DE10324463B4

DE10324463B4 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung

Info

Publication number: DE10324463B4
Application number: DE10324463A
Authority: DE
Inventors: Roland Weidner
Original assignee: Eaw - Energieanlagenbau Westenfeld GmbH; Eaw Energieanlagenbau Wes GmbH
Current assignee: Eaw - Energieanlagenbau Westenfeld GmbH; Eaw Energieanlagenbau Wes GmbH
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: DE10324463A1; WO2004109209A1; DE112004001480D2; EP1629244A1

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen zu entwickeln, welche mit der Abluft einer Brennstoffzelle betrieben werden kann, einen erhöhten Bauraum, eine erhöhte Wärmedehnung und/oder die damit verbundenen Wärmespannungen vermeidet, die Fertigungs-, Montage- und Instandhaltungskosten deutlich senkt, gleichzeitig die zwangsläufig auftretende Strömungsverluste wesentlich minimiert, darüber hinaus gleichzeitig eine Kristallisation des Lösungsmittels vermeidet und zudem das gleichzeitige Erzeugen von Kälte und Wärme ermöglicht und zudem gleichzeitig das mit bisherigen Absorptionskälteanlagen erreichbare Wärmeverhältnis, den COP-Wert, von derzeit ca. 0,65 bis 0,75 deutlich erhöht. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen und zur Rückgewinnung der Wärme aus der Abluft einer Brennstoffzelle zeichnet sich dadurch aus, dass in dieser ein mit einem Lösungsmittelzulauf und einem Lösungsmittelablauf versehener Hochtemperaturgenerator (1) und ein mit einem Kühlwasserzulauf und einem Kühlwasserablauf versehener Niedertemperaturwärmetauscher (4) angeordnet sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen.

Im Stand der Technik werden unterschiedliche, zur Wärmeübertragung bzw. zur Wärmerückgewinnung in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen eingesetzte Wärmetauscher vorbeschrieben.

So beschreibt beispielsweise die US 48 19 444 A ein Verfahren zur Wärmeübertragung für den Einsatz in beispielsweise mit der Abluft eines Dieselmotors betriebenen Absorptionskälteanlagen, wobei in einem Ausführungsbeispiel die Abluft über ein Rohrleitungssystem in Reihe nacheinander zunächst durch einen mit einem Lösungsmittelzulauf und einem Lösungsmittelablauf versehenen Hochtemperaturgenerator und anschließend durch einen mit einem Kühlwasserzulauf und einen Kühlwasserablauf versehenen Niedertemperaturwärmetauscher hindurchgeleitet wird.

Die US 5 463 880 A beschreibt einen in Absorptionskälteanlagen eingesetzten Wärmetauscher mit liegenden Rohrbündeln welche beidseitig fest eingeschweißt sind.

Bei einer derartigen Ausführungsform haben die aus der Wärmeausdehnung resultierenden Materialspannungen beispielsweise eine verminderte Lebensdauer des Wärmetauschers, insbesondere infolge der während des Dauerbetriebes auftretenden Spannungsrisse, zur Folge.

Ein anderer, in der US 5 588 596 A vorbeschriebener, ebenfalls in Absorptionskälteanlagen eingesetzter Wärmetauscher mit liegenden Rohrbündeln welche beidseitig in Rohrbögen eingeschweißt sind, hat nun den Nachteil, dass die aus der Wärmeausdehnung resultierenden Längenunterschiede zwangsläufig einen erhöhten Bauraum erfordern.

In der EP 0 949 466 A1 wird nun unter anderem ein Wärmetauscher mit zwei ineinander angeordneten, zylinderförmigen Ringrohrspiralen vorbeschrieben. Bei dieser Ausführungsform werden zwar die Nachteile der vorgenannten Bauform teilweise beseitigt, jedoch treten auf Grund der erfindungsgemäßen Bauform hohen Strömungswiderstände auf, die in Verbindung mit den daraus resultierenden hohe Strömungsverluste in der zylinderförmigen Ringrohrspirale zwangsläufig einen hohen Abgasgegendruck zur Folge haben.

