DE102004056484A1

DE102004056484A1 - Kälteerzeugung für Temperaturen unter 0°C im Absorptionskälteverfahren mit hoher Auskühlung des Wärmeträgers

Info

Publication number: DE102004056484A1
Application number: DE102004056484A
Authority: DE
Inventors: Hans Foerster
Original assignee: Forster Hans Dr Ing
Current assignee: Forster Hans Dr Ing
Priority date: 2004-11-23
Filing date: 2004-11-23
Publication date: 2006-05-24

Abstract

Das Verfahren ist vorteilhaft anwendbar für die Kälteerzeugung unter 0 DEG C mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak und Wasser, wenn der Wärmeträger stark unter 100 DEG C ausgekühlt werden soll. Diese Forderung besteht, wenn die Wärmeversorgung der AKA durch ein BHKW erfolgt, bei dem nicht nur die Abgaswärme, sondern auch die Motorwärme zu nutzen ist oder wenn die AKA solar beheizt wird bzw. mit Brüdenwärme beheizt werden soll. DOLLAR A Aufgabe ist es, den klassischen einstufigen Prozess so zu modifizieren, dass die Kosten der Anlage nur in bescheidenem Maße über denen der einstufigen Anlage liegen. DOLLAR A Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass nach der Lösungspumpe 3 ein Lösungskreislauf, bestehend aus Mitteldruckdesorber 7, Resorber 10, Resorbatsammler 12, Temperaturwechsler 6 und Resorbatpumpe 13, zwischengeschaltet wird, wobei die Gleichdruckbehälter 7, 10 und 12 zu einer gemeinsamen Druckhülle einer Kompakteinheit 16 zusammengefasst werden können. Als hauptsächlich wirksame Maßnahme ist das Auftrennen der reichen Lösung 1 in zwei Teilströme zum Mitteldruckdesorber 7 und zum Resorber 10 zu nennen. Durch diese Maßnahme vermindert sich die Lösungsmenge für den Hauptdesorber 14, nimmt die Konzentration im Resorber 10 und im Hauptdesorber 14 zu, ergibt sich eine Auskühlung des Wärmeträgers weit unter 100 DEG C und vergrößert sich die Menge an armer Lösung 15 durch den Anteil 9, die beide dem Absorber 2 zugeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Kälteerzeugung mit Temperaturen unter 0 °C nach dem Sorptionsprinzip unter Verwendung eines absorbierbaren tiefsiedenden Stoffes wie Ammoniak oder Methylamin als Kältemittel und einer Lösung aus absorbierbarem Kältemittel und Wasser als Absorptionsmittel, bei dem das Verfahren mit dem Ziel der Auskühlung des Wärmeträgers in einem großen Temperaturbereich bis weit unter 100 °C modifiziert ist. Anwendbar ist das erfindungsgemäße Verfahren und die angegebene Einrichtung zur Nutzung sowohl der Abgaswärme als auch der Motorwärme von Blockheizkraftwerken (BHKW) sowie von Solarwärme für die Kälteerzeugung, aber auch für die Nutzung von Brüdenabwärme in Brauereien als sekundäre Wärmequelle von Absorptionskälteanlagen.

Das einstufige Verfahren dominiert bei Absorptionskälteanlagen in der Wirtschaft, weil es die geringsten Anschaffungskosten aller Modifikationen von Absorptionskälteanlagen erfordert. Einstufig bedeutet:

– nur einen Desorber
– nur einen Absorber.

Der Nachteil dieser Einfachheit liegt in der Beschränkung des Konzentrations- und damit des Temperaturintervalls bei der Desorption und Absorption. Diese prozessinternen Temperaturbedingungen wirken sich auch prozessextern dadurch aus, dass die Auskühlung eines vertügbaren Wärmeträgers für die Wärmeversorgung des Prozesses starken Einschränkungen unterliegt. Für das Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser liegt die Desorptionsanfangstemperatur bei einstufigen Absorptionskälteanlagen (AKA) in der Regel über 100 °C und das um so mehr, je niedriger die Temperatur im Verdampfer vorgegeben ist. Die Desorptionsanfangstermperatur t_DA begrenzt damit auch die Auskühlung des verfügbaren Wärmeträgers. Die Rücklauftemperatur des Wärmeträgers t_R beträgt tR ≅ tDA + 10K und ist also immer höher als die Desorptionsanfangstemperatur der Desorption. Die Auskühlung des Wärmeträgers ist also auf Temperaturen zwischen 110 °C bis 140 °C beschränkt, je nach vorgegebener Verdampfungstemperatur, d.h. bei BHKW kann nur die Abgaswärme nutzbar gemacht werden, nicht die Motorwärme.

