DE10248557A1 - Diffusionsabsorptionsanlage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Diffusionsabsorptionsanlage, mit Anschluss an den Kühl- oder Heizkreislauf eines Verbrauchers, mit einem Kälte- bzw. Lösungsmittelkreislauf, einem Kocher mit vertikalen Kocherrohren (1) und einer Wärmetauschereinrichtung (4) zur Beheizung mit Wärme aus dem Kreislauf eines Wärmeträgermediums einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor (5), einem Absorber, einem Verdampfer sowie einem Kondensator, vorzugsweise für das Stoffsystem Ammoniak-Wasser. DOLLAR A Mit der Erfindung soll der Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage für Kühlzwecke hinsichtlich einer Beheizung mit solarer Wärme optimiert werden. DOLLAR A Gekennzeichnet ist die Diffusionsabsorptionsanlage dadurch, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Kreislauf der Solaranlage und den Kocherrohren (1) im Gleichstrom erfolgt, wobei einerseits das Kälte- bzw. Lösungsmittel innerhalb der Kocherrohre (1) und andererseits das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers eintreten und jeweils nach oben strömen.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Diffusionsabsorptionsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Diffusionsabsorptionsanlagen sind als Kleinkälteanlagen zur Verwendung in Haushaltskühlschränken seit langem bekannt. Sie können mit einer entsprechenden konstruktiven Gestaltung auch als Wärmepumpen zu Heiz- oder Kühlzwecken eingesetzt werden. In diesen Anlagen wird das Kältemittel Ammoniak (NH3) und Wasser als Stoffpaar eingesetzt. Dabei stellt das Wasser als Lösungsmittel den absorbierenden Stoff dar, wobei als druckausgleichendes Trägergas in der Regel Wasserstoff oder Helium verwendet wird. Als Arbeitsmedium im Kreisprozess setzt sich das Ammoniak-Wasser-Gemisch bei Wärmezufuhr durch Temperatur- und Konzentrationsunterschiede in Bewegung.
- Die Wärmezufuhr erfolgt mit einem Gasbrenner in einem Kocher, welcher beispielsweise nach der
EP 0 419 606 B1 aus einzelnen kreisförmig angeordneten, vertikalen Kocherrohren besteht. Durch Sieden werden Gasblasen aus der NH3-reichen Lösung ausgetrieben. Der Wasseranteil in diesem Gasstrom wird im Rektifikator abgeschieden bzw. zurückgeführt, so dass fast nur NH3-Dampf zum Kondensator strömt. Dabei muss die Gasblasenpumpe so ausgebildet sein, dass sie die Flüssigkeit auf eine erhebliche Höhe pumpt, um die nötige Antriebskraft zu erzeugen. Der hochreine Ammoniakdampf kondensiert und gibt dabei die Kondensationswärme an das Heizungswasser oder, im Fall der Kältenutzung, an einen Kühlkreislauf ab. Anschließend strömt das flüssige Ammoniak nach unten in den Verdampfer. In der Helium-Ammoniak-Atmosphäre verdampft das Ammoniak unter Aufnahme von Umgebungsenergie. Danach gelangt das Gasgemisch durch einen Gas-Gas-Wärmetauscher und strömt zum Absorber, wo das gasförmige Ammoniak von der NH3-armen Ammoniak-Wasser-Lösung absorbiert wird und die Absorptionswärme an das Heizungswasser abgibt, bevor der geräuschfreie Prozess wieder neu beginnt. - Für den Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage als Heiz- oder Kühlanlage in einem Gebäude wird diese in der Regel für das Abdecken der Wärmebedarfs-Grundlast vorgesehen und mit einem konventionellen Heizkessel kombiniert, um damit verbrauchsabhängige Leistungsspitzen auszugleichen.
- Häufig werden in Gebäuden thermische Solaranlagen installiert, um die kostenlose Sonnenwärme zum Abdecken des Wärmebedarfs zu nutzen. Diese bestehen im Wesentlichen aus einem abgeschlossenen Kreislauf eines Wärmeträgermediums, welcher einen Wärmespeicher mit mindestens einem Sonnenkollektor verbindet. Wird eine Diffusionsabsorptionsanlage als Kühlanlage eingesetzt, so ist fast immer davon auszugehen, dass parallel mit der erforderlichen Kühlleistung im Gebäude auch die Sonneneinstrahlung, und damit die Wärmeerzeugung mit der Solaranlage, zunimmt.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diffusionsabsorptionsanlage für Kühlzwecke hinsichtlich einer Beheizung mit solarer Wärme zu optimieren.
- Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass innerhalb eines Kochers mit vertikalen Kocherrohren eine Wärmetauschereinrichtung zur Beheizung mit Wärme aus dem Kreislauf eines Wärmeträgermediums einer Solaranlage vorgesehen ist. Dabei erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Kreislauf der Solaranlage und den Kocherrohren im Gleichstrom. Es treten einerseits das Kälte- bzw. Lösungsmittel innerhalb der Kocherrohre und andererseits das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers ein und strömen jeweils nach oben.
- Die Wärmetauschereinrichtung besitzt relativ enge Querschnitte, mit denen hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Kochers für das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage sichergestellt sind. Vorzugsweise ist die Wärmetauschereinrichtung im Zentrum von mehreren kreisförmig angebrachten vertikalen Kocherrohren angeordnet. Dabei kann das Zentrum der Wärmetauschereinrichtung aus einem Verdrängungskörper bestehen, so dass das Wärmeträgermedium zur Wärmeübertragung ringsum an die Kocherrohre geleitet wird und/oder die Wärmetauschereinrichtung mit diesen in Wärme leitendem Kontakt steht.
- Im unteren Bereich des Kochers, vorzugsweise innerhalb der Wärmetauschereinrichtung bzw. des Verdrängungskörpers, kann eine zusätzliche elektrische Heizeinrichtung integriert sein. Diese wird nur in der Startphase aktiviert und dient zum Aufheizen der Anlage. In den Kreislauf der Solaranlage ist ein Vorratsbehälter für das flüssige Wärmeträgermedium integriert und über mindestens ein Regelventil zuschaltbar bzw. zu umgehen. Vorzugsweise wird als flüssiges Wärmeträgermedium ein Thermoöl eingesetzt. Es bleibt bei den vorherrschenden Systemtemperaturen im Bereich von 140°C bis 220°C zum Beispiel gegenüber Wasser bei einem deutlich geringeren Leitungsdruck flüssig, so dass herkömmliche Sonnenkollektoren, insbesondere Vakuumröhrenkollektoren verwendet werden können. Der Vorratsbehälter kann direkt in den Sonnenkollektor integriert sein und/oder der Sonnenkollektor ist so bemessen, dass dieser mit seinen Strömungskanälen das erforderliche Vorratsvolumen bereit stellt.
- Zum Aufheizen und Anfahren der Diffusionsabsorptionsanlage, insbesondere bei einem Warmstart mit angeglichenen Bauteil- und Wärmeträger-Temperaturen innerhalb des Kochers über dessen gesamte Höhe, wird der mindestens eine Sonnenkollektor mittels einer Umgehungsleitung überbrückt, und der Vorratsbehälter für das flüssige, verhältnismäßig kühle Wärmeträgermedium ist zugeschaltet. Diese Umwälzung im Kreislauf der Solaranlage ist wichtig, da sonst die Wirkung des Kochers als Gasblasenpumpe auf Grund einer zu geringen Temperaturdifferenz innerhalb der Wärmetauschereinrichtung im unteren Bereich ausbleibt.
- Sobald der Kocher beim Anfahren durch die Umwälzung des kälteren Wärmeträgermediums aus dem Vorratsbehälter auf Starttemperatur abgekühlt ist, wird zum eigentlichen Aufheizen der Anlage der mindestens eine Sonnenkollektor dem Kreislauf zugeschaltet. Gleichzeitig wird der Vorratsbehälter vom Kreislauf getrennt, damit das erwärmte Wärmeträgermedium auf direktem Weg in die Wärmetauschereinrichtung gelangt. Durch die hohe Wärmestromdichte im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung kommt daraufhin der Prozess innerhalb der Diffusionsabsorptionsanlage in Gang.
- Alternativ oder in Ergänzung zu den bereits beschriebenen Maßnahmen kann in den Kreislauf der Solaranlage auch ein Vorkühler für das Wärmeträgermedium integriert sein. Dieser wird an den für die Diffusionsabsorptionsanlage betriebsnotwendigen Kühlkreislauf des Absorbers und/oder Kondensators angeschlossen und vorzugsweise nur in der Startphase betrieben. Zur Ansteuerung von Umschaltventilen in der Umgehungsleitung des mindestens einen Sonnenkollektors, am Vorratsbehälter sowie am Vorkühler für das flüssige Wärmeträgermedium, erfolgt eine Temperaturmessung im unteren Bereich des Kochers und/oder der Wärmetauschereinrichtung. Neben den Bauteiltemperaturen in dieser Zone können auch die Ein- und Austrittstemperaturen des Kälte- bzw. Lösungsmittels und des Wärmeträgermediums ausgewertet werden.
- Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage für Kühlzwecke hinsichtlich einer Beheizung mit solarer Wärme optimiert. Besonders für einen sogenannten Warmstart, wenn sich die Bauteil- und Wärmeträger-Temperaturen innerhalb des Kochers über dessen gesamte Höhe angeglichen haben und nur eine geringe Temperaturdifferenz vorliegt, ergibt sich ein sicheres Anfahr- und Startverhalten. Ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen wäre ein Starten des Diffusionsabsorptionsprozesses mit einer Gasblasenbildung im Kocher nur bei ausgekühlten Bauteilen und Wärmeträgern sowie wesentlich höheren Temperaturen des Thermoöls als Wärmeträgermedium möglich. Erst dann wäre eine hohe Temperaturdifferenz bzw. eine hohe Wärmestromdichte in der Wärmetauschereinrichtung im unteren Bereich des Kochers sichergestellt, sobald das erwärmte Wärmeträgermedium aus dem Kreislauf der Solaranlage eintritt.
- Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt:
-
1 : den unteren Bereich eines Kochers einer Diffusionsabsorptionsanlage mit einer Wärmetauschereinrichtung und einer angeschlossenen Solaranlage sowie -
2 : den Temperaturverlauf über die Kocherhöhe in einem Diagramm. - Der Kocher der Diffusionsabsorptionsanlage, in dem ein Ammoniak-Wasser-Gemisch mit solarer Wärme beheizt wird, besteht im Wesentlichen aus mehreren vertikalen Kocherrohren
1 und einem Ringraum2 als Reservoir für die reiche Lösung des Ammoniak-Wasser-Gemisches im Kochergehäuse3 . Im unteren Bereich ist im Zentrum des Kochers eine Wärmetauschereinrichtung4 angeordnet, welche an den Kreislauf einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor5 angeschlossen ist. Somit tritt einerseits das Ammo niak-Wasser-Gemisch unten aus dem Ringraum2 in die Kocherrohre1 , und andererseits das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers ein. Im Gleichstrom steigen beide Medien auf. - Um einen möglichst guten Wärmeübergang zu erreichen, ist die Wärmetauschereinrichtung
4 wärmeleitend an den Kocherrohren1 und/oder der Innenwand des Kochergehäuses3 angeordnet oder mit dieser verbunden. Innerhalb der Wärmetauschereinrichtung4 befindet sich ein Verdrängungskörper6 , in den eine zusätzliche elektrische Heizeinrichtung integriert sein kann. - Im stationären Betrieb der Diffusionsabsorptionsanlage führt der Kreislauf der Solaranlage über mindestens einen Sonnenkollektor
5 direkt zum Kocher bzw. durch die Wärmetauschereinrichtung4 . Es stellt sich dann im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung4 eine hohe und im oberen Bereich eine geringe Wärmestromdichte ein. Dieser Temperaturverlauf entspricht den durchgezogenen Linien in2 und ist dem Temperaturverlauf beim Einsatz von Gasbrennern für die Beheizung im Kocher sehr ähnlich. - Dagegen sind beim Warmstart der Diffusionsabsorptionsanlage die Bauteil- und/oder Wärmeträger-Temperaturen innerhalb des Kochers über dessen gesamte Höhe weitgehend gleich, weil sich die restliche Wärme während des Stillstands der Anlage gleichmäßig verteilt. Dies verdeutlichen die unterbrochenen Linien in
2 . Im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung4 reicht dann die Temperaturdifferenz zum Starten des Prozesses nicht aus. Daher wird bei einem Warmstart der mindestens eine Sonnenkollektor5 mittels einer Umgehungsleitung7 zunächst überbrückt und wahlweise auch ein Vorratsbehälter8 für das flüssige Wärmeträgermedium in den Kreislauf geschaltet, um ein Abkühlen der Wärmetauschereinrichtung4 zu erreichen. - Sobald der Kocher nach kurzer Zeit durch diese Umwälzung des flüssigen Wärmeträgermediums beim Anfahren auf Starttemperatur abgekühlt ist, wird beim Übergang in den stationären Betrieb der Anlage der mindestens eine Sonnenkollektor
5 dem Kreislauf wieder hinzugeschaltet. Gleichzeitig wird der Vorratsbehälter8 vom Kreislauf getrennt, damit das Wärmeträgermedium auf direktem Weg in die Wärmetauschereinrichtung4 gelangt. Durch die hohe Wärmestromdichte bzw. relativ große Temperaturdifferenz im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung4 kommt danach der Prozess innerhalb des Kochers bzw. der Diffusionsabsorptionsanlage schnell in Gang. - Alternativ oder in Ergänzung zu den vorstehenden Maßnahmen beim Warmstart der Anlage kann in den Kreislauf der Solaranlage auch ein Vorkühler
9 für das Wärmeträgermedium integriert sein. Dieser wird an den Kühlkreislauf10 des Absorbers und/oder Kondensators der Diffusionsabsorptionsanlage angeschlossen und kann die Maßnahmen und Effekte beim Warmstart noch weiter verstärken oder diese sogar ersetzen. Sämtliche Umschaltventile im Kreislauf der Solaranlage werden von einer Regeleinrichtung angesteuert, welche eine oder mehrere Temperaturmessstellen im unteren Bereich des Kochers, an der Wärmetauschereinrichtung4 , an Bauteilen in dieser Zone und/oder an den Ein- und Austrittsstellen des Kälte- bzw. Lösungsmittels und des Wärmeträgermediums auswertet.