Aus der DE 198 02 670 A1 ist darüber hinaus eine weitere Bauform eines Wärmetauschers für den Einsatz in Absorptionskältemaschinen bekannt geworden, bei der die der Wärmeübertragung dienenden Rohre als ebene Rohrspiralen ausgebildet sind, welche jeweils parallel übereinander in einzelnen Ebenen angeordnet einerseits mit einem Verteilerrohr und andererseits mit einem Sammelrohr verbunden sind.

Mindestens eines dieser beiden dem Zu- bzw. Ablauf dienenden Rohre muß dabei konzentrisch zu den Rohrspiralen angeordnet sein, so dass sich je nach Ausführungsform der Rohrspiralen das zweite Rohr ebenfalls im Zentrum oder am Außendurchmesser der Rohrspiralen befindet.

Nachteile dieser ebenen, parallel übereinander angeordneten Spiralform ist, dass stets eines der beiden „Verbindungsrohre" konzentrisch angeordnet werden muss.

Treten beispielsweise fertigungsbedingte Undichtheiten am Mittelrohr auf, ist deren Beseitigung nur mit sehr großem Montageaufwand möglich.

Um diesen Nachteil zu beseitigen wurde in der DE 101 16 949 A1 eine andere Möglichkeit der Übereinanderanordnung von ebenen Rohrspiralen vorgeschlagen, welche wiederum einerseits in ein gemeinsames Verteiler- und andererseits in ein gemeinsames Sammelrohr münden.

In dieser Ausführungsform sind die ebenen übereinander angeordneten Rohrspiralen als Doppelspiralen ausgebildet die von einem Punkt am Außenumfang nach innen verlaufen, sich in der Nähe des Zentrums umkehren und in den radialer Zwischenräumen in gleicher Ebene wieder nach außen geführt werden.

Mit dieser Ausführungsform werden auf möglichst kleinstem Raum mit vertretbarem Montageaufwand eine Vielzahl von Rohrspiralen angeordnet. Doch auch bei dieser Bauform treten in den ebenen Ringrohrspiralen recht hohe Strömungswiderstände mit den daraus resultierenden hohe Strömungsverlusten auf.

Da herkömmliche Verbrennungsmotore einen maximalen Abgasgegendruck von 50–80 mbar zulassen sind derartige im Stand der Technik vorbeschriebene Wärmetauscher für den Betrieb von Absorptionskälteanlagen beispielsweise in Verbindung mit BHKW-Kopplungen geeignet.

Die JP 2000 082 477 AA beschreibt nun eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft einer Brennstoffzelle mittels eines dem gegenwärtigen Stand der Technik entsprechenden Wärmetauschers.

