DE102016205120A1

DE102016205120A1 - Absorptionskältemaschine

Info

Publication number: DE102016205120A1
Application number: DE102016205120.2A
Authority: DE
Inventors: Mario Wallisch; Marco Lorenz; Georg Feldhaus; Martin Brenner
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2017-10-05
Also published as: US20170284707A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absorptionskältemaschine (1), insbesondere zur Abwärmerückgewinnung bei einer Brennkraftmaschine, die einen Absorptionsmittelkreis (2), in dem ein Absorptionsmittel zirkuliert und der einen Absorber (3) sowie einen Desorber (4) aufweist, und einen Arbeitsmittelkreis (9) aufweist, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert und der einen Verdampfer (10) sowie einen Kondensator (11) aufweist.
Eine kompakte Bauweise ergibt sich mit einer Niederdruck-Membrananordnung (21), die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist und die zwischen dem Verdampfer (10) und dem Absorber (3) so angeordnet ist, dass sie einerseits mit dem Arbeitsmittel und andererseits mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht, und mit einer Hochdruck-Membrananordnung (23), die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist und die zwischen dem Desorber (4) und dem Kondensator (11) so angeordnet ist, dass sie einerseits mit dem Arbeitsmittel und andererseits mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Absorptionskältemaschine, die insbesondere zur Abwärmerückgewinnung bei einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, geeignet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Absorptionskältemaschine.
Aus der DE 10 2010 049 916 A1 ist es zur Nutzung von Abwärme aus einem Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine bekannt, eine Absorptionskältemaschine vorzusehen, die einen Kältekreis aufweist. Im Kältekreis befinden sich ein Kondensator, ein Verdampfer, ein Absorber und ein Desorber. Über den Desorber erfolgt die wärmeübertragende Kopplung mit dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine. Bei der bekannten Absorptionskältemaschine sind Absorber, Desorber, Verdampfer und Kondensator separate Bauteile, die vergleichsweise viel Bauraum benötigen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Absorptionskältemaschine eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen kompakten Aufbau auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Absorptionskältemaschine umfasst einen Absorptionsmittelkreis, in dem ein Absorptionsmittel zirkuliert und der einen Absorber sowie einen Desorber aufweist, sowie einen Arbeitsmittelkreis, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert und der einen Verdampfer sowie einen Kondensator aufweist. Es sind somit zwei separate Kreise vorgesehen, um einerseits das Absorptionsmittel und andererseits das Arbeitsmittel zu führen. Diese beiden an sich separaten Kreise sind mit Hilfe von zwei Membrananordnungen miteinander gekoppelt, nämlich über eine Niederdruck-Membrananordnung, die im Folgenden als ND-Membrananordnung bezeichnet wird, und über eine Hochdruck-Membrananordnung, die im Folgenden auch als HD-Membrananordnung bezeichnet wird. Die ND-Membrananordnung ist für dampfförmiges Arbeitsmittel durchlässig, während sie für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist. Somit kann über die ND-Membrananordnung dampfförmiges Arbeitsmittel vom Arbeitsmittelkreis in den Absorptionsmittelkreis übertreten. Ferner ist die ND-Membrananordnung zwischen dem Verdampfer und dem Absorber so angeordnet, dass sie einerseits dem Arbeitsmittel und andererseits dem Absorptionsmittel direkt ausgesetzt ist, also während des Betriebs der Absorptionskältemaschine damit in Kontakt steht. Somit kann Arbeitmitteldampf unmittelbar vom Arbeitsmittel durch die ND-Membrananordnung hindurch in das Absorptionsmittel gelangen. Die HD-Membrananordnung ist ebenfalls für dampfförmiges Arbeitsmittel durchlässig, während sie für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist. Grundsätzlich können ND-Membrananordnung und HD-Membrananordnung identisch aufgebaut sein. Die HD-Membrananordnung ist zwischen dem Desorber und dem Kondensator so angeordnet, dass sie einerseits dem Arbeitsmittel und andererseits dem Absorptionsmittel direkt ausgesetzt ist, also während des Betriebs der Absorptionskältemaschine damit in Kontakt steht. Somit kann dampfförmiges Arbeitsmittel vom Absorptionsmittelkreis unmittelbar durch die HD-Membrananordnung in den Arbeitsmittelkreis gelangen. Durch diese Maßnahmen baut die hier vorgestellte Absorptionskältemaschine einerseits im Bereich des Absorbers und des Verdampfers und andererseits im Bereich des Desorbers und des Kondensators extrem kompakt, so dass die Absorptionskältemaschine wenig Bauraum benötigt.