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Das
hier beschriebene Verfahren und die hier beschriebene Anordnung
betreffen eine Neuerung auf dem Gebiet der Absorptionskältemaschinen.
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Die
vorliegende Patentanmeldung ist Gegenstand einer Anmeldeserie, in
der mehrere Erfindungen an einer Absorptionskältemaschine
sowie deren Betriebsverfahren und Verwendung beschrieben sind.
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Absorptionskältemaschinen
unterscheiden sich von herkömmlichen Kompressionskältemaschinen
im Wesentlichen dadurch, dass die Kälte nicht durch Zufuhr
mechanischer Arbeit sondern durch Zufuhr thermischer Energie erzeugt
wird. Bei der Kompressionskältemaschine wird ein Kältemittel
zur Erzeugung von Kälte in einem Verdampfer verdampft, dann
durch einen Kompressor verdichtet, anschließend in einem
Wärmeübertrager (Wärmetauscher) abgekühlt
und wieder verflüssigt, bevor es wieder dem Verdampfer
zugeführt wird.
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Eine
Absorptionskältemaschine ist schematisch in 1 dargestellt.
Bei der Absorptionskältemaschine wird das im Verdampfer 1 verdampfte
Kältemittel nicht einem Kompressor zugeführt,
sondern einem Absorber 2, in dem es durch ein Lösungsmittel absorbiert
wird. Zur Verdampfung wird einem externen Kühlmittel auf
einem niedrigen Temperaturniveau Energie entzogen. Dieses Kühlmittel
stellt die Nutzkälte bereit.
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Das
Lösungsmittel in dem Absorber 2 befindet sich
dabei auf dem Druckniveau des Kältemittels. Das in dem
Absorber 2 an Kältemittel angereicherte Lösungsmittel
wird dann durch eine Lösungsmittelpumpe 3 verdichtet
und einem Desorber 4 zugeführt. Die Verdichtung
erfordert nur geringe mechanische Arbeit, da das Lösungsmittel
flüssig und folglich inkompressibel ist. In dem Desorber 4 wird
der Lösung aus Lösungsmittel und Kältemittel
Wärme zugeführt, um das Kältemittel aus
dem Lösungsmittel auszutreiben. Das ausgetriebene Kältemittel
wird einem Kondensator 5 zugeführt. Desorber 4 und
Kondensator 5 befinden sich auf einem hohen Drucknieveau.
Von dem Kondensator 5 aus fließt das Kältemittel
aufgrund der vorhandenen Druckdifferenz durch eine Entspannungsdrossel 6 zurück
zum Verdampfer 1.
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Das
an Kältemittel arme und durch die Wärmezufuhr
heiße Lösungsmittel aus dem Desorber 4 fließt
durch einen regenerativen Wärmeübertrager 8, in
dem es das von dem Absorber 2 stammende kühle Lösungsmittel
mit hohem Kältemittelanteil vorwärmt. Dabei Kühlt
es ab und fließt es über eine Entspannungsdrossel 7 zurück
zum Absorber 2.
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Absorptionskältemaschinen
verwenden üblicherweise Ammoniak als Kältemittel,
wenn Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser erreicht
werden sollen. Das Lösungsmittel ist in diesem Fall Wasser.
Absorptionskältemaschine mit Wasser als Kältemittel
kühlen in der Regel bis auf 4°C herab, da die
Eisbildung bei niedrigeren Temperaturen eine natürliche
Grenze darstellt. Absorptionskältemaschinen mit dem Kältemittel
Wasser verwenden in der Regel als Lösungsmittel wässrige
Salzlösungen (Lithiumbromid). Derartige Kältemaschinen
gehen beispielsweise aus den Patenten
DE 103 47 497 B4 ,
DE 103 47 498 B4 und
DE 103 53 058 B4 der
Anmelderin bekannt.
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Für
das Kältemittel Wasser können als Lösungsmittel
aber auch Säuren wie z. B. Schwefelsäure oder
Laugengemische bzw. Laugen wie z. B. Natronlauge oder Laugengemische
eingesetzt werden. Um hohe Temperaturdifferenzen zwischen Nutzkältetemperaturniveau
(Verdampfer 1) und Abwärmetemperaturniveau (Absorber 2)
zu erzielen, sind die Lösungsmittel entsprechend hoch konzentriert
einzusetzen, d. h. der Abstand zur Kristallisationsgrenze ist sehr
gering. Andererseits muss das Auskristallisieren – und
damit der Übergang des Lösungsmittels in den festen
Aggregatszustand – unbedingt vermieden werden, da anderenfalls
das Lösungsmittel nicht mehr pumpfähig ist und
die Anlage nicht mehr betrieben werden kann. Das Kristallisieren
des Lösungsmittels ist also bei allen Betriebszuständen
zu vermeiden. Besonders die aus dem Desorber, auch Kocher oder Austreiber
genannt, stammende Lösung, die an Kältemittel
verarmt ist, ist beim nachfolgenden Abkühlen im regenerativen
Wärmeübertrager 8 (oft auch Wärmetauscher
genannt) gefährdet, da sie in der Regel den höchsten
Konzentrationswert aufweist.
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Besitzt
man Kenntnis über die aktuell vorliegende Konzentration,
kann durch verschiedene Regeleingriffe eine unzulässige
Annäherung an bzw. Überschreitung der Kristallisationsgrenze
vermieden werden.
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Verschiedene
Maßnahmen zur Errechnung der Lösungskonzentration
sind entwickelt worden. Beispielsweise kann aus den gemessenen Temperaturen
am Kocher und dem Druck im Behälter die Lösungskonzentration
errechnet werden (z. B.
PCT/EP2005/008717 ).
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Ebenso
ist es bei „normalen” d. h. mit reinem Kältemittel
arbeitenden Absorptionskältemaschinen, möglich,
aus dem Füllstand des Kältemittels im Verdampfer
auf die Konzentration der Lösung im Absor ber/Desorberkreislauf
zu schließen. Dazu können verschiedene Grenzwertschalter
oder Levelsensoren verwendet werden (z. B.