Um jedoch mittels der Abgase einer Brennstoffzelle, deren Wärmeleistung und deren Abgas-/Abluftmenge im Vergleich zu herkömmliche Verbrennungsmotoren um bis zum Faktor drei größer ist und deren zulässiger Abgasgegendruck sich gleichzeitig auf einen Wert unter 10 mbar verringert, selbst Absorptionskälteanlagen – einer neuen Generation – betreiben zu können, ist es zugleich zwingend erforderlich auch die Gefahr der partiellen Überhitzung zu unterbinden, um selbst bei fast gleichbleibendem Lösungsvolumenstrom, beispielsweise einer Litihium-Bromidlösung, infolge der sehr viel höheren bereitstehenden Wärmemenge eine aus einer partiellen Überhitzung resultierende mögliche Kristallisation zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen zu entwickeln, welche mit der Abluft einer Brennstoffzelle betrieben werden kann und die einerseits die Nachteile des Standes der Technik wie einen erhöhten Bauraum, eine erhöhte Wärmedehnung und/oder die damit verbundenen Wärmespannungen vermeidet, die Fertigungs-, Montage- und Instandhaltungskosten deutlich senkt, gleichzeitig die zwangsläufig auftretende Strömungsverluste wesentlich minimiert, d.h. konkret den Abgasgegendruck auf maximal 10 mbar reduziert, darüber hinaus gleichzeitig eine Kristallisation des Lösungsmittels vermeidet und zudem das gleichzeitige Erzeugen von Kälte und Wärme so ermöglicht, dass im Teillastbetrieb des Absorbers beispielsweise die nicht für die Kälteerzeugung benötigte Brennstoffzellenabwärme einem Heizkreis zugeführt werden kann, wobei stets ein gefahrloses Umschalten von voller Kälteleistung über kombinierten Kälte-/Wärmebetrieb bis hin zu reinem Wärmebetrieb möglich sein soll, darüber hinaus soll gleichzeitig das mit bisherigen Absorptionskälteanlagen maximal erreichbare Wärmeverhältnis, der COP-Wert, von derzeit ca. 0,65 bis 0,75 deutlich erhöht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen und zur Rückgewinnung der Wärme aus der Abluft einer Brennstoffzelle gelöst, die sich dadurch auszeichnet, dass in dieser ein mit einem Lösungsmittelzulauf (2) und einem Lösungsmittelablauf (3) versehener Hochtemperaturgenerator (1) und ein mit einem Kühlwasserzulauf (5) und einem Kühlwasserablauf (6) versehener Niedertemperaturwärmetauscher (4) angeordnet sind, welche derart aufgebaut sind, dass sowohl beim Hochtemperaturgenerator (1), um einen mit einem Anschlußstutzen (7) versehenen Innenzylinder (8) herum, wie auch beim Niedertemperaturwärmetauscher (4), um einen mit zwei Anschlußstutzen (7) versehenen Innenzylinder (8) herum, ein zylindrischer Wärmeübertragungsbehälter (9) angeordnet ist, in dem eine Vielzahl von Rohrkreissegmenten (10) mit jeweils einem Bogenwinkel im Bereich von 300° bis 330° derart übereinander und nebeneinander angeordnet sind, dass diese mit ihren beiden freien Enden jeweils gas- und flüssigkeitsdicht in den Bohrungen zweier allseitig im Wärmeübertragungsringraum (11) des Wärmeübertragungsbehälter (9) befestigten Lochbleche (12), einem Einströmblech und einem Ausströmblech so verbunden sind, dass die Ebenen dieser beiden radial am Innenzylinder (8) im Wärmeübertragungsringraum (11) angeordneten Lochbleche (12) zueinander einen Winkel von 30° bis 60° einschließen, wobei in dem nicht von Rohrkreissegmenten (10) überdeckten Bereich des Wärmeübertragungsbehälters (9) zwischen dem Anschlussbereich des Einströmbleches und dem Anschlussbereich des Ausströmbleches eine Aussparung (13) angeordnet ist, und am Außenmantel des Wärmeübertragungsbehälters (9) der Aussparung (13) des Innenzylinder (8) etwa gegenüberliegend ein Anschlussflansch (14) angeordnet ist, wobei in diesem nicht von Rohrkreissegmenten (10) überdeckten Bereich des Wärmeübertragungsbehälter (9), dem Strömungsleitraum (15), ein Strömungsleitblech (16) zwischen den Anschlussbereich eines Lochbleches (12) am Innenzylinder (8) und dem Anschlussbereich des anderen Lochbleches (12) am Außenmantel (17) des Wärmeübertragungsbehälters (9) derart angeordnet ist, dass die in den Strömungsleitraum (15) eintretende Abluft erst nach dem Durchströmen der Rohrkreissegmente (10) diesen wieder verlassen kann.

Die Abluft, beispielsweise der Brennstoffzelle, dient im Hochtemperaturgenerator (1) der erfindungsgemäßen Vorrichtung dabei der direkten Austreibung von Kältemittel beispielsweise aus einer Lithium-Bromidlösung.

Hierbei wird die Abluft beispielsweise von ca. 450°C auf ca. 135°C abgekühlt.

In dem erfindungsgemäß dem Hochtemperaturgenerator (1) nachgeschalteten Niedertemperaturwärmetauscher (4) wird dann Heizwasser beispielsweise auf 90°C erwärmt, und die Abluft beispielsweise bis auf 90°C oder entsprechend der gewünschten Heizwassertemperatur auch auf eine niedrigere Temperatur ausgekühlt.

Bei minimiertem Bauraum gewährleistet die erfindungsgemäße Lösung die Vermeidung einer erhöhten Wärmedehnung und gleichzeitig auch die Vermeidung von Wärmespannungen.

Zudem wird der Fertigungs-, Montage- und Instandhaltungsaufwand minimiert und gleichzeitig der Abgasgegendruck auf maximal 10 mbar reduziert.

Infolge der erfindungsgemäßen Bauform kann darüber hinaus gleichzeitig eine Kristallisation des Lösungsmittels verhindert werden.