Bei Solaranlagen ist die Verwendung des preiswerten Baustoffes Glas eine fundamentale Voraussetzung und beschränkt damit den Druck und sogleich die Vorlauftemperatur im Wärmeträger. Für den Einsatz der Absorptionskältetechnik zur Nutzung von Solarwärme bedeutet dies, dass einstufige AKA mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak und Wasser nicht anwendbar sind.

Bei Brauereien ergibt sich der Fall, dass die anfallende Brüdendampf-Wärme mit Temperaturen < 100 °C nicht zur Kälteerzeugung im Brauprozess eingesetzt werden kann. Es gibt viele thermische Verfahren, in denen Wärme ≤ 100 °C anfällt. Für diese gilt analog das gleiche.

Zur Behebung dieses Mangels sind mehrstufige AKA verwendbar, allerdings mit der Folge, dass die Anschaffungskosten erheblich zunehmen.

Bekannt sind AKA mit zweistufiger Desorption und einstufiger Verdampfung. Bei dieser Modifikation werden zwei komplette Lösungskreisläufe in Reihe geschaltet. Der Hochdruckkreislauf arbeitet bei hohem Konzentrationsniveau der Lösung, so dass eine Desorption mit Abwärme < 100 °C möglich ist und eine Kondensation der Kältemitteldämpfe bei den bekannten, durch die Außentemperatur gegebenen Drücken gelingt. Der Niederdruckkreislauf der Lösung arbeitet bei niedrigem Konzentrationsniveau der Lösung, so dass im Absorber die Verflüssigung der Dämpfe bei niedrigem Verdampferdruck realisierbar ist. Wegen der Bedingung geringer Wärmeträgertemperatur muss die im Absorber gewonnene reiche Lösung bei einem mittleren Druck desorbiert werden. Die entstehenden Kältemitteldämpfe können aber bei diesem mittleren Druck nicht kondensiert werden. Deshalb werden diese Dämpfe bei mittlerem Druck von der armen Lösung des Hochdrucklösungskreislaufes absorbiert. Dieser Apparat des Hochdruckkreislaufes wird daher auch als Resorber bezeichnet. Der Investitionsaufwand einer solchen zweistufigen Anlage ist erheblich und die Dämpfe werden in zwei Stufen desorbiert. Der Wärmebedarf ist daher fast doppelt so hoch wie bei einer einstufigen AKA. Eine hohe Auskühlung des verfügbaren Wärmeträgers bis auf Rücklauftemperaturen von t_R = 70 ... 80 °C ist aber gegeben.

Es ist ferner bekannt, dass man durch zwei oder mehr Verdampfungsstufen mit zugeordneten Absorptionsstufen die reiche Lösung stufenweise in ihrer Konzentration erhöht. Diese hohe Aufsättigung der reichen Lösung durch stufenweise Absorption von Kältemitteldämpfen sichert eine Desorptionsanfangstemperatur unter 100 °C, z.B. 70 °C, d.h. der Wärmeträger kann bis ca. 80 °C ausgekühlt werden. Dieses Verfahren ist als einstufig (nur eine Desorption) mit z.B. zwei Verdampfungs- und zwei Absorptionsstufen zu bezeichnen. Liegen die Temperaturniveaus der beiden Verdampfungsstufen weit auseinander, dann ist dieses Verfahren äußerst effektiv. Man kann gleichzeitig eine Vor- und eine Nachkühlung eines Kälteträgers vornehmen oder zwei verschiedene Kälteverbraucher bedienen, z.B. Klimakälte bei +5 °C und Tieftemperaturkälte bei –25 °C Verdampfungstemperatur. Der Nachteil dieser Modifikation einer einstufigen AKA besteht darin, dass man gleichzeitig zwei Kälteverbraucher mit verschiedenen Temperaturniveaus oder einem Kältebedarf mit einem breiten Abkühlbereich benötigt. Das ist in der Praxis nicht sehr häufig.

Gesucht wird ein Verfahren zur absorptiven Kälteerzeugung mit dem Arbeitsstoffpaar Ammoniak-Wasser oder einem anderen Arbeitsstoffpaar, das Verdampfungstemperaturen unter 0 °C zulässt, mit einstufiger Desorption und einstufiger Verdampfung arbeitet und eine Auskühlung des Wärmeträgers weit unter 100 °C, z.B. 70 °C, zulässt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe verfahrenstechnisch dadurch gelöst, dass die reiche Lösung 1 aus dem Absorber 2 des Grundprozesses nach der Lösungspumpe 3 in zwei Teilströme 4, 5 aufgeteilt wird, wobei der eine Teilstrom 4 über den Temperaturwechsler 6 vorgewärmt und im Mitteldruckdesorber 7 thermisch in Kältemitteldampf 8 und arme Lösung 9 getrennt wird, der andere Teilstrom 5 als Absorptionsmittel für die Kältemitteldämpfe 8 des Mitteldruckdesorbers 7 in den Resorber 10 eingebracht und das entstehende Resorbat 11 aus dem Resorbatsammler 12 und die Resorbatpumpe 13 in den Hauptdesorber 14 des Grundprozesses gefördert wird, während die arme Lösung 9 aus dem Mitteldruckdesorber 7 in den Absorber 2 als zusätzliches Absorptionsmittel zurückentspannt wird.

