DE102007062343B4

DE102007062343B4 - Verfahren und Anordnung zur Kälteerzeugung nach einem Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteprozess

Info

Publication number: DE102007062343B4
Application number: DE102007062343A
Authority: DE
Inventors: Lutz Richter; Mathias Dr. Safarik
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2007-12-22
Filing date: 2007-12-22
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2027-12-23
Also published as: DE102007062343A1

Abstract

Verfahren zur Kälteerzeugung mit einem Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteprozess bei dem Wasserdampf in einem Absorber (1) bei Niederdruck von einer wässrigen Lithiumbromid-Lösung absorbiert wird, danach auf Hochdruck gepumpt und in einem Ausgaser (2) unter Wärmezufuhr auf hohem Temperaturniveau aus der Lösung ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgetriebene Wasserdampf in einen Kondensator (9) geleitet wird, hier kondensiert und anschließend das kondensierte Wasser dem Desorber-Lösungsmittelkreislauf zugeführt und dort durch Mischabsorption aufgenommen wird, wobei die Lithiumbromid-Lösung im Kälteteil nur durch den Desorber (6) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung nach einem Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteprozess, mit dem Kühltemperaturen um und unter 0°C erreicht werden können, der sich zudem dadurch auszeichnet, dass die Drucklage unabhängig von der Ruhekonzentration der Lösung. Für die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens wird weder ein Lösungswärmeübertrager im Resorptionskreis noch ein berieselter Wärmeübertrager im Hochdruck (Absorber) benötigt. Nach einer einfachen Umrüstung können beliebige Absorptionskälteanlagen für das Verfahren verwendet werden. Die Anwendung der Erfindung bietet sich v. a. im Lebensmittelbereich an.
Absorptionskälteanlagen sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Im Gegensatz zu den mit Kompressoren betrieben Kälteanlagen wird bei den Absorptionskälteanlagen das Kältemittel in einem Lösungsmittel absorbiert und auf Hochdruck gepumpt. Durch Wärmezufuhr wird bei hoher Temperatur und großem Druck das Kältemittel in einem so genannten Ausgaser ausgedampft. Auf der Hochseite erfolgt, analog zu den Kompressorkälteanlagen, zuerst eine Kondensation und anschließend auf der Niederdruckseite nach Druckabsenkung eine Verdampfung des Kältemittels. Bei Absorptionskälteanlagen wird die primäre, d. h. die zur Kühlung benötigte Energie allein durch die Zufuhr von Wärmeenergie bereitgestellt. Abhängig von den verwendeten Kälte- und Lösungsmitteln muss ggf. noch eine kleine Menge an elektrischer bzw. mechanischer Energie für den Betrieb von Umwälzpumpen zugeführt werden, die zur Überwindung von inneren Reibungen und der Lösungsdruckerhöhung benötigt wird.
Ebenfalls sind Resorptionskälteanlagen bekannt, deren Absorptionskreislauf genauso aufgebaut ist wie der von Absorptionskälteanlagen. Nach dem Verdampfen des Kältemittels im Ausgaser wird hier jedoch der Kältemitteldampf nicht kondensiert, sondern durch einen weiteren Lösungskreislauf erneut bei hohem Druck absorbiert (der Vorgang wird als Resorption bezeichnet), auf Niederdruck entspannt und in einem Desorber, durch Wärmezufuhr auf niedrigem Temperaturniveau ausgetrieben. Diese Wärmezufuhr entspricht der Kühlung des Gegenstands bzw. der Umgebung, von dem bzw. aus der die Wärme abgeführt wird. Der Kältemitteldampf wird anschließend wieder dem Absorber des Absorptionskreislaufs zugeführt und der Kreislauf beginnt von Neuem. In Resorptionskälteanlagen sind also gegenüber den Absorptionskälteanlagen der Kondensator durch den Hochdruckabsorber und der Verdampfer durch den Desorber (Niederdruckgenerator) ersetzt.
Für Absorptions- und Resorptionskälteanlagen werden vorwiegend die Lösungs-Kältemittel-Kombinationen Wasser und Ammoniak bzw. wässerige Lithiumbromidlösung und Wasser eingesetzt. Die Kombination Wasser/Ammoniak wird vorwiegend in Anlagen für Prozesskälte verwendet, da mit dieser niedrigere Temperaturen erreicht werden können und im Kreisprozess vergleichsweise hohe Drücke auftreten. Hingegen wird die Kombination Lithiumbromidlösung/Wasser üblicherweise in der Haustechnik zur Klimakälteerzeugung verwendet, da Lithiumbromid und Wasser im Gegensatz zu Ammoniak ungiftig sind und außerdem im Kühlkreisprozess niedrigere, ungefährliche Drucke auftreten.