In der Gesamtheit bewirkt die erfindungsgemäße Lösung dabei eine stufenlose Regelbarkeit der Kälteleistung zwischen 0 % und 100 % unter dem Gesichtspunkt der anteiligen parallelen Abwärmenutzung zur Wärmeversorgung von 100% bis 0%.

Gleichzeitig kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung das mit bisherigen Absorptionskälteanlagen erreichbare Wärmeverhältnis, der COP-Wert, von bisher ca. 0,65 bis 0,75 auf bis zu 1,15 erhöht werden.

Das bedeutet, dass mit der erfindungsgemäßen Anlage aus einer Wärmeleistung von 100 kW eine Kälteleistung von bis zu 115 kW erzeugt werden kann.

Vorteilhaft ist dabei auch, dass der Ablufteintritt (22) einerseits über ein mit einer Havarieklappe (24) versehenes Rohrleitungssystem, einer Abluftleitung (23) direkt mit dem Abluftaustritt (28), und andererseits über ein mit einer Systemeintrittsklappe (25) und einer Generatoreintrittsklappe (26) versehenes Rohrleitungssystem, der Abluftleitung (23), mit dem Anschlussflansch (14) des Hochtemperaturgenerators (1) wie auch gleichzeitig über eine mit einer Niedertemperaturwärmetauscherklappe (27) versehenen Abluftleitung (23) mit einem der beiden Anschlussstutzen (7) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) verbunden ist, wobei der Anschlussstutzen (7) des Hochtemperaturgenerators (1) über das Rohrleitungssystem, die Abluftleitung (23), mit dem zweiten Anschlussstutzen (7) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) verbunden ist und der Anschlussflansch (14) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) über das Rohrleitungssystem, die Abluftleitung (23), mit dem Abluftaustritt (28) verbunden ist.

Im Havariefall kann durch das Öffnen Havarieklappe (24) und das Schließen den Systemeintrittsklappe (25) die Abluft vom Ablufteintritt (22) direkt zum Abluftaustritt (28) umgeleitet werden, um so eine Durchströmung des Hochtemperaturgenerators (1) und/oder des Niedertemperaturwärmetauschers (4) zu verhindern.

Somit kann die Abluft über ein mit regelbaren Absperrklappen versehenes Rohrleitungssystem entweder in Reihe nacheinander zunächst durch einen mit einem Lösungsmittelzulauf und einem Lösungsmittelablauf versehenen Hochtemperaturgenerator (1) und anschließend durch einen mit einem Kühlwasserzulauf und einem Kühlwasserablauf versehenen Niedertemperaturwärmetauscher (4) hindurchgeleitet, oder gleichzeitig unter teilweiser Umgehung des Hochtemperaturgenerators (1) aber auch unter vollständiger Umgehung des Hochtemperaturgenerators (1) ausschließlich nur durch den Niedertemperaturwärmetauscher (4) hindurchgeleitet werden.

Dadurch kann sowohl die Reihenschaltung des Hochtemperaturgenerators mit dem Niedertemperaturgenerator wie auch eine Steuerung und mögliche bedarfsabhängige Aufteilung des Volumenstromes realisiert werden.

Eine derartige Schaltungskombination ist weder mit herkömmlichen Multieffekt-Anlagen noch mit anderen bisher bekannten Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungsanlagen möglich.

Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann der Absorber beispielsweise im Teillastbetrieb gefahren werden, wobei die nicht für die Kälteerzeugung benötigte Abwärme gleichzeitig einem Heizkreis zugeführt werden kann, so dass eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie der Abluft gewährleistet ist. Die hierbei eingesetzten Absperrklappen sind entsprechend dem Stand der Technik ausgelegt und mechanisch und/oder elektrisch so miteinander verkettet, dass ein gefahrloses Umsteuern von reinem Kältebetrieb über kombinierten Kälte-, Wärmebetrieb bis hin zu reinem Wärmebetrieb möglich ist. Selbstverständlich wird der jeweilige Kühlmitteldurchsatz entsprechend der abzuführenden Wärmemenge mit den im Stand der Technik gegebenen Möglichkeiten bedarfsangepasst variiert.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.

Nachfolgend soll nun die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit 9 Figuren näher erläutert werden.

