diagram of a diffusion absorption system of high performance is shown. Such a unit comprises a gas burner 1 or another heat source, an expeller with a gas bubble pump 2 in which the refrigerant vapor is expelled. This steam reaches a condenser 4 via a triple heat exchanger 2a through a steam line. Here, the refrigerant vapor condenses and the condensate flows through a condensate line into an evaporator 5, where it evaporates while absorbing heat. The auxiliary gas, which has become rich through the evaporation, flows into a gas heat exchanger 6 and cools the poor gas flowing in there. The rich gas then flows into an absorber 3, where part of the refrigerant vapor is absorbed by the poor solution. The solution that has become rich through the absorption process reaches the expeller 2 via the triple heat exchanger 2a.
The refrigerant is expelled here, as mentioned, and the solution that has become poor is pumped up by means of the gas bubble pump, thereby being able to flow into the absorber at the top, the poor solution also being passed through the triple heat exchanger 2a beforehand. The absorber 3 and the condenser 4 are flowed through by the medium of a secondary system, which absorbs heat at a high temperature level there. The evaporator 5 is flowed through by a medium of a further secondary system, which supplies it with heat at a low temperature level.
An evaporator is shown in FIG. This evaporator consists of four coaxially arranged coils 9 to 12, the outermost coil 9 being visible and the inner coils 10 to 12 being recognizable in cross section in the cut-open part of the drawing. 3 shows this coaxial arrangement in a top view. Inside the tubes of these coils 9 to 12, the liquid of the secondary system flows, which gives off heat to the evaporator. The liquid of the secondary system is fed in parallel and is removed at the end of the four coils through outlets 13 to 16. An inlet 23 for the outermost coil is visible in FIG. 1. The coils 9 to 12 are located in a cylindrical housing 17 which has a blind tube 18 inside.
The dummy tube 18 and the housing 17 are firmly connected at the top and bottom, each with a cover, the dummy tube being open to the environment, so that atmospheric pressure prevails inside the dummy tube. The auxiliary gas used in the diffusion absorption heat pump flows in the space formed by the dummy pipe 18 and the casing 17 along the outer surfaces of the coils. The refrigerant, here ammonia, comes from the condenser and is divided into four partial flows in order to be fed to the evaporator through inlets 19 to 22. These inlets 19 to 22 are arranged in the upper part of the absorber such that the refrigerant is fed individually to the coils through one of the inlets in each case (FIG. 3).
The tubes of the coils 9 to 12 have a flat oval cross section. This can be seen in the cut-open part of FIG. 2. This cross-sectional shape has considerable advantages over the otherwise customary circular cross-sections in several respects. On the one hand, the heat transfer of the liquid of the secondary system is considerably improved by the form factor. The flatter the pipe profile, the better the heat transfer. A flattening of the pipe profile also increases the pressure loss that occurs when the liquid flows through inside the pipes. It has been shown that a profile with an internal clear width of 4 mm is the cheapest in terms of improving the heat transfer, and a reasonable pressure loss.
On the other hand, the flat profile of the coils also has a favorable effect on the even distribution of the refrigerant over the entire pipe surface, a requirement that must be met for an efficient evaporator. The poor auxiliary gas coming from the absorber passes through a gas heat exchanger into the upper part of the evaporator and is charged by the evaporating ammonia. The thermal energy required by the evaporation process is taken from the medium of the secondary system. The diffusion absorption heat pump shown here has an output of approx. 3 kilowatts on the heat side, approx. 1 kilowatt deriving from the evaporation capacity of the evaporator.
To achieve such high performance, it is necessary that a large surface in the evaporator is wetted with refrigerant so that sufficient heat energy can be extracted from the medium of the secondary system. In the exemplary embodiment described, this area is made available by four concentrically arranged coils. So that the evaporation can take place evenly over the entire surface area, it is necessary that every point of the pipe surface is continuously supplied with ammonia. There are two main measures for this. On the one hand, the individual turns of the coils are arranged at a distance from one another, as can be seen from FIG. 2.
In the gap formed by this distance, the ammonia can collect due to its surface tension and flow downwards in a spiral, with part of the refrigerant being continuously distributed downwards over the pipe surface practically vertically and in the gap formed by the next spiral passage with the existing refrigerant mixed again. The uppermost turn of each coil has an increased distance and therefore forms a larger gap. This ensures that the ammonia entering through the inlets 19-22 very quickly wets the entire radial circumference of a coil. On the other hand, the surface of the coils has to be such that uniform wetting is achieved. In the exemplary embodiment, this is achieved in that the tubes are provided with a cross profile that resembles a border.
With this profile, it must be ensured that the individual notches are continuous and are not closed at the crossings with the notches running transversely to them. This ensures extremely good wetting of the entire pipe surface with a thin layer of refrigerant. This bordering also increases the surface of the pipes. The ammonia is swirled as it were on the pipe surface.
The surface of the pipe can also be different from that of a rim, the decisive factor is its capillary effectiveness. For example, the tubes can be provided with tightly laid notches running spirally around the tubes.
The distance between the concentrically arranged pipe spirals should be kept as small as possible. Likewise, the distance between the outermost pipe coil and the cylindrical housing 17 and the innermost pipe coil and the blind pipe 18. Because the gaps formed by these distances are flowed through by the poor auxiliary gas. The smaller this space is, the more effectively the ammonia diffuses into the gas (FIG. 2). However, these gaps must not be arbitrarily small, since otherwise the pressure drop for the auxiliary gas flowing through would result in too great a pressure loss, which would prevent sufficient circulation of the auxiliary gas in the overall system. The blind tube 18 arranged inside the evaporator not only has the task of forming a small gap necessary for efficient diffusion, it also reduces the volume under pressure.
This is of crucial importance for the safety of the apparatus (boiler formula).
Due to their concentric arrangement, the coils 13 to 16 have diameters of different sizes, which means that the tube surface of the individual coils also has different sizes. It must therefore be ensured that the individual coils are fed with different amounts of ammonia according to their surface. A distributor device, which is connected between the condenser and the evaporator, makes this division into four different partial flows of the ammonia. With the evaporator shown in the exemplary embodiment, it becomes possible to manufacture diffusion absorption heating systems with sufficiently high outputs, which are able to be used as heat pumps in heating systems or for the purpose of air conditioning.