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Ausführungsform, bei der zumindest eine dieser Membrananordnungen eine Arbeitsmittelmembran und zusätzlich eine Absorptionsmittelmembran aufweist. Die Arbeitsmittelmembran ist direkt dem Arbeitsmittel ausgesetzt und steht während des Betriebs der Absorptionskältemaschine damit in Kontakt. Die Arbeitsmittelmembran ist für Arbeitsmitteldampf durchlässig, während sie für flüssiges Arbeitsmittel undurchlässig ist. Die Absorptionsmittelmembran ist direkt dem Absorptionsmittel ausgesetzt und steht während des Betriebs der Absorptionskältemaschine mit dem Absorptionsmittel in Kontakt. Die Absorptionsmittelmembran ist für Arbeitsmitteldampf durchlässig, während sie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist. Durch diese beiden separaten Membranen innerhalb der jeweiligen Membrananordnung lassen sich Absorber und Verdampfer einerseits, wenn es sich um die ND-Membrananordnung handelt, bzw. Desorber und Kondensator andererseits, wenn es sich um die HD-Membrananordnung handelt, besser thermisch voneinander trennen, wodurch parasitäre Wärmeströme, welche die Effizienz der Absorptionskältemaschine reduzieren, verringert werden können. Dementsprechend kann die jeweilige Membrananordnung mit zumindest zwei Membranen die Effizienz der Absorptionskältemaschine verbessern. Vorzugsweise besitzt die jeweilige Membrananordnung genau zwei getrennte Membranen, nämlich die Arbeitsmittelmembran und die Absorptionsmittelmembran. In diesem Fall ist die jeweilige Membrananordnung dann als Doppelmembran ausgestaltet. Bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der sowohl die ND-Membrananordnung als auch die HD-Membrananordnung jeweils mit einer solchen Arbeitsmittelmembran und einer solchen Absorptionsmittelmembran ausgestattet sind. Arbeitsmittelmembran und Absorptionsmittelmembran können grundsätzlich aus identischem Membranmaterial bestehen. Zweckmäßig können sie jedoch aus verschiedenen Membranmaterialien bestehen, die beispielsweise für den jeweiligen Druckbereich, nämlich ND bzw. HD, angepasst sind.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann in der jeweiligen Membrananordnung zwischen der Arbeitsmittelmembran und der Absorptionsmittelmembran ein Zwischenraum ausgebildet sein. Mit Hilfe eines derartigen Zwischenraums können unerwünschte Wärmeströme weiter reduziert werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der im Zwischenraum ein Tiefdruck herrscht, der unterhalb des Niederdrucks liegt und der insbesondere unterhalb eines atmosphärischen Umgebungsdrucks liegt, der üblicherweise etwa 1 bar beträgt. Durch einen Unterdruck im Zwischenraum wird einerseits die thermische Isolationswirkung verbessert. Andererseits wird dadurch die Partialdruckdifferenz an der jeweiligen Membran für den Arbeitsmitteldampf vergrößert, was die Durchlässigkeit der jeweiligen Membran für Arbeitsmitteldampf erhöht. Außerdem steigt dadurch der Partialdruckanteil des Arbeitsmitteldampfs im Zwischenraum, was ebenfalls für die Effizienz der Absorptionskältemaschine von Vorteil ist. Insbesondere lässt sich der Volumenstrom des Arbeitsmitteldampfs vergrößern.
Die Verwendung von zwei separaten Membranen mit oder ohne Zwischenraum ermöglicht es außerdem, sowohl den Absorptionsmittelkreis als auch den Arbeitskreis mit einem Überdruck zu betreiben, also mit einem Druck, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Mit anderen Worten, sowohl der HD im Bereich von Kondensator und Absorber als auch der ND im Bereich von Desorber und Kondensator liegen oberhalb des Umgebungsdrucks. Hierdurch wird die Gefahr, dass Fremdgase in das Arbeitsmittel bzw. in das Absorptionsmittel eindringen, reduziert.
Vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der innerhalb der jeweiligen Membrananordnung eine Spacerschicht vorgesehen ist, die zwischen der jeweiligen Arbeitsmittelmembran und der jeweiligen Absorptionsmittelmembran angeordnet ist, um dort den genannten Zwischenraum zu bilden. Die Spacerschicht ist dabei für Arbeitsmitteldampf durchlässig. Sie ist beispielsweise durch eine Gitterstruktur oder Gewebestruktur gebildet und somit üblicherweise auch für das flüssige Arbeitsmittel sowie für das flüssige Absorptionsmittel durchlässig. An der Spacerschicht können einerseits die Arbeitsmittelmembran und andererseits die Absorptionsmittelmembran unmittelbar anliegen. Die Spacerschicht kann dabei insbesondere zu einer Versteifung bzw. Stabilisierung der jeweiligen Membrananordnung führen, da die hierbei zur Verwendung kommenden Membranen üblicherweise relativ biegeweich sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Absorptionskältemaschine mit einer Verdampfer-Absorber-Einheit ausgestattet sein. Hierdurch wird für den Verdampfer und den Absorber eine besonders kompakte Baugruppe bereitgestellt. Zweckmäßig sind in der Verdampfer-Absorber-Einheit ein Absorptionsmittelpfad zum Führen des Absorptionsmittels und ein Arbeitsmittelpfad zum Führen des Arbeitsmittels durch die ND-Membrananordnung voneinander getrennt.
Vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der eine Niederdruck-Wärmeabführung (ND-Wärmeabführung) zum Abführen von Wärme vom Absorber einen Niederdruck-Kühlmittelpfad (ND-Kühlmittelpfad) zum Führen eines Kühlmittels aufweist, der in der Verdampfer-Absorber-Einheit mit dem Absorptionsmittelpfad wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist. Auf diese Weise ist die ND-Wärmeabführung hinsichtlich ihrer Kühlfunktion in die Verdampfer-Absorber-Einheit integriert.
Bei einer anderen Weiterbildung kann zusätzlich oder alternativ eine Niederdruck-Wärmezuführung (ND-Wärmezuführung) zum Zuführen von Wärme zum Verdampfer einen Niederdruck-Heizmittelpfad (ND-Heizmittelpfad) zum Führen eines Heizmittels aufweisen, der in der Verdampfer-Absorber-Einheit mit dem Arbeitsmittelpfad wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die ND-Wärmezuführung hinsichtlich ihrer Heizfunktion in die Verdampfer-Absorber-Einheit integriert werden.