Dabei zeigt die
1: die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung in der Gesamtseitenansicht;
2: die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung aus 1 in der Draufsicht im Betriebszustand zur Erzeugung einer maximalen Kälteleistung bei kombiniertem Kälte-/Wärmebetrieb;
3: die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung aus 1 in der Draufsicht im Betriebszustand bei Teillastkältebetrieb;
4: die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung aus 1 in der Draufsicht im Betriebszustand bei reinem Wärmebetrieb;
5: den erfindungsgemäße Hochtemperaturgenerator 1 im Schnitt bei A-A gemäß 1, in der Seitenansicht;
6: den erfindungsgemäße Hochtemperaturgenerator 1 im Schnitt bei B-B gemäß 2, in der Seitenansicht;
7: der erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmetauscher 4 im Schnitt bei C-C gemäß 2, in der Seitenansicht;
8: eine Stützwandplatten 30 der Rohrstützwände 29 mit den gegenüberliegend angeordneten halbkreisförmigen Aussparungen 31;
9: eine Fußplatte 32 der Rohrstützwände 29.
In der 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung in der Gesamtseitenansicht dargestellt.
Der Hochtemperaturgenerator 1 wie auch der Niedertemperaturwärmetauscher 4 sind mittels der Stützfüße 18 auf einem Grundgestell 19 angeordnet.
Der Hochtemperaturgenerator 1 ist mit einem Dampfdom 20 und einem an diesem angeordneten Dampfaustritt 21 versehenen. Am Außenmantel 17 des Hochtemperaturgenerators 1 wie auch am Außenmantel des Niedertemperaturwärmetauscher 4 ist jeweils ein Anschlussflansch 14 angeordnet.
Am Innenzylinder 8 des Hochtemperaturgenerators 1 ist ein Anschlußstutzen 7 und am Innenzylinder 8 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 sind zwei Anschlussstutzen 7 angeordnet.
Der Ablufteintritt 22 ist über die mit Absperrklappen versehenen Abluftleitungen 23 einerseits mit dem Anschlussflansch 14 des Hochtemperaturgenerator 1 und andererseits mit einem der Anschlußstutzten 7 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 verbunden.
Der Anschlußstutzen 7 am Innenzylinder 8 des Hochtemperaturgenerators 1 ist mit dem zweiten Anschlußstutzen 7 am Innenzylinder 8 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 ebenfalls über eine Abluftleitung 23 verbunden.
Zur besseren Verdeutlichung der Abluftführung zeigt die 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung/Wärmerückgewinnung aus 1 in der Draufsicht.
In Verbindung mit dieser Figur soll eine Möglichkeit der Abluftführung durch die mit Pfeilen versehene „Strich-Punkt-Linie" am Betriebszustand zur Erzeugung einer maximalen Kälteleistung bei kombiniertem Kälte-/Wärmebetrieb näher erläutert werden.
Wie in der 2 dargestellt, tritt die Abluft beispielsweise der Brennstoffzelle mit einer Temperatur von ca. 400°C bis 450°C über den Ablufteintritt 22 in den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein.
Bei geschlossener Havarieknappe 24, geöffneter Systemeintrittsklappe 25, geschlossener Niedertemperaturwärmetauschereintrittsklappe 27 und geöffneter Generatoreintrittsklappe 26 strömt die Abluft über die zwischen den Absperrklappen angeordneten Abluftleitungen 23 vom Ablufteintritt 22 zum Anschlußflansch 14 des Hochtemperaturgenerator 1.
Dort wird die Abluft über den Wärmeübertragungsringraum 11 in den Innenzylinder 8 des Hochtemperaturgenerator 1 geleitet und verläßt diesen mit beispielsweise 130 °C über den unterhalb des Wärmeübertragungsringraumes 11 am Innenzylinder 8 angeordneten Anschlußstutzen 7 des Hochtemperaturgenerators 1.
