DE102021003800A1

DE102021003800A1 - Stoff- und Wärmeübertragungsapparatur für Wärmepumpen mit Lösungskreislauf

Info

Publication number: DE102021003800A1
Application number: DE102021003800.2A
Authority: DE
Inventors: Juan Bassols Rheinfelder; Tiago Bassols Rheinfelder
Original assignee: Bassols Absorption und Energieanlagen GmbH
Current assignee: BASSOLS ABSORPTION & ENERGIEANLAGEN GMBH, DE
Priority date: 2021-07-22
Filing date: 2021-07-22
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Wärmepumpen die an Stelle eines Kondensators und Verdampfers einen Lösungskreislauf mit einem Absorber und einem Entgaser haben, können Wärme bei hoher Temperatur und mit hohem Wirkungsgrad erzeugen. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen, in denen der Wärmeträger eine große Temperaturspreizung hat. Dabei ist der Absorber die kritische Komponente. Ein guter Stoffübergang und Wärmeübergang sind die Hauptanforderungen an den Absorber. Die üblichen Rieselfilmabsorber haben bei dieser Anwendung eine unvollständige Berieselung und einen schlechten Wärmeübergang.Kernkomponente dieser Wärmepumpe ist der Absorber, bei dem die Lösung das Kältemittel absorbiert und die Absorptionswärme an einen Wärmeträger abgibt. Die Erfindung bezieht sich auf den Entwurf dieser Komponente insbesondere mit dem Stoffpaar Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Absorptionsmittel. Der Absorptionsprozess soll in einer Serie von getrennten Apparaten geschehen, wobei der Stoffübergang in adiabaten Absorbern, stattfinden soll und der Wärmeübergang in Wärmetauschern. Es werden mehrere adiabate Absorber und Wärmetauscher in Serie geschaltet, um eine optimale Temperatur zu erreichen. Ein Teil der im Wärmetauscher gekühlten Lösung wird dem vorgeschalteten adiabaten Absorber zurückgeführt.

