DE102022004920A1

DE102022004920A1 - Device for mass and heat transfer in heat pumps with solution circuit

Info

Publication number: DE102022004920A1
Application number: DE102022004920.1A
Authority: DE
Inventors: Juan BassoIs Rheinfelder; Tiago BassoIs Rheinfelder
Original assignee: Bassols Absorption und Energieanlagen GmbH
Current assignee: Bassols Absorption und Energieanlagen GmbH
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2024-06-27

Abstract

Vorrichtung zur Stoff- und Wärmeübertragung bei Wärmepumpen mit Lösungskreislauf.2. Kurzfassung2.1. 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. Der Absorber soll, dank dieser Vorrichtung, erheblich verbessert werden.2.2. Der Absorptionsprozess soll in einer Serie von getrennten Apparaten stattfinden, 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. Alle Absorber werden in einem Apparat realisiert, der in verschiedene Segmente aufgeteilt wird (vgl. Abb. 5).2.3. Insbesondere für Hochtemperaturwärmepumpen ist diese Vorrichtung vorteilhaft. Durch die Nutzung des Lösungskreislaufes kann der Druck wesentlich verringert werden und mit der beschrieben Vorrichtung kann die Effizienz verbessert werden.Device for mass and heat transfer in heat pumps with solution circuit.2. Summary2.1. Heat pumps that have a solution circuit with an absorber and a degasser instead of a condenser and evaporator can generate heat at high temperatures and with high efficiency. This is especially true for applications in which the heat transfer medium has a large temperature spread. The absorber is the critical component. The absorber is to be significantly improved thanks to this device.2.2. The absorption process is to take place in a series of separate devices, with the mass transfer taking place in adiabatic absorbers and the heat transfer in heat exchangers. Several adiabatic absorbers and heat exchangers are connected in series to achieve an optimal temperature. All absorbers are implemented in one device that is divided into different segments (see Fig. 5).2.3. This device is particularly advantageous for high-temperature heat pumps. By using the solution circuit, the pressure can be significantly reduced and the efficiency can be improved with the device described.

Description

Es wird eine Vorrichtung beschrieben nach der ein Absorber gebaut werden kann, in dem eine Lösung nahezu bis zur Sättigung angereichert werden kann und gleichzeitig die erzeugte Wärme bei einem hohen Temperaturniveau und mit einem hohen Wärmeüberganskoeffizient abgeführt werden kann. Mit dieser Vorrichtung soll eine Wärmepumpe mit Lösungskreislauf betrieben werden.A device is described according to which an absorber can be built in which a solution can be enriched almost to saturation and at the same time the heat generated can be dissipated at a high temperature level and with a high heat transfer coefficient. This device is intended to operate a heat pump with a solution circuit.

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 diesen in den Kondensator. Im Kondensator wird der Dampf bei einer hohen Temperatur verflüssigt und gibt Nutzwärme an einen Wärmeträger ab. Anschließend wird das flüssige Kältemittel in der Drossel entspannt und gelangt zurück in den Verdampfer, wo es erneut verdampft.A heat pump essentially consists of a condenser, an evaporator, a compressor and a throttle. In the evaporator, a coolant is evaporated by supplying low-temperature heat and at a low pressure. The compressor increases the pressure of this coolant vapor and conveys it into the condenser. In the condenser, the vapor is liquefied at a high temperature and releases useful heat to a heat transfer medium. The liquid coolant is then expanded in the throttle and returns to the evaporator, where it evaporates again.

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, zum Beispiel bei der Verwendung des Kältemittels Ammoniak, einem Hochdruck von 110 bar(a). Die vorhandene Niedertemperaturwärmequelle bestimmt die Verdampfungstemperatur und somit den Niederdruck.The desired operating temperature determines the condensation temperature and thus the high pressure. For example, to heat heating water from 65°C to 125°C, a condensation temperature of 130°C is required. This corresponds to a high pressure of 110 bar(a) when using ammonia as a refrigerant, for example. The available low-temperature heat source determines the evaporation temperature and thus the low pressure.

Dieser Wärmepumpenprozess kann im idealen Fall durch den linksdrehenden Carnot Prozess im Temperatur/Entropie Diagramm dargestellt werden (vgl. ). 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.This heat pump process can ideally be represented by the left-handed Carnot process in the temperature/entropy diagram (cf. ). Condensation and evaporation are represented by isotherms and compression and relaxation, ideally, by isentropies. The hatched area represents the required driving power. During evaporation and condensation, heat is transferred at a constant temperature.

Wärmezufuhr und -abfuhr können jedoch auch bei gleitenden Temperaturen stattfinden. Anstelle einer konstanten Kondensationstemperatur von 130°C kann die Wärme auch in einem Temperaturbereich von 70°C bis 130°C übertragen werden. Im idealen Fall wird dies durch einen Joule Prozess beschrieben (vgl. ). An der schraffierten Fläche erkennt man, dass die erforderliche Antriebsleistung im Vergleich zum Carnot Prozess wesentlich niedriger ist.However, heat supply and removal can also take place at sliding temperatures. Instead of a constant condensation temperature of 130°C, the heat can also be transferred in a temperature range of 70°C to 130°C. In the ideal case, this is described by a Joule process (see. ). The hatched area shows that the required drive power is significantly lower compared to the Carnot process.