CA 2216257 ).
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Nachteilig
an der Berechnung der Lösungskonzentration aus Temperatur
und Druckdaten, bzw. dem Rückschluss auf die Konzentration
aus dem Füllstand des Kältemittels im Verdampfer
ist die relativ große Ungenauigkeit dieser indirekten Verfahren. Dieser
Ungenauigkeit wird durch einem entsprechend großen Sicherheitsabstand
von der Kristallisationskurve Rechnung getragen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine präzisere Einhaltung
einer hohen Lösungsmittelkonzentration unterhalb der Kristallisationsgrenze
zu gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung zur Bestimmung
der Konzentration mindestens einer der Flüssigkeiten folgendes
aufweist:
- • einen Hohlraum, in dem
Flüssigkeit und ein in die Flüssigkeit eingetauchtes
Senkelement, insbesondere eine Senkspindel, aufgenommen sind,
- • eine Sensoranordnung zum Erfassen der Bewegung des
Senkelements.
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Mit
anderen Worten wird eine Messspindel vorgeschlagen, deren Bewegung
automatisch erfasst werden kann, um exakt die Konzentration der gemessenen
Flüssigkeit, insbesondere des Lösungsmittels der
Absorptionskältemaschine bestimmen zu können.
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Diese
neue Technik zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Grundidee
ist die nahezu direkte Messung der Lösungskonzentration.
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Eine
besonders kostengünstige und zugleich sehr zuverlässige
und genaue Messung der Dichte, aus der die Lösungskonzentration
bei bekannter Temperatur problemlos errechnet werden kann, wird über
Dichtespindeln ermöglicht. Es wird daher der Einsatz einer
Dichtespindel zur direkten und automatischen Konzentrationsbestimmung
vorgeschlagen.
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Die
Sensoranordnung kann mindestens eins der nachfolgend aufgezählten
Paare miteinander zusammenwirkender Elemente zur Messung der Bewegung
des Senkelements aufweisen, wobei eines der Elemente des Paares
an dem Senkelement befestigt ist:
- • Magnet
und Magnetschalter;
- • Spule und Spulenkern;
- • inkrementale Messskala und eine optische Erfassungsvorrichtung
zum Lesen der Messskala.
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In
der Praxis ist kann die Anordnung zur Messung der Bewegung des Senkelements
derart ausgebildet sein, dass das die Bewegung des Senkelements
repräsentierende Signal durch eine geschlossene Wand, insbesondere
aus Edelstahl, übertragen wird. Insbesondere im Bereich
des Verdampfers des Kältemittels herrscht bei einer Absorptionskältemaschine
mit Kältemittel auf Wasserbasis ein Vakuum, wenn sehr niedrige
Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser erreicht werden
sollen. Bei Temperaturen im Bereich von –10°C
liegt der Verdampfungsdruck in der Größenordnung
von 2 mbar. Um derart niedrige Drücke innerhalb des Hohlraums zu
gewährleisten, ist es sinnvoll diesen aus geschlossenen,
z. B. verschweißten Wänden aus hochfesten Materialien
wie Edelstahl herzustellen. Die Messmittel oder Signalübertragungsmittel
können derart ausgebildet sein, dass sie das die Bewegung
repräsentierende Signal durch die Wandung hindurch nach außen übertragen.
Wenn Permanentmagnete innerhalb des Holraums verwendet werden, können
die Magnetschalter außerhalb des Hohlraums liegen. Wird
ein Tauchkern an der Senkspindel befestigt, so kann außerhalb
der Wandung des Hohlraums eine Spule liegen, die die Eintauchtiefe
des Tauchkerns misst.
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Um
die dauerhafte Dichtheit zu gewährleisten und gleichzeitig
die Eintauchtiefen abfragen zu können, sollte der also
Hohlraum, in dem das Senkelement angeordnet ist, von einer geschlossenen Wandung
umgeben sein, wobei aber die Position des Senkelements messbar bleiben
muss. So können bei einer Senkspindel als Senkelement im
Spindelhalsrohr mehrere Magneten platziert werden, deren Magnetfelder
entsprechende Magnetschalter (z. B. Reed-Kontakte oder Hall-Sensoren)
betätigen. Die von den Magnetschaltern gelieferten Zustandsmuster
(jeweils 0 oder 1) beschreiben die jeweiligen Eintauchtiefen der
Dichtespindeln. Der Abstand zwischen den Magneten am Spindelhalsrohr
kann von dem Abstand zwischen den dazu beweglichen Magnetschaltern
unterschiedlich sein, so dass durch die unterschiedliche Kombination
der betätigten Magnetschalter eine Auflösung der
Eintauchtiefe erreicht werden kann, die sehr viel genauer als der
Abstand zwischen den einzelnen Magneten ist.
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Durch
Wahl mehrerer Magneten und Magnetschalter sowie gestaffelter Abstände
kann eine beliebig hohe Genauigkeit bei der Konzentrationsbestimmung
erreicht werden.
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Selbstverständlich
eignen sich auch andere Messvorrichtungen zur Erfassung der Bewegung
des Senkkörpers wie zum Beispiel eine Spule und Spulenkern.
Durch das Eintauchen des Spulenkerns ändert sich der induktive
Widerstand der Spule. Der Widerstandswert ist eindeutig einer bestimmten
Position des Senkkörpers zugeordnet.
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Eine
inkrementale Messskala und eine optische Erfassungsvorrichtung zum
Lesen der Messskala können ebenfalls verwendet werden.
Hierbei werden beispielsweise Skalen mit abwechselnd durchsichtigen
und undurchsichtigen Feldern an einer Lichtschranke vorbei bewegt.