Zur Lagerung von Lebensmitteln sollten einerseits aus Gründen der Sicherheit und Ökonomie Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteanlagen verwendet, andererseits jedoch Temperaturen knapp unter 0°C erreicht werden. Dies ist mit herkömmlichen H₂O/LiBr-Absorptionskälteanlagen nicht möglich, da das als Kältemittel verwendete Wasser bei 0° gefriert. Nachteilig an konventionellen Resorptionskälteanlagen ist, dass beim Resorptionsprozess die Drucklage von der Ruhekonzentration der Lösung abhängig ist. Hinzukommt, dass in derartigen Anlagen vergleichsweise aufwändige Bauteile wie Lösungswärmeübertrager in den Resorptionskreisen und berieselte Wärmeübertrager in den Hochdruckabsorbern erforderlich sind.
Aus dem Stand der Technik ist durch DE 195 38 348 A1 ein Resorptionskälteprozess, der mit relativ hohem gerätetechnischem Aufwand realisiert werden soll, bekannt. Hierfür wird eine Absorptionswärmetransformationsanlage vorgeschlagen, die Zusatzkomponenten zur Steigerung der Nutzleistung bzw. der Erweiterung der Grenzen für die Antriebs-, Nutz- oder Kühltemperaturen aufweist. Hierbei sollen insbesondere die Flächenbelastungen für den Wärmeübergang bzw. die daraus resultierende Wärmeübergangszahl in Absorbern und/oder Resorbern auf einen möglichst hohen Wert eingestellt werden. Zudem soll zur Auskopplung der Absorptionswärme ein möglichst hohes Temperaturniveau bzw. eine hohe Wärmeübergangszahl nutzbar sein.
Weiterhin wird der Stand der Technik in Srikhirin, Aphornratana, Chungpaibulpatana: A review of absorption refrigeration technologies (in: Renewable and sustainable energy reviews, 2001, S. 343–372 – ISSN 1364-0321) reflektiert.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll eine Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteanlage geschaffen werden, mit der Kühltemperaturen unter 0°C erreichbar sind. Die Drucklage des Resorptionsprozesses soll weitgehend unabhängig von der Ruhekonzentration der Lösung sein. Die Anlage soll einfach aufgebaut sein und weder einen Lösungswärme übertrager im Resorptionskreis, noch einen berieselten Wärmeübertrager im Hochdruckabsorber benötigen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst; vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 und 6.
Beim Verfahren zur Kälteerzeugung nach einem Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteprozess wird, wie bei allen Absorptions- und Resorptionskälteprozessen mit Wasser-Lithiumbromid-Systemen Wasserdampfs in einem Absorber bei Niederdruck von einer wässrigen Lithiumbromid-Lösung absorbiert, danach auf Hochdruck gepumpt und in einem Ausgaser unter Wärmezufuhr auf hohem Temperaturniveau aus der Lösung ausgetrieben. Nach Maßgabe der Erfindung wird dagegen der ausgetriebene Wasserdampf in einen Kondensator geleitet, wo der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und anschließend das Wasser dem Resorptionskreis zugeführt wird, wo es von der darin befindlichen Lithiumbromid-Lösung durch Mischabsorption aufgenommen wird.
Entscheidend ist dabei, dass der Lithiumbromid-Lösungskreislauf des Kälteteils auf den Desorber beschränkt wird. Die Vermischung des Wassers mit der Lösung kann hierbei entweder in einem Mischabsorber, der sich im Lösungskreislauf des Kälteteils befindet, oder direkt im Desorber erfolgen.
Auf diese Weise wird es möglich, mit Wasser als Kältemittel Kälte unter 0°C, typischerweise bis –4°C, zu erzeugen, da im gesamten Prozess nie reines Wasser sondern, immer nur die Lithiumbromid-Lösung den Temperaturen unter 0°C ausgesetzt wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteanlagen kann auf den Zwischenwärmeübertrager im Resorberkreis verzichtet werden; durch die direkte Vermischung von Lösungs- und Kältemittel wird zudem ein um ca. 3% höheres Wärmeverhältnis erreicht wird. Weiterhin kann der Kondensator aufgrund der besseren Wärmedurchgangskoeffizienten kleiner dimensioniert werden als ein entsprechender Absorber. Vorteilhaft ist auch, dass bei der Kondensation im Gegensatz zur Absorption kein Stoffübergangswiderstand auftritt.
Schließlich besteht ein Vorteil darin, dass durch die Verwendung des Kondensators freies Kältemittel (kondensiertes Wasser) gespeichert wird, was bewirkt dass die Lösungskonzentrationen bei Temperatur- und Druckänderungen in den Hoch- bzw. Niederdruckbereichen weniger stark schwanken als beim herkömmlichen Resorptionsprozess. Folglich kann der Kreisprozess besser geregelt werden.
Bei beiden Mischabsorptionsvarianten, also mit und ohne Verwendung eines zusätzlichen Mischabsorbers, tritt verglichen mit dem herkömmlichen Resorptionsprozess, ein größerer Drucksprung an der Pumpe und ein größerer Lösungsvolumenstrom im Resorptionskreislauf auf. Das Wärmeverhältnis wird durch den höheren Lösungsvolumenstrom jedoch nicht verschlechtert, da durch diesen keine erhöhte Wärmeabgabe an die Umgebung verursacht wird. Der erhöhte Volumenstrom vermindert aber wesentlich das Risiko des Einfrierens des Kreislaufes.