Schon im 19. 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 ).A technical solution was invented for this as early as the 19th century. In 1895, August Osenbück filed a patent. The patent describes a refrigeration machine with a solution cycle (Osenbrück, A., Process for generating cold in absorption machines, in the Imperial Patent Office. 1895). This invention was further developed by Edmund Alternkirch in 1950 (The compression refrigeration machine with a solution cycle. Refrigeration technology 10,11,12/1950) and later built by Vinko Mučic ( Two media resorption compression heat pump with solution circuit. V.Mučic, 2nd International Symposium 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. 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 zu sieden. Bei der Abnahme der Konzentration nimmt die Siedetemperatur zu. Sowohl im Absorber als auch im Entgaser wird die Wärme bei gleitenden Temperaturen übertragen. Demnach kann die Wärmepumpe 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.In this invention, the condenser and evaporator of a heat pump or refrigeration machine are replaced by a solution circuit. The solution circuit consists of an absorber, a degasser, a solution pump and a solution throttle. Depending on the application, additional heat exchangers can be integrated to increase efficiency. The absorption temperature depends on the concentration of the absorbing solution and the pressure. When the poor solution enters the absorber, heat is dissipated at a high temperature and as the concentration increases, this temperature decreases. In the countercurrent principle, the heating medium is heated to just below the absorption temperature. In the degasser, the rich solution begins to boil at a low temperature. As the concentration decreases, the boiling temperature increases. In both the absorber and the degasser, the heat is transferred at sliding temperatures. The heat pump can therefore be approximately described by the Joule process mentioned above. This process can be adapted to the temperatures of the heat carrier in both components. In addition, the pressure can be determined by a suitable choice of concentrations.

Im Vergleich zu Wärmepumpen oder Kältemaschinen mit Kondensator und Verdampfer können Anlagen mit einem Lösungskreislauf wesentlich höhere Heizzahlen (Wirkungsgrade) erreichen.Compared to heat pumps or refrigeration machines with condenser and evaporator, systems with a solution circuit can achieve significantly higher heating figures (efficiencies).

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.Another advantage is that high temperatures can be generated with the ammonia/water pair at moderate pressures. For example, a 35% aqueous ammonia solution at 25 bar(a) generates heat at a temperature of 130°C during the absorption process. When using a heat pump with a condenser with pure ammonia, a pressure of 110 bar(a) would be necessary to reach this temperature.

Eine Kernkomponente dieser Wärmepumpe ist der Absorber, in dem die Lösung das Kältemittel absorbiert und die Absorptionswärme an einen Wärmeträger abgibt. Diese Erfindung bezieht sich auf den Entwurf dieser Komponente, zum Beispiel mit dem Stoffpaar Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Absorptionsmittel.A core component of this heat pump is the absorber, in which the solution absorbs the refrigerant and transfers the absorption heat to a heat carrier. This invention relates to the design of this component, for example with the substance pair ammonia as refrigerant and water as absorbent.

Damit ein Absorber kostengünstig ist und der Absorptionsvorgang optimal erfolgen kann, sind ein guter Wärmeübergang und ein guter Stoffübergang erforderlich. Für den Stoffübergang ist ein intensiver Kontakt zwischen dem Kältemitteldampf und einer absorptionsfähigen, also unterkühlten Lösung erforderlich. Anderseits ist für den Wärmeübergang ein hoher Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Flüssigkeit und der Wärmetauscherfläche erforderlich. Dafür ist eine hohe Turbulenz und somit eine hohe Geschwindigkeit erforderlich.In order for an absorber to be cost-effective and for the absorption process to take place optimally, good heat transfer and mass transfer are required. For mass transfer, intensive contact between the refrigerant vapor and an absorbent, i.e. supercooled, solution is required. On the other hand, for heat transfer, a high heat transfer coefficient between the liquid and the heat exchanger surface is required. This requires high turbulence and thus high speed.

Im Absorber soll Wärme abgeführt werden und Dampf von der Lösung absorbiert werden. Üblicherweise werden die Absorber als Rohrbündel-Rieselfilm-Wärmetauscher oder als Platten-Wärmetauscher vorgesehen. Ein Rieselfilm-Wärmetauscher hat einen guten Stoffübergang und kann meistens die Lösung annähernd sättigen, aber der Wärmeübergangskeoffizient liegt meistens im Bereich von 500 W/m²K. Hingegen liegt der Wärmeüberganskoeffizient eines Platten-Wärmetauscher im Bereich 3000 bis 5000 W/m²K. Allerdings ist bei diesem der Soffübergang sehr begrenzt, wodurch die Lösung meistens unterkühlt wird und nicht gesättigt werden kann.In the absorber, heat is to be removed and steam is to be absorbed by the solution. The absorbers are usually designed as a tube bundle falling film heat exchanger or as a plate heat exchanger. A falling film heat exchanger has a good mass transfer and can usually almost saturate the solution, but the heat transfer coefficient is usually in the range of 500 W/m ² K. In contrast, the heat transfer coefficient of a plate heat exchanger is in the range of 3000 to 5000 W/m ² K. However, the mass transfer is very limited in this case, which means that the solution is usually supercooled and cannot be saturated.