Von dort wird nun die beispielsweise auf 130°C abgekühlte Abluft über den am Innenzylinder 8 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordneten Anschlußstutzen 7 in den Innenraum des Niedertemperaturwärmetauscher eingeleitet, steigt dort auf, strömt in den Wärmeübertragungsringraum 11 des Niedertemperaturwärmetauscher 4 und verläßt über den Anschlußflansch 14 den Niedertemperaturwärmetauscher mit beispielsweise 80° bis 85°C.
Über die am Anschlußflansch 14 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordnete Abluftleitung 23 strömt die so abgekühlte Abluft nun zum Abluftaustritt 28 des erfindungsgemäßen Systems.
Das jeweilige „Temperaturgefälle" der Abluft wird sowohl im Hochtemperaturgenerator 1 wie auch im Niedertemperaturwärmetauscher 4 vom jeweiligen Kühlmitteldurchsatz bestimmt.
Im Betriebszustand der maximalen Kälteleistung werden entsprechend der Anlagengröße zur Wärmeerzeugung beispielsweise etwa 2 m² Kühlwasser pro Stunde durch den Niedertemperaturwärmetauscher 4 durchgesetzt.
In der 3 ist nun die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung aus der 1 in der Draufsicht im Betriebszustand bei Teillastkältebetrieb dargestellt.
Zur Verdeutlichung dieses Betriebszustandes ist die Abluftführung nun in der 3, ebenso wie bereits in 2, durch eine mit Pfeilen versehene „Strich-Punkt-Linie" nun jedoch für den Betriebszustand des Teillastkältebetriebes dargestellt.
Die Abluft, beispielsweise der Brennstoffzelle, tritt wiederum mit einer Temperatur von ca. 400°C bis 450°C über den Ablufteintritt 22 in den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein.
Bei geschlossener Havarieklappe 24, geöffneter Systemeintrittsklappe 25, teilweise geöffneter Niedertemperaturwärmetauschereintrittsklappe 27 und teilweise geöffneter Generatoreintrittsklappe 26 strömt nun die Abluft einerseits über die zwischen den Absperrklappen angeordneten Abluftleitungen 23 vom Ablufteintritt 22 zum Anschlußflansch 14 des Hochtemperaturgenerators 1.
Dort wird die Abluft, wie bereits zu 2 erläutert, über den Wärmeübertragungsringraum 11 in den Innenzylinder 8 des Hochtemperaturgenerator 1 geleitet und verläßt diesen mit beispielsweise 130 °C über den am Innenzylinder 8 angeordneten Anschlußstutzen 7 des Hochtemperaturgenerators 1.
Diese nun auf beispielsweise 130°C abgekühlte Abluft wird von dort über eine Abluftleitung 23 und den am Innenzylinder 8 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordneten Anschlußstutzen 7 in den Innenraum des Niedertemperaturwärmetauscher 4 eingeleitet.
Gleichzeitig strömt jedoch auch die ca. 400°C bis 450°C heiße, vom Ablufteintritt 22 kommende Abluft über die entsprechend dem gewünschten Betriebszustand der Anlage teilweise geöffnete Niedertemperaturwärmetauschereintrittsklappe 27 und die an dieser angeordnete Abluftleitung 23 zum zweiten, am Innenzylinder des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordneten Anschlußstutzen 7 und vermischt sich dort mit der ebenfalls in den Innenzylinder eintretenden, vom Wärmeübertragungsbehälter 9 des Hochtemperaturgenerators 1 kommenden Abluft des Hochtemperaturgenerators 1, steigt dabei auf, strömt über den Wärmeübertragungsringraum 11 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 zum Anschlußflansch 14, und kühlt sich dabei auf beispielsweise 80° bis 85°C ab. Über die am Anschlußflansch 14 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordnete Abluftleitung 23 strömt diese nun abgekühlte Abluft zum Abluftaustritt 28 des erfindungsgemäßen Systems.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung kann der Absorber, der Hochtemperaturgenerator 1, im Teillastbetrieb gefahren werden und gleichzeitig kann die nicht für die Kälteerzeugung benötigte Abwärme einem Heizkreis zugeführt werden.
Dadurch ist stets eine optimale Ausnutzung der Wärmeenergie der Abluft gewährleistet.
Die 4 zeigt nun die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung aus 1 in der Draufsicht im Betriebszustand bei reinem Wärmebetrieb.