Besonders vorteilhaft ist eine derartige Verdampfer-Absorber-Einheit dann vorgesehen, wenn die ND-Membrananordnung mit einer solchen Arbeitsmittelmembran und einer solchen Absorptionsmittelmembran ausgestattet ist.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Absorptionskältemaschine mit einer Kondensator-Desorber-Einheit ausgestattet sein, wodurch Kondensator und Desorber eine kompakte Einheit bilden. Zweckmäßig kann nun in der Kondensator-Desorber-Einheit ein Absorptionsmittelpfad Führen des Absorptionsmittels durch die HD-Membrananordnung von einem Arbeitsmittelpfad zum Führen des Arbeitsmittels getrennt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Hochdruck-Wärmeabführung (HD-Wärmeabführung) zum Abführen von Wärme vom Kondensator vorgesehen sein, die einen Hochdruck-Kühlmittelpfad (HD-Kühlmittelpfad) zum Führen eines Kühlmittels aufweist, der in der Kondensator-Desorber-Einheit mit dem Arbeitsmediumpfad wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist. Auf diese Weise lässt sich die Kühlfunktion der HD-Wärmeabführung in die Kondensator-Desorber-Einheit integrieren.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Hochdruck-Wärmezuführung (HD-Wärmezuführung) zum Zuführen von Wärme zum Desorber vorgesehen sein, die einen Hochdruck-Heizmittelpfad (HD-Heizmittelpfad) zum Führen eines Heizmittels aufweist, der in der Kondensator-Desorber-Einheit mit dem Arbeitmittelpfad wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist. Auf diese Weise lässt sich die Heizfunktion der HD-Wärmezuführung in die Kondensator-Desorber-Einheit integrieren.
Besonders zweckmäßig ist eine solche Kondensator-Desorber-Einheit dann, wenn die HD-Membrananordnung mit einer solchen Arbeitsmittelmembran und mit einer solchen Absorptionsmittelmembran ausgestattet ist.
Innerhalb der jeweiligen Einheit kann die wärmeübertragende und mediengetrennte Kopplung mittels einer Wärmeübertragerstruktur erfolgen, die für die jeweiligen Medien undurchlässig ist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine unstrukturierte oder um eine strukturierte Platte oder Folie handeln, beispielsweise aus einem Metall. Beispielsweise kann hierbei eine Stahlplatte oder Stahlfolie, vorzugsweise eine Edelstahlplatte oder Edelstahlfolie, zum Einsatz kommen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann im Absorptionsmittelkreis ein Rekuperator angeordnet sein, der einen vom Absorber zum Desorber führenden Vorlauf des Absorptionsmittelkreises mit einem vom Desorber zum Absorber führenden Rücklauf des Absorptionsmittelkreises wärmeübertragend und mediengetrennt koppelt. Hierdurch kann der energetische Wirkungsgrad der Absorptionskältemaschine signifikant erhöht werden.
Die einzelnen Membranen, die in der jeweiligen Membrananordnung zur Anwendung kommen, können dabei als Hohlfasermembranen ausgestaltet sein. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Membranen als Flachmembranen ausgestaltet sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Absorptionskältemaschine der vorstehend beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass der Hochdruck (HD) oberhalb des Niederdrucks (ND) liegt und dass der Hochdruck sowie der Niederdruck im Absorptionsmittelkreis innerhalb des flüssigen Absorptionsmittels und im Arbeitsmittelkreis innerhalb des flüssigen Arbeitsmittels oberhalb eines atmosphärischen Umgebungsdrucks liegt, der in der Regel etwa 1 bar beträgt. In einem Zwischenraum, der sich innerhalb der jeweiligen Membrananordnung zwischen der Arbeitsmittelmembran und der Absorptionsmittelmembran befindet, stellt sich dagegen ein Tiefdruck (TD) ein, der bevorzugt unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Mit anderen Worten, der Absorptionsmittelkreis und der Arbeitsmittelkreis werden in der Flüssigphase jeweils mit einem Überdruck betrieben, während innerhalb der jeweiligen Membrananordnung im genannten Zwischenraum ein Unterdruck eingestellt wird. Durch diese Betriebsweise wird einerseits erreicht, dass die Gefahr eines Eindringens von Fremdgasen aus der Umgebung in das Arbeitsmittel bzw. in das Absorptionsmittel reduziert ist, während andererseits der Volumenstrom an Arbeitsmitteldampf vergrößert werden kann. Gleichzeitig wird innerhalb der Membrananordnung ein parasitärer Wärmeübergang reduziert. Insgesamt lässt sich somit die Effizienz der Absorptionskältemaschine verbessern. Zum Einstellen des besagten Tiefdrucks kann im jeweiligen Zwischenraum zunächst eine vorausgehende Evakuierung im Rahmen der Herstellung der jeweiligen Membrananordnung durchgeführt werden, z.B. um störende Fremdgase zu entfernen. Anschließend stellt sich der jeweilige Tiefdruck dann während des Betriebs von selbst ein, nämlich durch den Dampfdruck des Arbeitsmitteldampfs. Bei einer Lithiumbromid-Wasserlösung kann dieser Tiefdruck im Zwischenraum der ND-Membrananordnung bei etwa 10 mbar liegen, während er im Zwischenraum der HD-Membrananordnung bei etwa 100 mbar liegen kann.