Allerdings können derartige Messvorrichtungen nur relative
Verschiebungen messen. Am Anfang einer Betriebsphase muss also eine
Nullpunktsbestimmung erfolgen. Alternativ können unterstützende
Messvorrichtungen einen groben Positionswert liefern und die inkrementale
Messskala den hochauflösenden Messwert bereitstellen.
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Das
zweite Element zur Bestimmung der Position des Senkelements kann
an einem Schwimmer befestigt sein, der auf der Oberfläche
der gemessenen Flüssigkeit schwimmt. In diesem Fall wird
unmittelbar die Position des Senkelements bezogen auf die Oberfläche
der Flüssigkeit gemessen, so dass der Messwert sich direkt
in einen Dichtewert umrechnen lässt.
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Alternativ
kann wie in obiger Zeichnung ersichtlich das zweite Element an einer
Wandung des Hohlraums befestigt sein. Diese Konstruktion ist sehr einfach
durchzuführen. Um einen Relativwert der Position des Senkelements
im Vergleich zu dem Flüssigkeitsspiegel zu erhalten, kann
dann die Absorptionskältemaschine ferner eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Füllhöhe der Flüssigkeit
im Hohlraum aufweist. Diese kann z. B. einen Überlauf aufweist, der
ein Ablaufen des Lösungsmittels im Hohlraum bei Erreichen
einer bestimmten Füllhöhe bewirkt. Hierdurch ist
gewährleistet, dass die Füllhöhe immer gleich
ist.
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Die
Vorrichtung zur Bestimmung der Füllhöhe der Flüssigkeit
kann aber auch einen Schwimmer in dem Hohlraum oder einem mit dem
Hohlraum kommunizierenden Raum aufweisen, der mit einer Höhenmessanordnung
gekoppelt ist. Die Höhenmessanordnung für den Schwimmer
kann nach einem der obigen Prinzipien wie die Sensoranordnung zum Erfassen
der Bewegung des Senkelements aufgebaut sein und funktionieren.
Auch der den Schwimmer umgebende Raum kann gegenüber der
Umgebung abgedichtet sein, um das Vakuum zu halten.
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Der
den Schwimmer umgebende Raum kann mit dem Hohlraum über
einen Kanal unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit
verbunden sein. Wie in einem U-Rohr sind dann in beiden Räumen
zu allen Zeiten die gleichen Flüssigkeitsspiegel, vorausgesetzt,
dass der Druck über der Flüssigkeitssäule eben
falls in beiden Räumen gleich ist.
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Die
Absorptionskältemaschine kann eine Steuerungsvorrichtung
und eine Vorrichtung zur selektiven Abgabe von Komponenten der Flüssigkeit aufweisen,
wobei die Steuervorrichtung auf der Grundlage eines Messsignals
der Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration der Flüssigkeit
eine bestimmte Menge einer der Komponenten in die Flüssigkeit
abgibt. Durch eine derartige Vorrichtung kann eine zu hohe Konzentration
durch Wasserzugabe vermieden werden. Eine zu geringe Konzentration kann
durch Zugabe von in Wasser gelöstem Stoff, beispielsweise
Lithiumbromid, einer Säure oder einer Lauge wieder erhöht
werden.
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Die
erfindungsgemäße Absorptionskältemaschine
kann insbesondere bei einem System für die Herstellung
von Lebensmitteln eingesetzt werden, dass folgendes umfasst:
- • eine Garvorrichtung, welche einen
Garraum, eine Heizvorrichtung und einen Abgaskanal für Abgase
aus der Heizvorrichtung und/oder aus dem Garraum aufweist,
- • eine Kühlvorrichtung, welche eine Absorptionskältemaschine
aufweist, die mit einem wässrigen Kältemittel
Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser erzeugt,
- • einen Eisspeicher, in dem die Kälteenergie
gespeichert werden kann.
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Ein
derartiges System hat durch Verwendung eines wässrigen
Kältemittels gegenüber mit Amoniak Absorptionskältemaschine
den erheblichen Vorteil, dass das Kältemittel weder giftig
noch brennbar ist. Der Zeitraum, in dem der Bedarf für
Kälte hoch ist, unterscheidet sich häufig von
dem Zeitraum größter Abwärme aus dem
Backofen oder einer ähnlichen Garvorrichtung. Mit anderen
Worten werden zu anderen Zeiten tiefe Temperaturen in einem klimatisierten
Raum benötigt, als hohe Temperaturen im Abgas anfallen.
Durch den Eisspeicher, in dem Wasser oder ein anderes gefrierendes
Medium vorhanden ist, kann die erzeugte Kälte durch Eisbildung
gespeichert werden, bis sie benötigt wird. Der Eisspeicher
speichert die niedrige Temperatur (Kälteenergie) durch
die Schmelzenthalpie des gefrorenen Mediums. Beim Schmelzen wird
einem durch den Eisspeicher geleiteten Kühlmittel auf einem
niedrigen Temperaturniveau Energie entzogen. Mit dem Kühlmittel
kann ein Gärraum für Teiglinge oder ein anderer
Kühlraum auf das erforderliche Temperaturniveau gekühlt
werden.
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Ein
derartiges System weist vorzugsweise eine Absorptionskältemaschine
mit einer oben beschriebenen Konzentrationsmessvorrichtung auf.
Es kann ferner mindestens einen klimatisierten Raum, insbesondere
einen Gärraum, Kühlraum oder Gefrierraum, zur
Aufbewahrung der Lebensmittel aufweisen, der mit der Kühlvorrichtung
und/oder dem Eisspeicher gekühlt wird.