Der Wärme- und Stoffübergang sollen bei der Erfindung in getrennten Apparaten stattfinden. Dies erlaubt es, beide Prozesse unter optimalen Voraussetzungen stattfinden zu lassen.The invention involves heat and mass transfer taking place in separate devices. This allows both processes to take place under optimal conditions.

Der Stoffübergang soll annähernd adiabat erfolgen. Dafür wird unterkühlte Lösung in direkten Kontakt mit dem Kältemitteldampf gebracht. Dies kann zum Beispiel 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. The mass transfer should be almost adiabatical. For this purpose, a supercooled solution is brought into direct contact with the refrigerant vapor. This can be done, for example, in a column such as that used for distillation processes, or by finely spraying the solution into a vapor space. A combination of both methods is also possible.

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.The absorption process causes the temperature of the solution to rise until it almost reaches the saturation temperature. This component is referred to as an adiabatic absorber.

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 (Vgl. ).The heat transfer should take place in a heat exchanger. There, the saturated solution transfers useful heat to a heat transfer medium and is then able to absorb coolant adiabatically again (cf. ).

Diese Vorrichtung mit einem adiabatem Absorber und einem Wärmetauscher kann mehrere male hintereinander geschaltet werden, um die Wärme auf einer hohen Temperatur zu erzeugen. Die angereicherte Lösung wird dann einem weiteren adiabaten Absorber zugeführt und dort bei einer etwas tieferen Temperatur weiter angereichert. Bei Bedarf wird eine Pumpe vor den Wärmetauscher geschaltet, um den Druckverlust des Wärmetauschers auszugleiche (vgl. ).This device with an adiabatic absorber and a heat exchanger can be connected several times in series to generate heat at a high temperature. The enriched solution is then fed to another adiabatic absorber and further enriched there at a slightly lower temperature. If necessary, a pump is connected in front of the heat exchanger to compensate for the pressure loss of the heat exchanger (see. ).

Diese Prinzip wurde in einer früheren Patentanmeldung schon beschrieben (AKZ. 10 2021 003 800.2).This principle was already described in an earlier patent application (AKZ. 10 2021 003 800.2).

Nun soll die Apparatur folgendermassen verbessert werden:

Eine beliebige Anzahl adiabater Absorber sollen in einem Druckbehälter untergebracht werden. Dabei bildet jeder adiabater Absorber ein Segment des Druckbehälters. An jedem Absorbersegment ist ein Wärmetauscher angeschlossen, der die Wärme abführt (vgl. ).

Now the device is to be improved as follows:

Any number of adiabatic absorbers are to be placed in a pressure vessel. Each adiabatic absorber forms a segment of the pressure vessel. A heat exchanger is connected to each absorber segment, which dissipates the heat (see. ).

Nach jedem Absorbersegment muss ein Teil der Lösung in den nächsten Absorbersegment geleitet werden. Da alle Absorbersegmente in einem Apparat untergebracht sind, kann dies mittels einer Überlaufvorrichtung stattfinden. Dadurch kann auf eine aufwändige Niveaumessung und eine Durchflussregelung verzichtet werden (vgl. ).After each absorber segment, a portion of the solution must be directed into the next absorber segment. Since all absorber segments are housed in one device, this can be done using an overflow device. This eliminates the need for complex level measurement and flow control (see Fig. 1). ).

In diesem Apparat kann auch eine Vorrichtung vorgesehen werden um die arme Lösung vorzuwärmen bevor sie in das erste Absorbersegment geleitet wird. Dadurch kann im ersten Absorbersegment eine höhere Temperatur erreicht werden. (vgl. ).This apparatus can also be fitted with a device to preheat the poor solution before it is fed into the first absorber segment. This allows a higher temperature to be achieved in the first absorber segment. (see. ).

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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 [0006]

Claims

A solution cycle compression heat pump, characterized in that the absorber consists of several adiabatic absorbers housed in a multi-segment apparatus and a heat exchanger is connected to each segment. (Figure 5)

A compression heat pump with solution circuit according to Claim 1 , characterized in that each segment in the absorber part has an overflow, whereby the solution flows into the next segment. (Figure 6)

A compression heat pump with solution circuit according to Claim 1 and 2 , characterized in that a heat exchanger is provided in the apparatus in which the absorption processes take place in order to preheat the poor solution before it is fed into the first absorber segment. (Figure 7)

A compression heat pump with solution circuit according to Claim 1 and 2 , characterized in that the refrigerant is ammonia and the absorbent is an aqueous ammonia solution.