Im vorliegenden Zusammenhang steht "ND" stets für "Niederdruck", während "HD" stets für Hochdruck steht, wobei die Begriffe relativ zu verstehen sind, so dass der HD oberhalb des ND liegt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 ein Druck-Temperatur-Diagramm zur Veranschaulichung einer Absorptionskältemaschine,
2 eine stark vereinfachte Schnittansicht im Bereich einer Membrananordnung der Absorptionskältemaschine,
3 eine stark vereinfachte Schnittansicht einer Kondensator-Desorber-Einheit der Absorptionskältemaschine,
4 eine stark vereinfachte Schnittansicht einer Verdampfer-Absorber-Einheit der Absorptionskältemaschine,
5 eine Schnittansicht wie in 3 mit zusätzlichen Details im Bereich der Membrananordnung.
Entsprechend 1 finden sich in dem gezeigten Diagramm auf der Ordinate der Druck P und auf der Abszisse die Temperatur T. Hierdurch lassen sich in diesem P-T-Diagramm die Lage der wichtigsten Komponenten einer Absorptionskältemaschine 1 hinsichtlich Temperatur und Druck veranschaulichen. Die Absorptionskältemaschine 1, die beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine zur Abwärmerückgewinnung zum Einsatz kommen kann, umfasst einen Absorptionsmittelkreis 2, in dem ein Absorptionsmittel zirkuliert und der einen Absorber 3 sowie eine Desorber 4 aufweist. Ein Vorlauf 5 des Absorptionsmittelkreises 2 führt das Absorptionsmittel vom Absorber 3 zum Desorber 4. Im Vorlauf 5 ist eine Absorptionsmittelpumpe 6 angeordnet. Ein Rücklauf 7 des Absorptionsmittelkreises 2 führt vom Desorber 4 zum Absorber 3 zurück und kann eine Drossel 8 enthalten. Die Absorptionskältemaschine 1 weist außerdem einen Arbeitsmittelkreis 9 auf, in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert und der einen Verdampfer 10 sowie einen Kondensator 11 aufweist. Ein Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 führt das Arbeitsmittel vom Verdampfer 10 zum Kondensator 11. Im Diagramm der 1 verläuft dieser Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 innerhalb des Vorlaufs 5 des Absorptionsmittelkreises 2, was darauf zurückzuführen ist, dass das verdampfte Arbeitsmittel im Absorptionsmittel absorbiert wird und darin vom Absorber 3 bis zum Desorber 4 geführt wird und erst dort wieder vom Absorptionsmittel getrennt wird. Auf eine separate Pumpe zum Antreiben des Arbeitsmittels im Arbeitsmittelkreis 9 kann dann bei dieser theoretischen bzw. prinzipiellen Darstellung verzichtet werden. In der Theorie sind somit der Vorlauf 5 des Absorptionsmittelkreises 2 und der Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 in einer gemeinsamen Leitung geführt. In der Praxis können dagegen separate Leitungen für den Vorlauf 5 des Absorptionsmittelkreises 2 und den Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 vorgesehen sein, wobei im Vorlauf 5 des Absorptionsmittelkreises 2 mit Arbeitsmittel angereichertes Absorptionsmittel geführt wird, während im Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 der unverdampfte Rest des Arbeitsmittels geführt wird. Zweckmäßig kann dann im Vorlauf 12 des Arbeitsmittelkreises 9 eine separate Pumpe zum Antreiben des Arbeitsmittels angeordnet sein. Ein Rücklauf 13 des Arbeitsmittelkreises 9 führt das Arbeitsmittel vom Kondensator 11 zum Verdampfer 10 zurück und kann eine Drossel 14 enthalten.
Zur verbesserten energetischen Effizienz ist hier im Absorptionsmittelkreis 2 außerdem ein Rekuperator 15 angeordnet, um den Vorlauf 5 des Absorptionsmittelkreises 2 mit dem Rücklauf 7 des Absorptionsmittelkreises 2 wärmeübertragend zu koppeln. Dabei handelt es sich beim Rekuperator 15 um einen Wärmetauscher, in dem die Wärmeübertragung mediengetrennt erfolgt.
Wie sich dem Diagramm der 1 entnehmen lässt, liegen Verdampfer 10 und Absorber 3 im Bereich eines Verdampferdrucks P_EVAP, also in einem Niederdruckbereich ND. Im Unterschied dazu liegen Kondensator 11 und Desorber 4 im Bereich eines Kondensationsdrucks P_KOND, also in einem Hochdruckbereich HD.
Gemäß 1 kann mit Hilfe einer ND-Wärmezuführung 16, die durch einen Pfeil angedeutet ist, Wärme Q_EVAP dem Verdampfer 10 zugeführt werden. Mit Hilfe einer ND-Wärmeabführung 17 kann der Gegenwärme Q_ABS vom Absorber 3 abgeführt werden. Mit Hilfe einer HD-Wärmezuführung 18 kann dem Desorber 4 Wärme Q_DES zugeführt werden. Mit Hilfe einer HD-Wärmeabführung 19 kann dagegen Wärme Q_KOND vom Kondensator 11 abgeführt werden. Die ND-Wärmezuführung 16 arbeitet bei einer Verdampfungstemperatur T_EVAP. Die ND-Wärmeabführung 17 arbeitet bei einer Absorptionstemperatur T_ABS. Die HD-Wärmezuführung 18 arbeitet bei einer Desorptionstemperatur T_DES. Die HD-Wärmeabführung 19 arbeitet bei einer Kondensationstemperatur T_KOND, die etwa der Absorptionstemperatur T_ABS entspricht. Die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmeabgabe T_KOND und/oder T_ABS einerseits und der Temperatur der Kälteerzeugung bzw. der Wärmeaufnahme T_EVAP andererseits wird als Temperaturhub ΔT_H bezeichnet, so dass gilt: ΔT_H = T_KOND – T_EVAP.