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Bei
einem Verfahren für den Betrieb einer Absorptionskältemaschine
mit einem Kältemittel und einem Lösungsmittel
kann gemäß einem Aspekt der Erfindung das Lösungsmittel
bei einer Konzentration nahe der Kristallisationsgrenze gehalten
werden, und während des Betriebs kann die Konzentration
des Lösungsmittels bestimmt und auf dem vorgegebenen Konzentrationswert
gehalten werden. Durch hoch konzentrierte Lösungsmittel
und durch niedrige Dampfdrücke des Wassers lassen sich
Kühltemperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser
erzielen. Der Verdampfungsdruck des Wassers kann in der Größenordnung
von 2 mbar liegen, woraus sich eine Verdampfungstemperatur von ca. –10°C
ergibt.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren für die Herstellung
von Lebensmitteln in einer Garvorrichtung vorgeschlagen, welche
einen Garraum, eine Heizvorrichtung und einen Abgaskanal für
Abgase aus der Heizvorrichtung und/oder aus dem Garraum aufweist,
und mit einer Kühlvorrichtung. Die Kühlvorrichtung
wird mittels einer Absorptionskältemaschine mit einem wässrigen
Kältemittel gekühlt. Der Absorptionskältemaschine
wird durch einen Abgaskanal für Abgase aus der Heizvorrichtung
und/oder aus dem Garraum oder über ein Zwischenmedium wie
Heißwasser thermische Energie zugeführt wird.
Die Garvorrichtung kann insbesondere ein Backofen sein.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Absorptionskältemaschine
mit
- • einem Verdampfer für
ein wasserhaltiges Kältemittel,
- • einem Absorber, in dem das verdampfte Kältemittel
in einem Lösungsmittel absorbiert wird,
- • einem Desorber, in dem das absorbierte Kältemittel
aus dem Lösungsmittel unter Wärmezufuhr ausgetrieben
wird.
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Auf
dem Gebiet der Absorptionskältemaschinen können
hinsichtlich des verwendeten Kältemittels zwei verschiedene
Bauarten als Stand der Technik betrachtet werden, nämlich
wasserbasierte und ammoniakbasierte Maschinen. Für das
Kältemittel Wasser sind eine Vielzahl von Lösungsmitteln
(Lösungsmittel sind z. B. Lithiumbromid, Schwefelsäure, Natronlauge)
vorgeschlagen und erprobt worden.
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Nachteilig
an Ammoniak ist dessen Giftigkeit und Brennbarkeit. Außerdem
ist es relativ ungeeignet, Abwärmepotentiale geringer Temperatur
(< 100°C)
zu verwerten. Vorteilhaft ist das problemlose Erreichen von Temperaturen
unter 0°C und ein günstiges Dampfdruckverhalten.
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Das
Kältemittel Wasser ist in jeder Hinsicht unproblematisch
und besitzt gute thermodynamische Eigenschaften. Großer
Nachteil des Kältemittels Wasser ist seine Beschränkung
auf Nutzkältetemperaturniveaus größer
0°C, da die Gefrierpunktproblematik keine tieferen Temperaturen
zulässt. Gelegentlich wurde vorgeschlagen, durch Zugabe
von Salzen o. ä. in den Verdampfer, eine Gefrierpunktsabsenkung
zu erreichen (z. B.
EP1391668 ).
Dies ist jedoch nicht sinnvoll, da im Kondensator reines Wasser
anfällt und anschließend unter Vereisung in den
Verdampfer entspannt würde. Ein sicherer eisfreier Dauerbetrieb
ist dadurch nicht zu erreichen.
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Die
weiter oben beschriebenen Patente
DE 103 47 497 B4 ,
DE 103 47 498 B4 und
DE 103 53 058 B4 der
Anmelderin beschreiben eine Wasserbetriebene Absorptionskältemaschine,
die Temperaturen unter dem Gefrierpunkt erreichen soll. Die hier
beschriebenen Vorschläge sind in der Praxis aber problematisch.
Die Verwendung einer Brüdenverdichterpumpe gemäß der
DE 103 53 058 B4 macht
beispielsweise aus dem Absorptionsprozess eher einen Kompressionsprozess.
Das heißt, dass überwiegend hochwertige elektrische
Energie für die mechanische Verdichtung aufgewendet werden
muss, um Kälte zu erzeugen, und nicht die Abwärme
des Backofens oder einer anderen Einrichtung zur Kälteerzeugung verwendet
werden kann.
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Es
soll nun eine Absorptionskältemaschine geschaffen werden,
die mit einem wässrigen Kältemittel zuverlässig
Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser schaffen kann.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der aus dem Lösungsmittel
ausgetriebene Kältemitteldampf einem Resorber zugeführt
wird, in welchem der Kältemitteldampf in einer Lösung
aus Kältemittel und Frostschutzmittel absorbiert wird,
und dass dem Verdampfer die Lösung aus Kältemittel
und Frostschutzmittel zugeführt wird, aus der das Kältemittel verdampft
wird.
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Durch
Einführung eines zusätzlichen „Resorptionskreislaufs” können
die genannten Schwierigkeiten überwunden werden. Während
bei ammoniakbasierten Kältemaschinen durch Einsatz eines
Resorptionskreislaufs die hohe Drucklage im Desorber wirkungsvoll
abgesenkt werden kann, werden bei wasserbasierten Kältemaschinen – welche
im Vakuum betrieben werden – Resorptionskreisläufe
bisher nicht eingesetzt.
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Durch
den zusätzlichen Resorptionskreislauf kann nun der Gefrierpunkt
des Kältemittels abgesenkt werden. Dem Verdampfer wird
also kein reines Wasser, sondern eine wässrige Lösung – mit
entsprechend niedrigerem Gefrierpunkt – zugeführt. Auch
in dem Absorber liegt ein Lösungsmittel mit reduziertem
Gefrierpunkt vor, so dass der Wasserdampf selbst bei Temperaturen
weit unter 0°C ohne Eisbildung absorbiert werden kann.
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Wie
oben erwähnt, ist in 1 eine übliche Absorptionskältemaschine
mit Wasser als Lösungsmittel dargestellt. Dass Wasser wird
im Verdampfer 1 im Vakuum verdampft und kühlt
dabei. Der Wasserdampf wird im Absorber 2 absorbiert und
dann zum Desorber 4 (auch Kocher oder Austreiber genannt) gepumpt.