Zur Verdeutlichung dieses Betriebszustandes ist die Abluftführung wiederum wie bereits in den 2 und 3, durch eine mit Pfeilen versehene „Strich-Punkt-Linie", nun für den Betriebszustand des reinem Wärmebetriebes, dargestellt.
Die Abluft, beispielsweise der Brennstoffzelle, tritt wiederum mit einer Temperatur von beispielsweise 400°C bis 450°C über den Ablufteintritt 22 in den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein.
Bei geschlossener Havarieknappe 24, geöffneter Systemeintrittsklappe 25, vollständig geöffneter Niedertemperaturwärmetauschereintrittsklappe 27 und geschlossener Generatoreintrittsklappe 26 strömt nun die gesamte Abluft über die zwischen den Absperrklappen angeordneten Abluftleitungen r vom Ablufteintritt 22 zum zweiten, am Innenzylinder des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordneten Anschlußstutzen 7, steigt im Innenzylinder des Niedertemperaturwärmetauschers auf und strömt über den Wärmeübertragungsringraum 11 des Niedertemperaturwärmetauscher 4 zum Anschlußflansch 14 des Niedertemperaturwärmetauschers 4.
Über die am Anschlußflansch 14 des Niedertemperaturwärmetauschers 4 angeordnete Abluftleitung 23 strömt diese nun beispielsweise auf ca. 80° bis 85°C abgekühlte Abluft zum Abluftaustritt 28 des erfindungsgemäßen Systems. In diesem Betriebszustand der maximalen Wärmeleistung werden zur Wärmeerzeugung entsprechend der jeweiligen Anlagengröße (gleiche Anlagengröße bei den Erläuterungen zu den 1 bis 4 vorausgesetzt) beispielsweise etwa 9 m² Kühlwasser pro Stunde durch den Niedertemperaturwärmetauscher 4 durchgesetzt.
In der 5 ist der erfindungsgemäße Hochtemperaturgenerator 1 im Schnitt bei A-A gemäß 1 in der Seitenansicht dargestellt.
Um den Innenzylinder 8 herum, ist ein zylindrischer Wärmeübertragungsbehälter 9 angeordnet, in dem eine Vielzahl von Rohrkreissegmenten 10 mit einer Bogenwinkel von 315° übereinander und nebeneinander derart angeordnet sind, dass diese mit ihren beiden freien Enden jeweils gas- und flüssigkeitsdicht in den Bohrungen zweier allseitig im Wärmeübertragungsringraum 11 des Wärmeübertragungsbehälter 9 befestigten Lochbleche 12 so verbunden sind, dass die Ebenen dieser beiden radial am Innenzylinder 8 im Wärmeübertragungsringraum 11 angeordneten Lochbleche 12 zueinander einen Winkel von 45° einschließen, wobei der nicht von Rohrkreissegmenten 10 überdeckten Bereich des Innenzylinders 8 zwischen dem Anschlussbereich des Einströmbleches und dem Anschlussbereich des Ausströmbleches mit einer Aussparung 13 versehen ist, und am Außenmantel 17 des Wärmeübertragungsbehälters 9, in etwa der Aussparung 13 des Innenzylinders 8 gegenüberliegend, ein Anschlußflansch 14 angeordnet ist, wobei in diesem nicht von Rohrkreissegmenten 10 überdeckten Bereich des Wärmeübertragungsbehälter 9, dem Strömungsleitraum 15, ein Strömungsleitblech 16 zwischen dem Anschlussbereich eines Lochbleches 12 am Innenzylinder 8 und dem Anschlussbereich des anderen Lochbleches 12 am Außenmantel 17 des Wärmeübertragungsbehälters 9 derart angeordnet ist, dass die in den Strömungsleitraum 15 eintretende Abluft erst nach dem Durchströmen der Rohrkreissegmente 10 diesen wieder verlassen kann.
Entsprechend der jeweiligen Baugröße sind über den Umfang verteilt Rohrstützwände 29 angeordnet, in denen die Rohrkreissegmente 10 gleitend gelagert sind.
Diese Rohrstützwände 29 reichen abwechselnd einerseits vom Boden bis in das obere Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe (wie u.a. in der 6 dargestellt), bzw. andererseits von oberhalb der maximalen Füllhöhe bis in das zweite Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe (wie u.a. in der 7 dargestellt).