Der Kreisprozess der Absorptionskältemaschine 1 läuft folgendermaßen ab. Das Arbeitsmittel, vorzugsweise Wasser, verdampft im Verdampfer 10 unter Aufnahme der Verdampfungswärmeleistung Q_EVAP. Der erzeugte Arbeitsmitteldampf wird dem Absorber 3 zugeführt, wo er von dem Absorptionsmittel unter Abgabe des Wärmestroms Q_ABS absorbiert wird. Dieses Absorptionsmittel ist eine Mischung aus dem Arbeitsmittel selbst und einem oder mehreren weiteren Stoffen: Beispielsweise kann es sich um eine Lithiumbromid-Wasser-Lösung (LiBr-H₂O-Lösung) handeln. Im Absorptionsmittel tritt im Vergleich zum reinen Arbeitsmittel eine Siedepunkterhöhung auf. Deshalb wird der Arbeitsmitteldampf unter demselben Druck P_EVAP wie im Verdampfer 10, aber bei höherer Temperatur T_ABS unter Abgabe des Wärmestroms Q_ABS im Absorber 3 absorbiert. Das nunmehr durch das Arbeitsmittel angereicherte Absorptionsmittel verlässt den Absorber 3 mit einer Konzentration X_DES. Mit der Pumpe 6 wird das Absorptionsmittel auf den höheren Druck P_KOND gebracht und dem Desorber 4 zugeführt, der auch als Austreiber bezeichnet werden kann. Im Vergleich zur Verdampfungswärmeleistung ist dabei die Pumpenleistung vergleichsweise gering, da praktisch nur inkompressible Flüssigkeit gepumpt werden muss.
Im Desorber 4 wird durch Zufuhr der Antriebs- oder Desorptionswärmeleistung Q_DES bei der Temperatur T_DES das Arbeitsmittel wieder aus dem Absorptionsmittel ausgedampft. Der entstehende Arbeitsmitteldampf wird auf dem Druck P_KOND wie bei einem Kompressionskältekreislauf im Kondensator 11 unter Abgabe des Kondensationswärmestroms Q_KOND verflüssigt. Das flüssige Arbeitsmittel kann dann über die Drossel 14 wieder dem Verdampfer 10 zugeführt werden, wodurch der Arbeitsmittelkreis 9 geschlossen ist. Das aus dem Desorber 4 ausfließende Absorptionsmittel, das nun eine hinsichtlich des Arbeitsmittels reduzierte Konzentration X_ABS aufweist, wird über die Drossel 8 entspannt und dem Absorber 3 zugeführt. Dort kann das Absorptionsmittel erneut Arbeitsmitteldampf absorbieren.
Somit ist auch der Absorptionsmittelkreis 2 geschlossen. Die Differenz zwischen den austretenden und eintretenden Konzentrationen X_ABS und X_DES wird als Entgasungsbreite ΔX bezeichnet, so dass gilt: ΔX = X_ABS – X_DES.
Meistens liegen die Temperaturen des Kondensators 11 und des Absorbers 3 ungefähr auf gleichem Niveau, so dass die Kondensationswärmeleistung Q_KOND und die Absorptionswärmeleistung Q_ABS, wie in 1 gezeigt, bei der gleichen Temperatur anfallen, nämlich T_ABS bzw. bei T_KOND. Kann man jedoch Wärme auf mehreren Temperaturniveaus nutzen, so können auch unterschiedliche Temperaturen für den Kondensator 11 und den Absorber 3 gewählt werden.
Wie sich 1 ferner entnehmen lässt, muss das arbeitsmittelreiche Absorptionsmittel von der Absorbertemperatur T_ABS auf die Desorbertemperatur T_DES aufgewärmt werden. Im Unterschied dazu muss das arbeitsmittelarme Absorptionsmittel von der Desorbertemperatur T_DES auf die Absorbertemperatur T_ABS abgekühlt werden. Diese dafür notwendige, im Desorber 4 aufzubringende Antriebswärmeleistung bzw. die im Absorber 3 abzuführende Wärmeleistung kann durch den Rekuperator 15, in dem das vom Absorber 3 kommende arbeitsmittelreiche Absorptionsmittel, vorzugsweise im Gegenstrom, durch Abkühlen des aus dem Desorber 4 austretenden arbeitsmittelarmen Absorptionsmittels erwärmt wird, erheblich reduziert werden.
Die Überführung des verdampften Arbeitsmittels in das Absorptionsmittel ist in 1 durch einen Pfeil 20 angedeutet, der vom Verdampfer 10 zum Absorber 3 führt. Bei der hier vorgestellten Absorptionskältemaschine 1 wird dies mit Hilfe einer ND-Membrananordnung 21 erreicht, die zwischen dem Verdampfer 10 und dem Absorber 3 angeordnet ist. Ferner ist in 1 die Rückführung des Arbeitsmitteldampfes vom Desorber 4 zum Kondensator 11 durch einen Pfeil 22 angedeutet, der vom Desorber 4 zum Kondensator 11 führt. Bei der hier vorgestellten Absorptionskältemaschine 1 wird dies mit Hilfe einer HD-Membrananordnung 23 realisiert, die zwischen dem Desorber 4 und dem Kondensator 11 angeordnet ist.
Entsprechend 2 ist die jeweilige Membrananordnung 21, 23 für Arbeitsmitteldampf durchlässig, während sie für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist. Ferner ist die jeweilige Membrananordnung 21, 23 zwischen Verdampfer 10 und Absorber 3 bzw. zwischen Desorber 4 und Kondensator 11 so angeordnet, dass die jeweilige Membrananordnung 21, 23 einerseits direkt mit dem Arbeitsmittel und andererseits direkt mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht. Die im vorliegenden Zusammenhang verwendete Formulierung „jeweilige Membrananordnung“ nimmt dabei Bezug auf die ND-Membrananordnung 21 und/oder auf die HD-Membrananordnung 23.