Description

Eine Wärmepumpe besteht wesentlich aus einem Kondensator, einem Verdampfer, einem Kompressor und einer Drossel. Im Verdampfer wird, unter Zufuhr von Niedertemperaturwärme und bei einem niedrigen Druck, ein Kältemittel verdampft. Der Kompressor erhöht den Druck dieses Kältemitteldampfes und fördert es in den Kondensator. Im Kondensator wird, bei einer hohen Temperatur der Dampf verflüssigt und gibt Nutzwärme an einen Wärmeträger ab. Anschließend wird das flüssige Kältemittel in der Drossel entspannt und gelangt zurück in den Verdampfer, wo er erneut verdampft.
Die gewünschte Nutztemperatur bestimmt die Kondensationstemperatur und dadurch den Hochdruck. Um Beispielsweise Heizwasser von 65°C auf 125°C zu erwärmen ist eine Kondensationstemperatur von 130°C erforderlich. Dies entspricht bei der Verwendung des Kältemittels Ammoniak einem Hochdruck von 110 bar(a). Die vorhandene Niedertemperaturwärmequelle bestimmt die Verdampfungstemperatur und somit den Niederdruck.
Dieser Wärmepumpenprozess kann im idealen Fall durch den linksdrehenden Carnot Prozess im Temperatur/Entropie Diagramm dargestellt werden (Bild 1). Die Kondensation und Verdampfung werden durch Isothermen dargestellt und die Kompression und Entspannung, im idealen Fall, durch Isentropen. Die schraffierte Fläche stellt die erforderliche Antriebsleistung dar. Bei der Verdampfung sowie der Kondensation wird Wärme bei konstanter Temperatur übertragen.
Wärmezufuhr und -abfuhr können jedoch auch bei gleitenden Temperaturen stattfinden. Anstelle einer konstanten Abtriebstemperatur von 130°C kann auch in einem Temperaturbereich von 70°C bis 130°C Wärme übertragen werden. Im idealen Fall wird dies durch einen Joule Prozess beschrieben (Bild 2). An der schraffierten Fläche erkennt man, dass die erforderliche Antriebsleistung im Vergleich zum Carnot Prozess wesentlich niedriger ist.
Schon im letzten Jahrhundert hat man dazu eine technische Lösung erfunden. Im Jahr 1895 meldete August Osenbück ein Patent an. Das Patent beschreibt eine Kältemaschine mit Lösungskreislauf (Osenbrück, A., Verfahren zur Kälteerzeugung bei Absorptionsmachinen, in Kaiserliches Patentamt. 1895). Diese Erfindung wurde von Edmund Alternkirch 1950 weiterentwickelt (Die Kompressionskältemaschine mit Lösungskreislauf. Kältetechnik 10,11,12/1950) und später von Vinko Mučic gebaut (Two media resorption compression heat pump with solution circuit. V.Mučic, 2nd International Symposion on the Large Scale Applications of Heat Pumps, York, England, 25-27 September 1984).
Bei dieser Erfindung wird der Kondensator und der Verdampfer einer Wärmepumpe oder Kältemaschine durch einen Lösungskreislauf ersetzt. Der Lösungskreislauf besteht aus einem Absorber, einem Entgaser, einer Lösungspumpe und einer Lösungsdrossel. Je nach Anwendung können zusätzliche Wärmetauscher zur Effizienzsteigerung integriert werden. Im Bild 3 ist der vereinfachte Kreislauf im -1/T, In p Diagram dargestellt. Die Absorptionstemperatur hängt von der Konzentration der absorbierenden Lösung und vom Druck ab. Beim Eintritt der armen Lösung in den Absorber wird bei einer hohen Temperatur Wärme abgeführt und bei steigender Konzentration nimmt diese Temperatur ab. Im Gegenstromprinzip wird das Heizmedium bis kurz unterhalb der Absorbtionstemperatur aufgeheizt. Im Entgaser beginnt die reiche Lösung bei niedriger Temperatur sieden und bei der Abnahme der Konzentration nimmt die Siedetemperatur zu. Sowohl im Absorber als auch im Entgaser wird die Wärme bei gleitenden Temperaturen übertragen und können demnach näherungsweise durch oben genannten Joule Prozess beschrieben werden. Dieser Prozess kann an die Temperaturen des Wärmeträgers in beiden Komponenten angepasst werden. Zusätzlich lässt sich der Druck durch eine geeignete Wahl der Konzentrationen festlegen.
Im Vergleich zu Wärmepumpen oder Kältemaschinen mit Kondensator und Verdampfer können Anlagen mit einem Lösungskreislauf wesentlich höhere Heizzahlen (Wirkungsgrade) erreichen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass mit dem Stoffpaar Ammoniak/Wasser, bei moderaten Drücken, hohe Temperaturen erzeugt werden können. So generiert zum Beispiel eine 35% wässrige Ammoniaklösung bei 25 bar(a) beim Absorptionsprozess Wärme bei einer Temperatur von 130°C . Bei der Verwendung einer Wärmepumpe mit Kondensator mit reinem Ammoniak wäre ein Druck von 110 bar(a) nötig um diese Temperatur zu erreichen.
Eine Kernkomponente dieser Wärmepumpe ist der Absorber, indem die Lösung das Kältemittel absorbiert und die Absorptionswärme an einen Wärmeträger abgibt. Diese Erfindung bezieht sich auf den Entwurf dieser Komponente, insbesondere mit dem Stoffpaar Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Absorptionsmittel.
Damit der Absorptionsvorgang optimal erfolgen kann, ist ein guter Wärmeübergang und ein guter Stoffübergang erforderlich. Für den Stoffübergang ist ein intensiver Kontakt zwischen dem Kältemitteldampf und einer absorptionsfähigen, also unterkühlter Lösung erforderlich. Anderseits ist für den Wärmeübergang ein hoher Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Flüssigkeit und der Wärmetauscherfläche erforderlich.