Hier wird er aus dem Lösungsmittel ausgekocht und strömt
zum Kondensator 5, wo er kondensiert und wieder als flüssiges
Wasser dem Verdampfer 1 zugeführt wird.
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Dagegen
ist die Absorptionskältemaschine mit einem zusätzlichen
Resorptionskreislauf ausgerüstet. Hierbei wird vorzugsweise
anstatt Lithiumbromid für Lösungsmittel wasserbasierter
Absorptionskältemaschinen das seit langem bekannte Gemisch aus
Natron- und Kalilauge verwendet. Dieses zeichnet sich durch eine
stärkere Dampfdruckabsenkung aus, so dass Nutzkältetemperaturen
von –10°C und darunter erzielt werden können.
Außerdem reduziert es in ausreichender Konzentration erheblich
den Gefrierpunkt des Wassers.
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Der
Verdampfer ist bei dieser Verfahrensvariante korrekter als Entgaser
zu bezeichnen, da er die wässrige Lösung nicht
vollständig abdampft sondern nur Wasser aus dieser Lösung
verdampft und dabei im Resorber/Verdampfer-Kreislauf die Konzentration der
wässrigen Lösung erhöht.
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Neben
der Umgehung der Gefrierpunktsproblematik ergibt sich als weiterer
Vorteil bei dieser Anlagenvariante die Möglichkeit der
Konzentrationsverschiebung. Mit anderen Worten kann durch Überführung
von Lösung aus dem Absorber/Desorber-Kreislauf in den Resorber/Verdampfer-Kreislauf
der Gefrierpunkt in weiten Teilen den jeweiligen Erfordernissen
(Sommer oder Winterbetrieb) angepasst werden kann. Dadurch kann
flexibel auf Änderungen der Umgebungsbedingungen reagiert
werden, z. B. beim denkbaren Betrieb als Wärmepum pe, bei
der die Umgebungstemperatur unter –10°C liegt
(TUmg < –10°C).
Auch der umgekehrte Weg, das Überführen von Lösung
aus dem Resorber/Verdampfer-Kreislauf in den Absorber/Desorber-Kreislauf,
kann sinnvoll sein, falls die Lösungskonzentration (und
damit der mögliche Temperaturhub) kurzzeitig erhöht
werden soll. Voraussetzung ist jedoch immer, dass sowohl der Gefrierschutz,
als auch die absorbierende Lösung aus dem gleichen Stoffgemisch,
nämlich Natron-/Kalilauge besteht.
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Das
Kältemittel kann in dem dargestellten Resorber-Verdampfer-Kreislauf
in einer ersten Leitung von dem Verdampfer mit niedriger Temperatur zum
Resorber strömen und in einer zweiten Leitung von dem Resorber
zum Verdampfer strömen. Beide Leitungen können
einem Wärmeübertrager zugeführt werden,
in dem der von dem Verdampfer stammende Kältemittelstrom
auf dem Weg zum Resorber erwärmt wird und der von dem Resorber
stammende Kältemittelstrom auf dem Weg zum Verdampfer abgekühlt
wird.
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Ein
entsprechender Wärmeübertrager kann auch im Absorber/Desorber-Kreislauf
vorhanden sein, damit das aus dem Absorber stammende Lösungsmittel
auf die hohe Temperatur des Desorbers (auch Kocher oder Austreiber
genannt) gebracht wird.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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1 zeigt
die oben beschriebene, schematische Darstellung des Fluidkreislaufs
einer Absorptionskältemaschine gemäß dem
Stand der Technik.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Bestimmung von Fluidkonzentrationen.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Bestimmung
von Fluidkonzentrationen.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäßes System für die
Herstellung von Lebensmitteln.
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5 zeigt
eine der 1 ähnliche Darstellung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens für
den Betrieb einer Absorptionskältemaschine.
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Die
Funktion einer herkömmlichen Absorptionskältemaschine
gemäß 1 ist ausführlich weiter
oben beschrieben. Bei einer derartigen Absorptionskältemaschine
mit dem Kältemittel Wasser strömt dieses Kältemittel
aus dem Kondensator 5, der sich auf einem hohen Druckniveau
befindet, über eine Entspannungsdrossel 6 zu einem
Verdampfer 1. Hier verdampft das Wasser im Vakuum. Der
Wasserdampf strömt über zu einem Absorber 2 und
wird hier von einem Lösungsmittel absorbiert. Das Lösungsmittel
ist üblicherweise eine wässrige Lithiumbromidlösung.
Die Lösungsmittelpumpe 3 wälzt das Lösungsmittel
um und treibt es durch den regenerativen Wärmeübertrager 8,
der häufig von einem Plattenwärmetauscher gebildet
wird, zu dem Desorber 4, wo der Wasserdampf durch Wärmezufuhr
ausgetrieben und dem Kondensator 5 zugeleitet wird.
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Damit
eine derartige Absorptionskältemaschine bei optimaler Effizienz
arbeitet, sollte das Lösungsmittel in hoher Konzentration
vorliegen. Dennoch darf die Konzentration die Kristallisierungsgrenze
nicht überschreiten. Aus diesem Grund kann sinnvoller Weise
an die Leitung, durch die das wasserarme Lösungsmittel
von dem Desorber 4 zu dem Absorber 2 geleitet
wird, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung
der Lösungsmittelkonzentration vorgesehen sein. Eine erste
Ausführungsform einer derartigen Vorrichtung ist in 2 gezeigt.
Sie umfasst einen Hohlraum 9, in dem die Flüssigkeit 10 aufgenommen
ist, deren Konzentration zu bestimmen ist. Bei dem beschriebenen
Beispiel handelt es sich bei der Flüssigkeit 10 um
das Lösungsmittel. Nach oben erstreckt sich der Hohlraum 9 in
zwei geschlossene Aufnahmerohre 11, 12, in denen
die Messmimik zur Bestimmung der Lösungsmittelkonzentration
angeordnet ist. Unterhalb des ersten Aufnahmerohrs 11 befindet
sich eine Senkspindel 13, deren spezifisches Gewicht im
Wesentlichen dem spezifischen Gewicht des Lösungsmittels 10 entspricht.