Entsprechend den 2 bis 5 weist zumindest eine dieser Membrananordnungen 21, 23, vorzugsweise beide Membrananordnungen 21, 23, jeweils eine Arbeitsmittelmembran 24 sowie eine diesbezüglich separate Absorptionsmittelmembran 25 auf. Die Arbeitsmittelmembran 24 steht unmittelbar mit dem Arbeitsmittel in Kontakt und ist für Arbeitsmitteldampf durchlässig, während sie für flüssiges Arbeitsmittel undurchlässig ist. Die Absorptionsmittelmembran 25 steht unmittelbar mit dem Absorptionsmittel in Kontakt und ist für Arbeitsmitteldampf durchlässig, während sie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist.
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist in der jeweiligen Membrananordnung 21, 23 zwischen der Arbeitsmittelmembran 24 und der Absorptionsmittelmembran 25 ein Zwischenraum 26 angeordnet bzw. ausgebildet. Vorzugsweise wird der Zwischenraum 26 mittels einer Spacerschicht 27 realisiert, die zwischen der Arbeitsmittelmembran 24 und der Absorptionsmittelmembran 25 angeordnet ist und die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist. An dieser Spacerschicht 27 liegen einerseits die Arbeitsmittelmembran 24 und andererseits die Absorptionsmittelmembran 25 jeweils unmittelbar an. Insbesondere kann es sich bei der Spacerschicht 27 um eine Gewebestruktur oder um eine Gitterstruktur handeln und/oder um ein Bauteil aus einem Kunststoff oder aus Metall.
In 2 ist eine Basis-Einheit 28 gezeigt, die eine solche Membrananordnung 21, 23 sowie einen Absorptionsmittelpfad 29 zum Führen des Absorptionsmittels und einen Arbeitsmittelpfad 30 zum Führen des Arbeitsmittels aufweist. Absorptionsmittelpfad 29 und Arbeitsmittelpfad 30 sind dabei innerhalb der Basis-Einheit 28 durch die Membrananordnung 21, 23 voneinander getrennt. Die Anordnung erfolgt dabei innerhalb der Basis-Einheit 28 derart, dass die Membrananordnung 21, 23 einerseits unmittelbar mit dem im Absorptionsmittelpfad 29 geführten Absorptionsmittel in Kontakt steht, während sie andererseits unmittelbar mit dem im Arbeitsmittelpfad 30 geführten Arbeitsmittel in Kontakt steht. Im Einzelnen steht die Absorptionsmittelmembran 25 mit dem im Absorptionsmittelpfad 29 geführten Absorptionsmittel in Kontakt, während die Arbeitsmittelmembran 24 unmittelbar mit dem im Arbeitsmittelpfad 30 geführten Arbeitsmittel in Kontakt steht. In 2 sind außerdem durch Pfeile angedeutet ein Arbeitsmitteleintritt 31, ein Arbeitsmittelaustritt 32, ein Absorptionsmitteleintritt 33 und ein Absorptionsmittelaustritt 34. Beim Absorptionsmittelpfad 29 und beim Arbeitsmittelpfad 30 kann es sich um Kanäle oder Leitungen handeln, die gemäß der geometrischen Erstreckung der jeweiligen Membrananordnung 21, 23 vorzugsweise flach ausgestaltet sind.
Die in 2 gezeigte Basis-Einheit 28 befindet sich auch in einer in den 3 und 5 gezeigten Kondensator-Desorber-Einheit 35 sowie in einer in 4 gezeigten Verdampfer-Absorbereinheit 36.
Gemäß den 3 und 5 enthält die Basis-Einheit 28 dabei die HD-Membrananordnung 23. Die Kondensator-Desorber-Einheit 35 ist zusätzlich zur Basis-Einheit 28 mit einem HD-Kühlmittelpfad 37 der HD-Wärmeabführung 19 ausgestattet, wobei ein Kühlmitteleintritt 38 und ein Kühlmittelaustritt 39 mit Pfeilen angedeutet sind. Der HD-Kühlmittelpfad 37 führt ein Kühlmittel und ist dabei innerhalb der Kondensator-Desorber-Einheit 35 mit dem Arbeitsmittelpfad 30 wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt. Erreicht wird dies hier mittels einer Wärmeübertragerstruktur 40. Ferner ist die Kondensator-Desorber-Einheit 35 mit einem HD-Heizmittelpfad 41 der HD-Wärmezuführung 18 ausgestattet, der zum Führen eines Heizmittels dient. Ein entsprechender Heizmitteleinlass 42 und ein Heizmittelauslass 43 sind durch Pfeile angedeutet. Der HD-Heizmittelpfad 41 ist innerhalb der Kondensator-Desorber-Einheit 35 mit dem Absorptionsmittelpfad 29 wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt. Erreicht wird dies hier ebenfalls über eine Wärmeübertragerstruktur 44. Während des Betriebs der Absorptionskältemaschine 1 wird somit über den HD-Heizmittelpfad 41 Desorptionswärme Q_D durch die Wärmeübertragerstruktur 44 dem mit Arbeitsmittel angereicherten Absorptionsmittel des Absorptionsmittelpfads 29 zugeführt, wobei Arbeitsmitteldampf entsteht, der gemäß einem Pfeil 45 die HD-Membrananordnung 23 durchdringt und so zum Arbeitsmittelpfad 30 gelangt. Dort, also am bzw. im Arbeitsmittel erfolgt dann die Kondensation des Arbeitsmitteldampfs. Die hierbei anfallende Kondensationswärme Q_K wird über die Wärmeübertragerstruktur 40 dem Kühlmittel im HD-Kühlmittelpfad 37 zugeführt. In der Kondensator-Desorber-Einheit 35 sind der Desorberbereich mit D und der Kondensatorbereich mit K bezeichnet.