Da alle gängigen Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen eine Kältemittelumlaufpumpe besitzen, können diese ohne Weiteres zu der vorgestellten Resorptionskälteanlage umgerüstet werden indem der Verdampfer mit wässriger Lithiumbromid-Lösung befüllt wird, wodurch dieser als Desorber betrieben werden kann. Des Weiteren ist die Anlagenregelung angepasst anzupassen.
Wird kein zusätzlicher Mischabsorber eingebaut, ist zu beachten, dass der Kältemittelkondensatseintritt (Wassereinlass) in den Desorber einfriersicher erfolgt. Hierzu wird der Einlass für das Wasser tief in die im Desorber befindliche Lithiumbromid-Lösung geführt, wodurch eine schnelle Vermischung mit der Lithiumbromid-Lösung sichergestellt ist.
Zur Umrüstung auf eine Resorptionskälteanlage, die einen Mischabsorber verwendet, müssen der Mischabsorber sowie ein weiteres Entspannungsorgan eingebaut und der Verlauf des Desorber-Lösungsmittelkreislaufs angepasst werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen in vereinfachter Darstellung:
1: das Schaltschema eines herkömmlichen Resorptionsprozesses,
2: das Schaltschema eines Resorptionsprozesses mit Mischabsorption im Resorptionskreislauf unter Verwendung eines separaten Mischabsorbers, und
3: das Schaltschema eines Resorptionsprozesses mit Mischabsorption direkt im Desorber des Resorptionskreislaufs.
Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich ist, ist die Absorptionsseite sowohl bei Anlagen, die nach dem herkömmlichen Resorptionsprozess arbeiten, als auch die Anlagen, die auf Mischabsorption basieren, identisch aufgebaut, d. h. sie besteht aus einem Absorber 1 und einem Ausgaser 2. Der Lösungsmittelkreislauf wird mit Hilfe der Pumpe 4 umgewälzt. Der Wärmetauscher 3 bewirkt einen Wärmetausch zwischen der kälteren Lithiumbromid-Lösung des Absorbers 1 und der aus dem Ausgaser 2 austretenden wärmeren Lithiumbromid-Lösung.
Während jedoch die Desorptionsseite der bisher bekannten Resorptionskälteanlagen, ähnlich wie deren Absorptionsseite, aus einem Absorber 5 und einem Ausgaser/Desorber 6 bestehen, die beide in den mit dem Wärmetauscher 7 ausgestatteten Desorber-Lösungsmittelkreislauf eingebunden sind, bestehen die Desorptionsseiten der Resorptionskälteanlagen mit Mischabsorption aus einem Kondensator 9 und einem Desorber 6. Der Kondensator 9 ist nicht in den Desorber-Lösungsmittelkreislauf eingebunden.
Bei der ersten Variante (2) erfolgt die Mischabsorption des im Kondensator 9 verflüssigten Wasserdampfs mit der Lithiumbromid-Lösung in einem separaten Mischabsorber 8, der zwischen zwei Entspannungsorganen 13 angeordnet und in den Lösungsmittelkreislauf eingebunden ist. Dadurch, dass das reine Wasser vor der endgültigen Entspannung im Desorber mit Lithiumbromid-Lösung vermischt wird, wird ein Einfrieren des reinen Wassers bei 0°C vermieden, wodurch Temperaturen von bis zu circa –4°C erreicht werden können.
In der zweiten Variante (3) wird das reine Wasser nach der Entspannung durch das Entspannungsorgan 13 direkt in den Desorber 6 eingeleitet und erst dort mit der Lithiumbromid-Lösung vermischt. In diesem Fall muss der Wassereinlass 12 tief in die Lithiumbromid-Lösung im Desorbers 6 tauchen, sodass eine rasche Vermischung des Wassers mit der Lithiumbromid-Lösung gewährleistet ist. Damit wird, wie Tests bereits gezeigt haben, ebenfalls bis zu Kühltemperaturen von ca. –4°C vermieden, dass das reine Wasser gefriert. Die Umwälzpumpe 11 des Desorber-Lösungsmittelkreislaufs pumpt hier lediglich Lithiumbromid-Lösung aus dem Desorber 6 heraus und wieder in diesen hinein, wobei die Lösung beim Eintreten in den Desorber 6 über den Rieselwärmetauscher 10 geführt, so dass sie diesen berieselt. Neben der Berieselung gewährleistet die Umwälzpumpe auch eine ständiges Durchmischen des Wassers und der Lithiumbromid-Lösung, wodurch vermieden wird, dass sich im Desorber 6 örtlich reines Wasser oder schwach salzhaltige Lösung, die leicht einfrieren kann, bildet.
Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteanlagen können auf einfache Weise zu Resorptionskälteanlage entsprechend der zweiten Variante umgerüstet werden indem der Verdampfer mit wässriger Lithiumbromid-Lösung befüllt und außerdem die Anlagenregelung angepasst wird. Zur Umrüstung auf eine Resorptionskälteanlage entsprechend der ersten Varianten müssen zusätzlich noch ein Mischabsorber und ein weiteres Entspannungsorgan eingebaut sowie der Verlauf des Desorber-Lösungsmittelkreislaufs angepasst werden.