Je nach Konzentration des Lösungsmittels 10 ragt
daher der Spindelhals 14 mehr oder weniger weit in das
Aufnahmerohr 11 hinein.
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Im
Spindelhals 14 sind mehrere Permanentmagnete 15 angeordnet,
welche mit einer Leiste 16 zusammenwirken, in der mehrere
Magnetschalter (Reed-Kontakte) angeordnet sind. Je nach Eintauchtiefe
der Senkspindel 13 betätigen die Permanentmagnete 15 im
Spindelhals 14 eine bestimmte Kombination von Magnetschaltern
der Schalterleiste 16. Eine Auswerteelektronik kann anhand
der Schaltzustände der Magnetschalter die Eintauchtiefe
der Senkspindel 13 ermitteln.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform wird diese
Eintauchtiefe relativ zum Aufnahmerohr 11 ermittelt. Zur
Bestimmung der Dichte und damit der Konzentration des Lösungsmittels 10 ist
aber die Eintauchtiefe der Senkspindel 13 relativ zum Flüssigkeitsspiegel
zu ermitteln. Aus diesem Grund ist in 2 eine weitere
Messmimik gezeigt. Sie ist im Wesentlichen in dem Aufnahmerohr 12 aufgenommen. Hier
ist ein Messstab 17 mit Permanentmagneten 15 angeordnet.
Auch diese wirken mit einer Schalterleiste 16 außerhalb
des Aufnahmerohrs 12 zusammen, in der sich mehrere Magnetschalter
befinden. Der Messstab 17 ist auf einem Schwimmer 18 angeordnet,
der auf der Flüssigkeitsoberfläche schwimmt. Anders
als die Spindel 13 weist der Schwimmer 18 ein
sehr viel geringeres spezifisches Gewicht auf als die Flüssigkeit 10.
Er schwimmt folglich unabhängig von den Schwankungen der
Dichte der Flüssigkeit 10 im Wesentlichen mit
konstanter, sehr geringer Eintauchtiefe auf der Oberfläche
der Flüssigkeit 10. Die Schalter der Schalterleiste 16 am
zweiten Aufnahmerohr 12 geben folglich die Höhe
des Flüssigkeitsspiegels wieder. Aus beiden Messwerten
lässt sich die Eintauchtiefe der Senkspindel 13 in
die Flüssigkeit 10 ermitteln, welche proportional
abhängig zur Dichte der Flüssigkeit 10 ist.
Die Dichte hängt wiederum ausschließlich von der
Konzentration der Flüssigkeit 10 ab, so dass sich
mit der in 2 gezeigten Anordnung automatisch
und kontinuierlich die Konzentration der Flüssigkeit 10 messen
lässt.
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Es
ist zu berücksichtigen, dass die Darstellung in 2 nur
schematisch ist und den Schutzumfang der Erfindung nicht einschränkt.
Insbesondere ist in der Praxis der Hohlraum zur Aufnahme der Senkspindel 13 und
des Schwimmers 18 nicht als beliebig große Wanne
ausgebildet. Schwimmer 18 und Senkspindel 13 können
in engen Aufnahmeräumen angeordnet sein, welche über
Kanäle miteinander kommunizieren, die unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
münden. Es ist zu gewährleisten, dass oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels der gleiche Druck herrscht. Dies lässt
sich beispielsweise durch eine Entlastungsbohrung erreichen, welche
das obere Ende des Aufnahmerohrs 11 mit dem oberen Ende
des Aufnahmerohrs 12 verbindet.
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Die 3 zeigt
eine alternative Ausführungsform einer Dichte-Messvorrichtung.
Hier befindet sich in einem Aufnahmerohr 11' eine Spule 19, die
von einem Schwimmer 18' getragen wird. In das Innere der
Spule 19 ragt ein metallischer und vorzugsweise ferromagnetischer
Spindelhals 14'. Der induktive Widerstand der Spule 19 ist
ein Maß für die Eintauchtiefe des Spindelhalses 14' in
die Spule 19. Der Spindelhals 14' ist wiederum
Bestandteil der Senkspindel 13', welche in Abhängigkeit
von der Dichte der Flüssigkeit 10 mehr oder weniger
tief in diese Flüssigkeit 10 eintaucht. Über
flexible Anschlussdrähte 20, 21 der Spule 19 kann
der induktive Widerstand gemessen werden. Dieser Messwert ist repräsentativ
für die Eintauchtiefe der Senkspindel 13' in die
Flüssigkeit 10 und folglich für die Dichte
und damit die Konzentration der Flüssigkeit 10.
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Wie
eingangs erwähnt, kann eine berührungslose Signalübertrage
durch die geschlossene Wand des Hohlraums hindurch erwünscht
sein. In diesem Fall kann die Spule außerhalb des Aufnahmerohrs
angeordnet sein und der unterschiedlich tief in die Spule eintauchende
Kern innerhalb des geschlossenen Aufnahmerohrs liegen. In diesem
Fall wird aber wieder die Relativposition des Kerns zum Aufnahmerohr
gemessen, so dass der Kern an einer Senkspindel angeordnet sein
sollte und der Flüssigkeitsspiegel konstant gehalten sein
sollte, indem der Hohlraum beispielsweise einen Ablauf aufweist
und dem Hohlraum permanent Flüssigkeit über einen
Zulauf zugeführt wird.
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Wird
mit der Messanordnung aus der 2 oder der 3 eine
zu hohe Konzentration der Flüssigkeit 10 gemessen,
die nahe der Kristallisationsgrenze liegt, so kann die Konzentration
durch Änderung der Betriebsparameter beeinflusst werden.