Gemäß 4 enthält auch die Verdampfer-Absorber-Einheit 36 eine solche Basis-Einheit 28. Zusätzlich ist ein ND-Kühlmittelpfad 46 der Niederdruck-Wärmeabführung 17 vorgesehen, der ein Kühlmittel führt. Ein entsprechender Kühlmitteleintritt 47 und ein Kühlmittelaustritt 48 sind durch Pfeile angedeutet. Der ND-Kühlmittelpfad 46 ist innerhalb der Verdampfer-Absorber-Einheit 36 mit dem Absorptionsmittelpfad 29 wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt. Dies wird wieder mittels einer Wärmeübertragerstruktur 49 realisiert. Ferner ist ein ND-Heizmittelpfad 50 vorgesehen, der in die ND-Wärmezuführung 16 eingebunden ist bzw. ein Teil davon bildet. Der ND-Heizmittelpfad 50 dient zum Führen eines Heizmittels. Ein zugehöriger Heizmitteleintritt 51 und ein Heizmittelaustritt 52 sind durch Pfeile angedeutet. Der ND-Heizmittelpfad 50 ist wärmeübertragend und mediengetrennt mit dem Arbeitsmediumpfad 30 gekoppelt, beispielsweise über eine entsprechende Wärmeübertragerstruktur 53. In der Verdampfer-Absorber-Einheit 36 sind ein Verdampferbereich mit V und ein Absorberbereich mit A bezeichnet.
Während des Betriebs der Absorptionskältemaschine 1 wird über den ND-Heizmittelpfad 50 Wärme Q_V durch die Wärmeübertragerstruktur 53 vom Heizmittel in das im Arbeitsmittelpfad 30 geführte Arbeitsmittel übertragen. Durch die Erwärmung des Arbeitsmittels kommt es darin zur Verdampfung. Der Arbeitsmitteldampf kann dann gemäß einem Pfeil 54 vom Arbeitsmittelpfad 30 durch die ND-Membrananordnung 21 hindurch in das im Absorptionsmittelpfad 29 geführte Absorptionsmittel übertreten. Darin wird der Arbeitsmitteldampf absorbiert. Die dabei frei werdende Absorptionswärme Q_A wird durch die Wärmeübertragerstruktur 49 in das im ND-Kühlmittelpfad 46 geführte Kühlmittel übertragen und abgeführt.
Vorzugsweise sind die hier zum Einsatz kommenden Membranen 24, 25 als Flachmembranen ausgestaltet. Die Wärmeübertragerstrukturen 40, 44, 49, 53 können zweckmäßig als metallische Platten ausgestaltet sein. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Edelstahlplatten. Die Wärmeübertragerstrukturen 40, 44, 49, 53 können unstrukturiert, also insbesondere glatt und/oder eben sein, oder strukturiert, also insbesondere wellig und/oder mit Vorsprüngen ausgestattet sein.
Gemäß 5 kann im Bereich der HD-Membrananordnung 23 zumindest eine Evakuierungsleitung 55 an den Zwischenraum 26 angeschlossen sein, um aus diesem Zwischenraum 26 störende Fremdgase absaugen zu können. Diese Fremdgasabsaugung oder Evakuierung wird zumindest einmal, nämlich nach dem Befüllen des Arbeitsmittelkreises 9 mit flüssigem Arbeitsmittel und nach dem Befüllen des Absorptionsmittelkreises 2 mit flüssigem Absorptionsmittel durchgeführt. Danach kann eine Fremdgasabsaugung oder Evakuierung regelmäßig oder bedarfsabhängig während des Betriebs der Absorptionskältemaschine 1 durchgeführt werden, z.B. je nach Dichtheit der Kreise 2, 9 und Leistungsanspruch an die Absorptionskältemaschine 1. Während des Betriebs der Absorptionskältemaschine 1 stellt sich im jeweiligen Zwischenraum 26 aufgrund des Durchtritts des Arbeitsmitteldampfs durch die Membranen 24, 25 ein Tiefdruck ein. Dieser Tiefdruck liegt bevorzugt unterhalb eines Umgebungsdrucks, der in einer Umgebung 56 der Absorptionskältemaschine 1 herrscht. Beispielsweise herrscht in der Umgebung 56 ein Umgebungsdruck von etwa 1 bar. Der Tiefdruck kann im Zwischenraum 26 der HD-Membrananordnung beispielsweise bei 0,1 bar liegen und im Zwischenraum 26 der ND-Membrananordnung beispielsweise bei etwa 0,01 bar liegen, z.B. wenn als Arbeitsmittel Wasser und als Absorptionsmittel eine Lithiumbromid-Wasserlösung verwendet werden. Im Unterschied herrscht sowohl im Arbeitsmittelpfad 30 innerhalb des flüssigen Arbeitsmittels als auch im Absorptionsmittelpfad 29 innerhalb des flüssigen Absorptionsmittels ein Überdruck, also jeweils ein Druck, der oberhalb des Umgebungsdrucks liegt. Dabei ist klar, dass der Niederdruck kleiner ist als der Hochdruck. Die jeweilige Evakuierungsleitung 55 ist dabei zweckmäßig durch eine Dichtung 57 hindurchgeführt, die einerseits die Arbeitsmittelmembran 24 gegenüber der Absorptionsmittelmembran 25 abdichtet und die andererseits den Zwischenraum 26 gegenüber der Umgebung 56 abdichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010049916 A1 [0002]

Claims