Erfindungsgemäß wird weiter eine Einrichtung angegeben, mit der das vorgeschlagene Verfahren in besonders vorteilhafter Weise realisiert werden kann. Dazu werden die 3 Druckgefäße Mitteldruckdesorber 7, Resorber 10 und Resorbatsammler 12 zu einer Kompakteinheit 16 mit Zonen gleichen Druckes zusammengefasst. Durch eine bevorzugt doppelwandige Sperre 17, die den oberen Bereich des kombinierten Apparates als Überströmbereich 18 freilässt, werden der Desorptionsteil 7 und der Resorptionsteil 10 getrennt, aber ein Dampfübertritt zum Überströmen der desorbierten Dämpfe vom Mitteldruckdesorber 7 zum Resorber 10 zugelassen, in den Kühlrohre 19 zum Kühlen des Dampfes 8 eingebaut sein können.

Die Erfindung wird anhand von drei schematischen Zeichnungen erläutert.
Davon zeigen:
1 das Verfahrensschema zum Gesamtprozess
2 den Verlauf des Gesamtprozesses im Nesselmann-Igp-1/T-Diagramm für die flüssigen Lösungen
3 die bevorzugte Gestaltung der Einrichtung zur Realisierung des innovativen Teils des erfindungsgemäßen Verfahrens
Beschreibung des Gesamtprozesses gemäß 1
Der einstufige Grundprozess besteht aus dem Hauptdesorber 14 mit Rektifikator, dem Absorber 2 mit Lösungssammler 26, dem Verdampfer 20, dem Temperaturwechsler 21 für die Wärmeübertragung zwischen Resorbat 11 und armer Lösung 15, dem Nachkühler 22 für das flüssige Kältemittel durch Überhitzung der Kaltdämpfe, der Lösungspumpe 3, dem Verflüssiger 24 und dem Kältemittelsammler 25.
Der Überlagerungskreislauf besteht aus dem Mitteldruckdesorber 7, dem Resorber 10 mit Resorbersammler 12, dem Temperaturwechsler 6 für die Wärmeübertragung bei konstanter Konzentration der jeweiligen Lösung und der Resorbatpumpe 13.
Die Kopplung von Grund- und Überlagerungskreislauf erfolgt zwischen der Lösungspumpe 3 am Absorber und der Resorbatpumpe 13 des Resorbers 10. Koppelstellen gibt es ferner für die arme Lösung 9 aus dem Mitteldruckdesorber 7 am Absorber 2 und für den Wärmeträger 23 zwischen Haupt- 14 und Mitteldruckdesorber 7.
Die Beschreibung des Überlagerungskreislaufes erfolgt ebenfalls nach 1.
Die erreichbaren Temperaturen und die verwendbaren Drücke werden anhand eines willkürlich gewählten Beispiels nach 2 beurteilt, wobei angenommen wird, dass der Wärmeträger als Heißwasser mit 130 °C zur Verfügung steht, dass die Verdampfungstemperatur mit –15 °C (2,37 bar a) gefordert und der Mitteldruck mit 5 bar (a) sinnvoll gewählt ist.
Die reiche Lösung 1, vom Absorber 2 über die Lösungspumpe 3 kommend, wird in 2 Teilströme unterteilt. Ein Teilstrom 5 wird unmittelbar als Absorptionsmittel zum Resorber 10 geleitet, der verbleibende Teilstrom 4 wird in einem Temperaturwechsler 6 vorgewärmt und in einem Mitteldruckdesorber 7 desorbiert. Die arme Lösung 9 aus dem Mitteldruckdesorber 7 gibt prozessintern im Temperaturwechsler 6 Wärme an den Teilstrom 4 der reichen Lösung ab und wird als Absorptionsmittel zusätzlich zur armen Lösung 15 aus dem Hauptdesorber 14 in den Absorber 2 hinein entspannt. Die im Mitteldruckdesorber 7 freigesetzten Kältemitteldämpfe 8 werden in den Resorber 10 eingeleitet und dort resorbiert. Im Resorber 10 wird ein hochaufgesättigtes Resorbat 11 erzeugt, das über den Resorbatsammler 12 und die Resorbatpumpe 13 zum Hauptdesorber 14 geleitet wird.
Die Ergebnisse dieser Prozessführung für das gewählte Beispiel stellen sich nach 2 wie folgt dar: Hauptdesorber 14