Claims (10)
- Diffusionsabsorptionsanlage, mit Anschluss an den Kühl- oder Heizkreislauf eines Verbrauchers, mit einem Kälte- bzw. Lösungsmittelkreislauf, einem Kocher mit vertikalen Kocherrohren und einer Wärmetauschereinrichtung zur Beheizung mit Wärme aus dem Kreislauf eines Wärmeträgermediums einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor, einem Absorber, einem Verdampfer sowie einem Kondensator, vorzugsweise für das Stoffsystem Ammoniak-Wasser, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch zwischen dem Kreislauf der Solaranlage und den Kocherrohren (
1 ) im Gleichstrom erfolgt, wobei einerseits das Kälte- bzw. Lösungsmittel innerhalb der Kocherrohre (1 ) und andererseits das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers eintreten und jeweils nach oben strömen. - Diffusionsabsorptionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (
4 ) relativ enge Querschnitte besitzt, mit denen hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Kochers für das Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage sichergestellt sind. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (
4 ) im Zentrum von mehreren kreisförmig angebrachten vertikalen Kocherrohren (1 ) angeordnet ist, wobei das Zentrum der Wärmetauschereinrichtung (4 ) aus einem Verdrängungskörper (6 ) besteht. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im unteren Bereich des Kochers, vorzugsweise innerhalb der Wärmetauschereinrichtung (
4 ) bzw. des Verdrängungskörpers (5 ), eine zusätzliche elektrische Heizeinrichtung integriert ist, welche in der Startphase zum Aufheizen der Anlage zu aktivieren ist. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsbehälter (
8 ) für das flüssige Wärmeträgermedium über mindestens ein Regelventil in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist und dass das flüssige Wärmeträgermedium vorzugsweise ein Thermoöl ist. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen der Anlage unter Umgehung des mindestens einen Sonnenkollektors (
5 ) mittels einer Umgehungsleitung (7 ), bei zugeschaltetem Vorratsbehälter (8 ) für das flüssige Wärmeträgermedium, erfolgt. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (
8 ) in den Sonnenkollektor (5 ) integriert ist und/oder dass der Sonnenkollektor (5 ) das erforderliche Vorratsvolumen enthält. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizens der Anlage, sobald der Kocher mit dem kälteren Wärmeträgermedium aus dem Vorratsbehälter (
8 ) auf Starttemperatur abgekühlt ist, der mindestens eine Sonnenkollektor (5 ) dem Kreislauf zugeschaltet wird und der Vorratsbehälter (8 ) vom Kreislauf getrennt wird. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Kühlkreislauf (
10 ) des Absorbers und/oder Kondensators angeschlossener Vorkühler (9 ) für das Wärmeträgermedium in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist und vorzugsweise in der Startphase betrieben wird. - Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung von Umschaltventilen in der Umgehungsleitung (
7 ) des mindestens einen Sonnenkollektors (5 ), am Vorratsbehälter (8 ) und/oder am Vorkühler (9 ) für das flüssige Wärmeträgermedium eine Temperaturmessung im unteren Bereich des Kochers und/oder der Wärmetauschereinrichtung (4 ) erfolgt.
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