DE10248557B4

DE10248557B4 - Diffusionsabsorptionsanlage

Info

Publication number: DE10248557B4
Application number: DE10248557A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schulte; Rainer Prof. Dr. Braun; Robert Prof. Dr. Heß
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-10-19
Also published as: DE10248557A1

Abstract

Diffusionsabsorptionsanlage, mit Anschluss einen 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 flüssigen Wärmeträgermediums einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor (5), einem Absorber, einem Verdampfer sowie einem Kondensator, vorzugsweise für das Stoffsystem Ammoniak-Wasser, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Kreislauf der Solaranlage und den Kocherrohren (1) im Gleichstrom erfolgt, indem einerseits das Kälte- bzw. Lösungsmittel innerhalb der Kocherrohre (1) und andererseits das flüssige Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers eintreten und jeweils nach oben strömen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsbehälter (8) für das flüssige Wärmeträgermedium über mindestens ein Regelventil in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist, dass das Aufheizen der Diffusionsabsorptionsanlage unter Umgehung des mindestens einen Sonnenkollektors (5) mittels einer Umgehungsleitung (7), bei zugeschaltetem Vorratsbehälter (8) für das flüssige Wärmeträgermedium, erfolgt, und dass während des Aufheizens der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Diftusionsabsorptionsanlage 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 Diftusionsabsorptionsanlage 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.

Aus der WO 01/94 862 A1 ist ein Kälteaggregat bekannt, welches als Diffusions-Absorptions-Kälteaggregat ausgebildet und mittels einer thermischen Solaranlage als Energiequelle betreibbar ist. Der Wärmeaustausch im Bereich des Kochers, also die Einkopplung der Solarwärme, erfolgt im Gleichstrom. Hierbei dienen einzelne Kocherrohre als Gasblasenpumpe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diftusionsabsorptionsanlage 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 ein Vorratsbehälter für das flüssige Wärmeträgermedium über mindestens ein Regelventil in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist, und dass das Aufheizen der Diftusionsabsorptionsanlage unter Umgehung des mindestens einen Sonnenkollektors mittels einer Umgehungsleitung, bei zugeschaltetem Vorratsbehälter für das flüssige Wärmeträgermedium, erfolgt.

Zum Aufheizen und Anfahren der Diffusionsabsorptionsanlage, insbesondere bei einem Warmstart mit angeglichenen Bauteil- und Wärmeträger-Temperaturen innerhalb des Kochers über dessen gesamte Höhe, wird dadurch erst möglich. Der mindestens eine Sonnenkollektor ist dann 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.

Innerhalb eines Kochers mit vertikalen Kocherrohren ist eine Wärmetauschereinrichtung zur Beheizung mit Wärme aus dem Kreislauf eines Wärmeträgermediums einer Solaranlage vorgesehen. 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 flüssige 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 flüssige 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 flüssige 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.

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 Ringraum 2 als Reservoir für die reiche Lösung des Ammoniak-Wasser-Gemisches im Kochergehäuse 3. Im unteren Bereich ist im Zentrum des Kochers eine Wärmetauschereinrichtung 4 angeordnet, welche an den Kreislauf einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor 5 angeschlossen ist. Somit tritt einerseits das Ammo niak-Wasser-Gemisch unten aus dem Ringraum 2 in die Kocherrohre 1, 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 Kocherrohren 1 und/oder der Innenwand des Kochergehäuses 3 angeordnet oder mit dieser verbunden. Innerhalb der Wärmetauschereinrichtung 4 befindet sich ein Verdrängungskörper 6, 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 Wärmetauschereinrichtung 4. Es stellt sich dann im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung 4 eine hohe und im oberen Bereich eine geringe Wärmestromdichte ein. Dieser Temperaturverlauf entspricht den durchgezogenen Linien in 2 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 Wärmetauschereinrichtung 4 reicht dann die Temperaturdifferenz zum Starten des Prozesses nicht aus. Daher wird bei einem Warmstart der mindestens eine Sonnenkollektor 5 mittels einer Umgehungsleitung 7 zunächst überbrückt und wahlweise auch ein Vorratsbehälter 8 für das flüssige Wärmeträgermedium in den Kreislauf geschaltet, um ein Abkühlen der Wärmetauschereinrichtung 4 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 Vorratsbehälter 8 vom Kreislauf getrennt, damit das Wärmeträgermedium auf direktem Weg in die Wärmetauschereinrichtung 4 gelangt. Durch die hohe Wärmestromdichte bzw. relativ große Temperaturdifferenz im unteren Bereich der Wärmetauschereinrichtung 4 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 Kühlkreislauf 10 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 Wärmetauschereinrichtung 4, an Bauteilen in dieser Zone und/oder an den Ein- und Austrittsstellen des Kälte- bzw. Lösungsmittels und des Wärmeträgermediums auswertet.

Claims

Diffusionsabsorptionsanlage, mit Anschluss einen 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 flüssigen Wärmeträgermediums einer Solaranlage mit mindestens einem Sonnenkollektor (5), einem Absorber, einem Verdampfer sowie einem Kondensator, vorzugsweise für das Stoffsystem Ammoniak-Wasser, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Kreislauf der Solaranlage und den Kocherrohren (1) im Gleichstrom erfolgt, indem einerseits das Kälte- bzw. Lösungsmittel innerhalb der Kocherrohre (1) und andererseits das flüssige Wärmeträgermedium im Kreislauf der Solaranlage im unteren Bereich des Kochers eintreten und jeweils nach oben strömen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorratsbehälter (8) für das flüssige Wärmeträgermedium über mindestens ein Regelventil in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist, dass das Aufheizen der Diffusionsabsorptionsanlage unter Umgehung des mindestens einen Sonnenkollektors (5) mittels einer Umgehungsleitung (7), bei zugeschaltetem Vorratsbehälter (8) für das flüssige Wärmeträgermedium, erfolgt, und dass während des Aufheizens der Diffusionsabsorptionsanlage, sobald der Kocher mit dem kälteren Wärmeträgermedium aus dem Vorratsbehälter (8) auf Starttemperatur abgekühlt ist, der mindestens eine Sonnenkollektor (5) dem Kreislauf der Solaranlage zugeschaltet sowie der Vorratsbehälter (8) vom Kreislauf der Solaranlage getrennt wird.
Diffusionsabsorptionsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (4) relativ enge Querschnitte besitzt, mit denen hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich des Kochers für das flüssige 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, innerhalb der Wärmetauschereinrichtung (4) und/oder des Verdrängungskörpers (5), eine zusätzliche elektrische Heizeinrichtung integriert ist, welche in der Startphase zum Aufheizen der Diffusionsabsorptionsanlage zu aktivieren ist.
Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wärmeträgermedium ein Thermoöl ist.
Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein an einen Kühlkreislauf (10) des Absorbers und/oder Kondensators angeschlossener Vorkühler (9) für das flüssige Wärmeträgermedium in den Kreislauf der Solaranlage integriert ist und in der Startphase betrieben wird.
Diffusionsabsorptionsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.