Desorptionsendtemperatur 120 °C

Konzentration arme Lösung 27,5 Ma-%
Desorptionsanfangstemperatur t_DA/Wärmeträgerrücklauftemperatur t_R
Absorber 2

Absorptionsanfangstemperatur für arme Lösung vom Hauptdesorber 14 56 °C

arme Lösung vom Mitteldesorber 7 47,5 °C

Konzentration der reichen Lösung am Absorptionsende 38,5 Ma-%

(gilt gleichzeitig für Desorptionsanfang Mitteldruckdesorber und Resorptionsanfang)

Mitteldruckdesorber 7 Desorptionsanfangstemperatur t_DA/Wärmeträgerrücklauftemperatur t_R
Resorber 10

Konzentration des Resorbates 11 52 Ma-%
Kommentar
Der Wärmeträger kann durch Reihenschaltung von Hauptdesorber 14 und Mitteldruckdesorber 7 von 130 °C auf 68 °C abgekühlt werden. Ohne Überlagerungskreislauf nur von 130 °C auf 107 °C!
Die hohe Auskühlung des Wärmeträgers auf 68 °C erfordert Mehrkosten durch zusätzliche Ausrüstungen. Nach 3 können diese Mehrkosten durch Zusammenfassung von Mitteldruckdesorber 7, Resorber 10 und Resorbatsammler 12 zu einer Kompakteinheit 16 begrenzt werden.

1: reiche Lösung
2: Absorber
3: Lösungspumpe
4: Teilstrom 1 reiche Lösung
5: Teilstrom 2 reiche Lösung
6: Temperaturwechsler (Mitteldruck)
7: Mitteldruckdesorber
8: Kältemitteldampf (Mitteldruck)
9: arme Lösung (Mitteldruck)
10: Resorber
11: Resorbat
12: Resorbatsammler
13: Resorbatpumpe
14: Hauptdesorber
15: arme Lösung (Hochdruck)
16: Kompakteinheit
17: doppelwandige Sperre
18: Überströmbereich
19: Kühlrohre
20: Verdampfer
21: Temperaturwechsler (Hochdruck)
22: Nachkühler
23: Wärmeträger
24: Verflüssiger
25: Kältemittelsammler
26: Lösungssammler

Claims

Verfahren zur Kälteerzeugung für Temperaturen unter 0 °C unter Verwendung eines absorbierbaren tiefsiedenden Flüssiggases wie Ammoniak oder Methylamin als Kältemittel und einer Lösung aus dem gleichen Kältemittel mit Wasser als Absorptionsmittel, bei dem das Verfahren mit dem Ziel der Auskühlung des Wärmeträgers in einem großen Temperaturbereich bis weit unter 100 °C modifiziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die reiche Lösung 1 aus dem Absorber 2 des Grundprozesses nach der Lösungspumpe 3 in zwei Teilströme 4, 5 aufgeteilt wird, wobei der eine Teilstrom 4 über den Temperaturwechsler 6 vorgewärmt und im Mitteldruckdesorber 7 thermisch in Kältemitteldampf 8 und arme Lösung 9 getrennt wird, der andere Teilstrom 5 der reichen Lösung als Absorptionsmittel für den Kältemitteldampf 8 in den Resorber 10 geführt und das entstehende Resorbat 11 aus dem Resorbatsammler 12 als hochaufgesättigte reiche Lösung mithilfe der Resorbatpumpe 13 zum Hauptdesorber 14 gefördert wird, während die im Mitteldruckdesorber 7 erzeugte arme Lösung 9 im Temperaturwechsler 6 prozessinterne Wärme an den Teilstrom der reichen Lösung 4 abgibt und danach als Absorptionsmittel zusätzlich zur armen Lösung 15 aus dem Hauptdesorber 14 in den Absorber 2 hinein entspannt wird und die Kapazität des Absorbers 2 erhöht.
Einrichtung zur Realisierung des Verfahrens zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die 3 Druckapparate des Verfahrens Mitteldruckdesorber 7, Resorber 10 und Resorbatsammler 12 zu einer Kompaktheit 16 mit Zonen gleichen Drucks zusammengefasst sind, wobei Mitteldruckdesorber 7 und Resorber 10 durch eine bevorzugt doppelwandige Sperre 17 getrennt, aber über den oben offenen Überströmbereich 18 der Kompakteinheit 16 für die Überleitung des Kältemitteldampfes 8 zum Resorber 10 miteinander verbunden sind.