1: Absorber der Absorptionsseite
2: Ausgaser
3: Wärmetauscher des Absorptionslösungsmittelkreislaufs
4: Umwälzpumpe des Absorptionslösungsmittelkreislaufs
5: Absorber der Desorptionsseite
6: Desorber
7: Wärmetauscher des Desorber-Lösungsmittelkreislaufs
8: Mischabsorber
9: Kondensator
10: Rieselwärmetauscher des Desorbers
11: Umwälzpumpe des Desorber-Lösungsmittelkreislaufs
12: Wasser-/Kältemitteleinlass
13: Entspannungsorgan

Claims

Verfahren zur Kälteerzeugung mit einem Wasser-Lithiumbromid-Resorptionskälteprozess bei dem Wasserdampf in einem Absorber (1) bei Niederdruck von einer wässrigen Lithiumbromid-Lösung absorbiert wird, danach auf Hochdruck gepumpt und in einem Ausgaser (2) unter Wärmezufuhr auf hohem Temperaturniveau aus der Lösung ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der ausgetriebene Wasserdampf in einen Kondensator (9) geleitet wird, hier kondensiert und anschließend das kondensierte Wasser dem Desorber-Lösungsmittelkreislauf zugeführt und dort durch Mischabsorption aufgenommen wird, wobei die Lithiumbromid-Lösung im Kälteteil nur durch den Desorber (6) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Kondensator (9) kondensierte Wasser zuerst einem im Desorber-Lösungsmittelkreislauf des Desorbers (6) befindlichen Mischabsorber (8), der der intensiven Vermischung von Wasser und Lithiumbromid-Lösung dient, zugeführt und anschließend die Mischung aus Wasser und Lithiumbromid-Lösung dem Desorber (6) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kondensierte Wasser direkt dem mit Lithiumbromid-Lösung gefüllten Desorber (6) zugeführt wird, wobei der Desorber-Lösungsmittelkreislauf ausschließlich den Desorber (6) durchläuft.
Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit je einem Absorber (1) und einem Ausgaser (2) auf einer Absorptionsseite eines Kältekreislaufs, dadurch gekennzeichnet, dass eine Desorptionsseite einen Kondensator (9) und einen Desorber (6) aufweist, wobei nur der Desorber (6) in den Lösungskreislauf des Kälteteils eingebunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Lösungskreislauf des Kälteteils zusätzlich zum Desorber (6) ein Mischabsorber (8) eingebunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese aus einer Absorptionskälteanlage besteht, deren Verdampfer mit wässriger Lithiumbromid-Lösung befüllt ist, so dass er als Desorber (6) dient, und die Führung des Lithiumbromid-Lösungskreislaufs sowie die Regelung der Absorptionskälteanlage für einen Betrieb als Resorptionskälteanlage ausgelegt ist.