Absorptionskältemaschine, insbesondere zur Abwärmerückgewinnung bei einer Brennkraftmaschine, – mit einem Absorptionsmittelkreis (2), in dem ein Absorptionsmittel zirkuliert und der einen Absorber (3) sowie einen Desorber (4) aufweist, – mit einem Arbeitsmittelkreis (9), in dem ein Arbeitsmittel zirkuliert und der einen Verdampfer (10) sowie einen Kondensator (11) aufweist, – mit einer Niederdruck-Membrananordnung (21), die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist und die zwischen dem Verdampfer (10) und dem Absorber (3) so angeordnet ist, dass sie einerseits mit dem Arbeitsmittel und andererseits mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht, – mit einer Hochdruck-Membrananordnung (23), die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und für flüssiges Arbeitsmittel sowie für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist und die zwischen dem Desorber (4) und dem Kondensator (11) so angeordnet ist, dass sie einerseits mit dem Arbeitsmittel und andererseits mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht, – wobei zumindest eine dieser Membrananordnungen (21, 23) eine Arbeitsmittelmembran (24), die mit dem Arbeitsmittel in Kontakt steht, die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und die für flüssiges Arbeitsmittel undurchlässig ist, und eine Absorptionsmittelmembran (25) aufweist, die mit dem Absorptionsmittel in Kontakt steht, die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist und die für flüssiges Absorptionsmittel undurchlässig ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der jeweiligen Membrananordnung (21, 23) zwischen der Arbeitsmittelmembran (24) und der Absorptionsmittelmembran (25) ein Zwischenraum (26) vorhanden ist.
Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (26) auf einen Tiefdruck evakuiert ist, der unterhalb des Niederdrucks liegt.
Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenraum (26) mittels einer Spacerschicht (27) gebildet ist, die für Arbeitsmitteldampf durchlässig ist, an der einerseits die Arbeitsmittelmembran (24) anliegt und an der andererseits die Absorptionsmittelmembran (25) anliegt.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruck-Membrananordnung (21) mit einer solchen Arbeitsmittelmembran (24) und einer solchen Absorptionsmittelmembran (25) ausgestattet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verdampfer-Absorber-Einheit (36) vorgesehen ist, in der ein Absorptionsmittelpfad (29) zum Führen des Absorptionsmittels und ein Arbeitsmittelpfad (30) zum Führen des Arbeitsmittels durch die Niederdruck-Membrananordnung (21) voneinander getrennt sind.
Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Wärmeabführung (17) zum Abführen von Wärme vom Absorber (3) einen Niederdruck-Kühlmittelpfad (46) zum Führen eines Kühlmittels aufweist, der in der Verdampfer-Absorber-Einheit (36) mit dem Absorptionsmittelpfad (29) wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist.
Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Niederdruck-Wärmezuführung (16) zum Zuführen von Wärme zum Verdampfer (10) einen Niederdruck-Heizmittelpfad (50) zum Führen eines Heizmittels aufweist, der in der Verdampfer-Absorber-Einheit (36) mit dem Arbeitsmediumpfad (30) wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Membrananordnung (23) mit einer solchen Arbeitsmittelmembran (24) und mit einer solchen Absorptionsmittelmembran (25) ausgestattet ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kondensator-Desorber-Einheit (35) vorgesehen ist, in der ein Absorptionsmittelpfad (29) zum Führen des Absorptionsmittels und ein Arbeitsmittelpfad (30) zum Führen des Arbeitsmittels durch die Hochdruck-Membrananordnung (23) voneinander getrennt sind.
Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruck-Wärmeabführung (19) zum Abführen von Wärme vom Kondensator (11) einen Hochdruck-Kühlmittelpfad (37) zum Führen eines Kühlmittels aufweist, der in der Kondensator-Desorber-Einheit (35) mit dem Arbeitsmittelpfad (30) wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist.
Maschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruck-Wärmezuführung (18) zum Zuführen von Wärme zum Desorber (4) einen Hochdruck-Heizmittelpfad (41) zum Führen eines Heizmittels aufweist, der in der Kondensator-Desorber-Einheit (35) mit dem Absorptionsmittelpfad (29) wärmeübertragend und mediengetrennt gekoppelt ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 7, 8, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeübertragende und mediengetrennte Kopplung mittels einer metallischen Wärmeübertragerstruktur (40, 44, 49, 53) erfolgt.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Absorptionskreis (2) ein Rekuperator (15) angeordnet ist, der einen vom Absorber (3) zum Desorber (4) führenden Vorlauf (5) des Absorptionskreises (2) mit einem vom Desorber (4) zum Absorber (3) führenden Rücklauf (7) des Absorptionskreises (2) wärmeübertragend und mediengetrennt koppelt.
Verfahren zum Betreiben einer Absorptionskältemaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, – dass der Hochdruck oberhalb des Niederdrucks liegt, – dass der Niederdruck oberhalb eines atmosphärischen Umgebungsdrucks liegt, – dass in einem Zwischenraum (26) zwischen der Arbeitsmittelmembran (24) und der Absorptionsmittelmembran (25) ein Tiefdruck herrscht, der unterhalb des Umgebungsdrucks liegt.