Beispielsweise kann die Wärmezufuhr zum Verdampfen von
Wasser unterbrochen werden, so dass die Konzentration nicht weiter
steigt. Alternativ kann die Flüssigkeit durch Zugabe von
Wasser verdünnt werden. Wird die Konzentration zu niedrig,
kann durch Änderung der Betriebsparameter (Erhöhung
der Wärmezufuhr zur Beschleunigung der Verdampfung) ein weiteres Absinken
der Konzentration vermieden werden. Alternativ können Salze
oder andere in dem Wasser gelöste Bestandteile zugegeben
werden, um die Konzentration zu erhöhen. Hierfür
wäre eine automatische Dosiervorrichtung vorzusehen, die
von einer automatischen Steuervorrichtung aufgrund der Messsignale
gesteuert wird. Bei einer weiter unten beschriebenen Ausführungsform
mit zwei gekoppelten Absorptionskreisläufen können
bestimmte Mengen hochkonzentrierter oder niedrigkonzentrierter Flüssigkeit
von einem Absorptionskreislauf in den anderen überführt
werden, um die Konzentration im vorgegebenen Bereich zu halten.
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Die 4 zeigt
ein System für die Herstellung von Lebensmitteln, insbesondere
Backwaren, welches hervorragend zum Einsatz von Absorptionskältemaschinen
geeignet ist. Dargestellt sind zwei Backöfen 22.
Der Backschwaden sowie das Abgas der Brenner der Backöfen 22 wird
in einen gemeinsamen Abgaskanal 23 geleitet. Dieser Abgaskanal 23 führt
zu einer Absorptionskältemaschine 24, welche mit
dem Kältemittel Wasser betrieben wird. Alternativ können
Abgas und Backschwaden natürlich auch über getrennte
Kanäle zur Absorptionskältemaschine geleitet werden.
Vorzugsweise arbeitet die Absorptionskältemaschine 24 nach
dem Arbeitsverfahren, welches nachfolgend in Verbindung mit der 5 beschrieben
wird.
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Ein
Kühlmittel, das in dem Verdampfer der Absorptionskältemaschine 24 auf
bis zu –10°C abgekühlt wird, strömt
zu einem Eisspeicher 25. Der Eisspeicher 25 enthält
Aufnahmeräume für Wasser oder eine ähnliche,
Eis bildende Flüssigkeit. Beim Abbacken einer großen
Anzahl von Backwaren entsteht eine große Hitze, welche
in der Absorptionskältemaschine 24 zur Erzeugung
einer großen Menge von Kälteenergie führt.
Diese tritt in Form einer großen Kühlmittelmenge
mit niedriger Temperatur in den Eisspeicher ein und bewirkt hier
die Eisbildung. Zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise
wenn vor dem nächsten Backvorgang Teiglinge für
Backwaren über einen längeren Zeitraum tiefgekühlt
werden müssen oder bei niedriger Temperatur gären
sollen, kann die Kühlenergie abgerufen werden. Ein klimatisierter
Raum, insbesondere eine Gärkammer 26 ist mit dem
Eisspeicher 25 verbunden. Ein den Eisspeicher durchströmendes
Kühlmittel wird abgekühlt und strömt
dann in die Gärkammer 26, um diese zu kühlen.
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Der
Eisspeicher 25 ermöglicht es, den Zeitpunkt des
Auftretens höchster Abwärme der Backöfen 24 zeitlich
von dem Zeitpunkt der maximalen Kühlleistung in der Gärkammer 26 zu
trennen.
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Um
Kälteenergie auch in Zeitpunkten entstehen zu lassen, wenn
an den Backöfen 22 keine Abwärme entsteht,
kann die Absorptionskältemaschine 24 zusätzlich
mit einem Brenner versehen sein oder an ein anderes Heizsystem angeschlossen
sein.
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Die 5 zeigt
ein neuartiges Absorptionskälteverfahren, mit dem zuverlässig
durch das Kältemittel Wasser Temperaturen weit unter dem
Gefrierpunkt erzeugt werden können. Die Temperaturen des Kältemittels
können bei –10°C liegen.
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Um
derartig niedrige Kühltemperaturen mit dem Kältemittel
Wasser zu realisieren, wird zusätzlich zu dem Absorptionskreislauf,
der sich in der 5 in der rechten Hälfte
des Diagramms befindet, ein Resorptionskreislauf für das
Kältemittel eingeführt, der in der linken Hälfte
des Diagramms dargestellt ist.
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Im
Verdampfer 1 wird zunächst auf herkömmliche
Weise im Vakuum Wasserdampf erzeugt., der durch die Verdampfungsenthalpie
die niedrige Temperatur des Kältemittels hervorruft. Die
Dampferzeugung erfolgt in einem Vakuum bei etwa 2 mbar Druck. Bei
diesem Druck verdampft Wasser bereits bei einer Temperatur von unter –10°C.
In dem Verdampfer entsteht die Nutzkälte, die auf ein externes Kühlmittel übertragen
werden kann. Der Wasserdampf wird übergeleitet in einen
Absorber 2, wo er in das Lösungsmittel aufgenommen
wird. Dabei entsteht eine Abwärme, die z. B. durch Kühlwasser
abgeführt wird. Dieses Kühlwasser kann wiederum
zur Wärmezufuhr auf niedrigerem Temperaturniveau genutzt
werden. Vom Absorber 2 wird das Lösungsmittel über
die Lösungsmittelpunkte 3 zum Desorber 4 gepumpt.
Dabei durchläuft es einen regenerativen Wärmeübertrager 8 (Plattenwärmetauscher),
in dem es von dem rückströmenden, wasserarmen
Lösungsmittel erhitzt wird. Im Desorber 4 wird
das Lösungsmittel erhitzt, wobei das Wasser durch Wärmezufuhr aus
dem Lösungsmittel ausgetrieben wird. Das wasserarme Lösungsmittel
strömt anschließend durch die Entspannungsdrossel 7 wieder
zurück zum Absorber 2. Der Lösungsmittelkreislauf
entspricht im Wesentlichen dem Lösungsmittelkreislauf aus 1.