Vor allem bei Leistungen oberhalb von einem Megawatt werden für gewöhnlich Absorber als Rieselfilm-Wärmetauscher ausgeführt. Dabei strömt ein dünner Lösungsfilm über eine Wärmetauscherfläche, z. B. über horizontale Rohre. Die Rohre werden von einem Medium durchströmt, welches die Lösung kühlt. Dadurch ist die Lösung in der Lage Kältemitteldampf zu absorbieren. Die angereicherte Lösung fällt auf das darunter liegende Rohr, wird dadurch durchmischt und weiter abgekühlt. Anschließend folgt eine weitere Absorption bei einer niedrigeren Temperatur. Ein wesentlicher Vorteil dieser Bauweise ist, dass die Lösung größtmöglich angereichert werden kann und annähernd im Sättigungszustand den Absorber verlässt. Bei dem Entwurf muss jedoch sichergestellt werden, dass alle Rohre benetzt sind und dass der Film überall so dünn wie möglich ist. Bei dieser Bauart treten häufig laminare Strömungen, mit entsprechend niedrigem Wärmeübergangskoeffizienten auf. Dadurch ist eine große spezifische Oberfläche nötig, wodurch es noch schwieriger wird eine komplette Benetzung zu gewährleisten. Das Ergebnis sind häufig große und teure Wärmetauscher, bei denen die die Austauschfläche oft nicht vollständig benetzt wird.
Der Rieselfilm-Absorber wird vorwiegend in der Absorptionskältetechnik eingesetzt. Bei den Anlagen, welche mit Ammoniak und Wasser betrieben werden, sind die Konzentrationsunterschiede der Lösung beim Ein- und Austritt des Absorbers gering, meistens im Bereich von 10%. Zusätzlich liegt das Verhältnis der zirkulierenden Lösung zum Gasförmigen Kältemittel (spezifischer Lösungsumlauf) im Bereich 6 bis 10 kg/s Lösung pro kg/s absorbiertem Ammoniak Gas. Bei der Anwendung in einer Wärmepumpe mit Lösungskreislauf sind die Ammoniak Konzentrationen und die erzielte Anreicherung oft höher als dies bei den Kälteanlagen der Fall ist. Dies führt zu einem deutlich geringeren spezifischen Umlauf. Bei einem niedrigen spezifischen Umlauf ist die Benetzung aller Rohre am Eintritt sehr schwierig. Zusätzlich nimmt die Lösungsmenge, im Absorber auf Grund des absorbierten Kältemittels stark zu. Dies hat zur Folge, dass der Film von Rohrreihe zu Rohrreihe immer dicker wird. Am Ende führt dies zu einer Verschlechterung des Stoffübergangs.
Im Absorber soll Wärme abgeführt werden und Dampf von der Lösung absorbiert werden. Diese beiden Prozesse, der Wärmeübergang und der Stoffübergang sollen bei der Erfindung in getrennten Apparaten stattfinden. Dies erlaubt es, beide Prozesse unter optimalen Voraussetzungen stattfinden zu lassen.
Der Stoffübergang soll annähernd adiabat erfolgen. Dafür wird unterkühlte Lösung in direkten Kontakt mit dem Kältemitteldampf gebracht. Dies kann in einer Kolonne durchgeführt werden, wie sie für die Destillationsprozesse eingesetzt wird, oder durch ein feines Sprühen der Lösung in einen Dampfraum. Eine Kombination beider Methoden ist ebenfalls möglich. Durch den Absorptionprozess steigt die Temperatur der Lösung so weit an, bis diese annähernd die Sättigungstemperatur erreicht. Diese Komponente wird im Weiteren adiabater Absorber genannt.
Der Wärmeübergang soll in einem Wärmetauscher stattfinden. Dort führt die gesättigte Lösung Nutzwärme an einen Wärmeträger ab und ist anschließend wieder in der Lage adiabat Kältemittel zu absorbieren.
Dieser Vorgang wird mehrere Male wiederholt um die Wärme auf höchstmöglicher Temperatur zu erzeugen. Die unterkühlte Lösung wird einem weiteren adiabaten Absorber zugeführt und dort weiter angereichert. Bild 4
Bei Bedarf wird eine Pumpe vor den Wärmetauscher geschaltet, um den Druckverlust der Wärmetauscher zu überbrücken.
Der Vorgang kann weiter verbessert werden, indem ein Teil der angereicherten Lösung dem Wärmetauscher zurückgeführt wird, Bild 5. Dadurch kann der Wärmeübergang verbessert werden.

Claims

Eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskälteanlage mit Lösungskreislauf, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber aus einer Serie von mehreren adiabaten Absorbern und Wärmetauschern zusammengesetzt wird. wobei jeweils zwischen zwei adiabaten Absorbern ein Wärmetauscher installiert wird. (Bild 4)
Eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskälteanlage mit Lösungskreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der in den adiabaten Absorbern angereicherten Lösung, an den vorgeschalteten Wärmetauscher zurückgeführt wird. (Bild 5)
Eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskälteanlage mit Lösungskreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Absorber/Wärmetauscher Kombinationen auf zwei oder mehreren Drücken betrieben werden.
Eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskälteanlage mit Lösungskreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel Ammoniak ist und das Absorptionsmittel eine wässrige Ammoniaklösung ist.