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Anders
als in der bekannten Absorptionskältemaschine gemäß 1 ist
auf der Seite des Verdampfers 1 aber kein reines Wasser
vorhanden. Der Wasserdampf aus dem Desorber 4 strömt
in einen Resorber 27, in dem er von einer wasserarmen Lösung
resorbiert wird. Vorzugsweise weist die Lösung im linken
Kreis mit Resorber 27 und Verdampfer 1 die gleichen
Bestandteile auf wie die Lösung im rechten Kreis mit Absorber 2 und
Desorber 4. Dies können neben Wasser beispielsweise
Salze wie Lithiumbromid sein. Vorzugsweise wird eine Säure
und/oder Lauge, z. B. Schwefelsäure und Natronlauge, dem Wasser
beigemischt. Diese Beimischungen senken den Gefrierpunkt des Wassers
erheblich und bis weit unter –10°C ab. Sie ermöglichen
folglich eine Kältemitteltemperatur im Verdampfer 1,
die erheblich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Nach der
Aufnahme des von dem Desorber 4 stammenden Wassers im Resorber 27 unter
Abgabe von Wärmeenergie strömt das wasserreiche
Lösungsmittel von dem Resorber 27 durch einen
regenerativen Wärmeübertrager 28 und
die Entspannungsdrossel 7 zum Verdampfer 1.
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Anders
als bei der Absorptionskältemaschine gemäß dem
Stand der Technik (1) wird das Fluid bei der Variante
gemäß 5 im Verdampfer nicht vollständig
verdampft. Es verdampft lediglich ein Teil des Wassers in dem Fluid.
Das hochkonzentrierte Fluid wird anschließend von dem Verdampfer mittels
einer Kältemittelpumpe 29 durch den Wärmeübertrager 28 zurück
zum Resorber 27 gepumpt. Im Wärmeübertrager 28 wird
die das Kältemittel erhitzt. Im Resorber 27 nimmt
sie wieder den Wasserdampf aus dem Desorber 4 auf und strömt
als wasserreiche Lösung zurück zum Verdampfer 1.
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Die
Einführung dieses Resorptionskreises führt dazu,
dass nicht reines Wasser, sondern eine wässrige Lösung
mit weit unter –10°C im Verdampfer vorhanden ist.
Ferner ermöglicht sie Konzentrationsverschiebungen zwischen
der Lösung im Verdampfer/Resorber-Kreislauf und im Absorber/Desorber-Kreislauf,
wie oben beschrieben.
-
Die 5 zeigt
ferner mögliche Stellen zur Anordnung von Konzentrationsmessvorrichtungen 30,
wie sie in den 2 und 3 gezeigt
sind. In dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Verdampfer 1 und
dem Resorber 27 kann die Konzentrationsmessvorrichtung 30 in
der Leitung für aus dem Verdampfer 1 abgepumptes
hochkonzentriertes Kältemittel angeordnet sein. Die Konzentrationsmessvorrichtung 30 ist
in 5 unmittelbar hinter dem im Vakuum arbeitenden
Verdampfer 1 angeordnet. Sie kann auch in der Leitung für
das hoch konzentrierte Kältemittel unmittelbar vor dem
Resorber 27 angeordnet sein, in dem ein höherer Druck
herrscht. In diesem Fall sind die Anforderungen an die Abdichtung
der Konzentrationsmessvorrichtung 30 geringer.
-
In
dem Lösungsmittelkreislauf zwischen Absorber 2 und
Desorber 4 ist die Konzentrationsmessvorrichtung 30 in
der Leitung angeordnet, die von dem Desorber 4 nach dem
Austreiben von Wasserdampf aus dem Lösungsmittel zurück
zum Absorber 2 führt. An dieser Stelle hat das
Lösungsmittel die höchste Konzentration.
-
Anhand
der Messwerte der Konzentrationsmessvorrichtungen 30 kann
zum einen durch geeignete Steuermittel (nicht dargestellt) die Konzentration im
Kältemittelkreislauf und im Lösungsmittelkreislauf individuell
gesteuert werden. Zum anderen können auch Konzentrationsverschiebungen
realisiert werden, die je nach Betriebszustand vorteilhaft sein
können. Es kann also gleichzeitig die Konzentration im Kältemittelkreislauf
gesteigert werden und im Lösungsmittelkreislauf gesenkt
werden oder umgekehrt.
-
- 1
- Verdampfer
- 2
- Absorber
- 3
- Lösungsmittelpumpe
- 4
- Desorber
- 5
- Kondensator
- 6
- Entspannungsdrossel
- 7
- Entspannungsdrossel
- 8
- Regenerativer
Wärmeübertrager
- 9
- Hohlraum
- 10
- Flüssigkeit,
Lösungsmittel
- 11
- Aufnahmerohr
- 12
- Aufnahmerohr
- 13,
13'
- Senkspindel
- 14,
14'
- Spindelhals
- 15
- Permanentmagnet
- 16
- Leiste
- 17
- Messstab
- 18,
18'
- Schwimmer
- 19
- Spule
- 20
- Anschlussdraht
- 21
- Anschlussdraht
- 22
- Backofen
- 23
- Abgaskanal
- 24
- Absorptionskältemaschine
- 25
- Eisspeicher
- 26
- Gärkammer
- 27
- Resorber
- 28
- regenerativer
Wärmeübertrager
- 29
- Kältemittelpumpe
- 30
- Konzentrationsmessvorrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10347497
B4 [0007, 0038]
- - DE 10347498 B4 [0007, 0038]
- - DE 10353058 B4 [0007, 0038, 0038]
- - EP 2005/008717 [0010]
- - CA 2216257 [0011]
- - EP 1391668 [0037]