Die auf dem Boden aufstehenden Rohrstützwände 29 sind dabei vorzugsweise mit Standfüßen versehen.
Die erfindungsgemäße teilweise „Überdeckung" der von unten, bzw. von oben in den Wärmetauscherraum hineinreichenden Rohrstützwände 29 bewirkt eine optimale Strömungsführung des Kühlmediums und somit eine optimale Wärmeübertragung bei gleichzeitiger, die Wärmedehnungen zulassender Führung der Rohrkreissegmente.
Die 6 zeigt den erfindungsgemäße Hochtemperaturgenerator 1 im Schnitt bei B-B gemäß 2 in der Seitenansicht.
Der Hochtemperaturgenerator 1 ist mit einem Dampfdom 20 und einem an diesem angeordneten Dampfaustritt 21 versehen.
Im Dampfdom 20 befindet sich ein Tropfenabscheider 34.
Um einen Innenzylinder 8 herum, befindet sich der zylindrische Wärmeübertragungsbehälter 9 in dem eine Vielzahl von Rohrkreissegmenten 10 übereinander und nebeneinander angeordnet sind, wobei diese mit ihren beiden freien Enden jeweils gas- und flüssigkeitsdicht in den Bohrungen zweier allseitig im Wärmeübertragungsringraum des Wärmeübertragungsbehälter 9 befestigten Lochbleche 12 angeordnet sind.
Die Rohrkreissegmente 10 sind wiederum in Rohrstützwänden 29 gelagert welche abwechselnd, wie in dieser 6 dargestellt, vom Boden bis in das obere Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe bzw. von oberhalb der maximalen Füllhöhe bis in das zweite Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe reichen.
Am Außenmantel 17 des Hochtemperaturgenerators 1 ist der Anschlussflansch angeordnet.
Unterhalb des Wärmeübertragungsbehälters 9 befindet sich am Innenzylinder 8 des Hochtemperaturgenerators 1 ein Anschlußstutzen 7.
In der 7 ist der erfindungsgemäße Niedertemperaturwärmetauscher 4 im Schnitt bei C-C, gemäß 2, in der Seitenansicht dargestellt.
Am Außenmantel 17 des Niedertemperaturwärmetauscher 4 ist ein Anschlussflansch 14 angeordnet.
Die Rohrkreissegmente 10 sind im Wärmeübertragungsbehälter wiederum in Rohrstützwänden 29 gelagert welche abwechselnd vom Boden bis in das obere Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe bzw., wie in dieser 7 dargestellt, von oberhalb der maximalen Füllhöhe bis in das zweite Drittel der aus Rohrkreissegmenten 10 gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe reichen.
Am Innenzylinder 8 des Niedertemperaturwärmetauscher 4 sind unterhalb des Wärmeübertragungsbehälters zwei zueinander um jeweils 90° versetzte Anschlußstutzen 7 angeordnet.
Die 8 zeigt nun eine erfindungsgemäße Stützwandplatte 30 mit den gegenüberliegend angeordneten halbkreisförmigen Aussparungen 31 zur Aufnahme der einzelnen Rohrkreissegmente.
Mit diesen Stützwandplatten 30 werden die in der 5 und auch in den 6 und 7 beschriebenen, über- und nebeneinanderliegenden Rohrkreissegmente positioniert und in ihrer Lage stabilisiert.
Gleichzeitig bewirkt die in der 5, in Verbindung mit den 6 und 7 dargestellte, erfindungsgemäße Anordnung von Rohrstützwänden 29 eine optimale Strömung des Kühlmittels im Wärmeübertragungsbehälter.
In der 9 ist nun die in Verbindung mit den 5 und 6 beschriebene erfindungsgemäße Fußplatte 32 einer Rohrstützwand 29 dargestellt.
Die auf dem Boden des Wärmeübertragungsbehälters aufstehenden Rohrstützwände 29 sind an ihrem unteren Ende vorzugsweise mit einer solchen Fußplatte 32 versehen, deren auf der Bodenfläche des Wärmetauscherbehälters aufstehenden Standfüßen 33 eine Verschiebung der Standfläche in Abhängigkeit von den jeweiligen Wärmedehnungen zulassen. Die am unteren Rand mit Standfüßen 33 versehene erfindungsgemäße Fußplatte 32 ist an ihrem oberen Rand mit halbkreisförmigen Aussparungen 31 versehen in die die einzelnen Rohrkreissegmente der unteren „Ebene" eingelegt werden.
Vor dem Auflegen der nächsten „Ebene" von Rohrkreissegmenten werden die Fuß- und Stützwandplatten positioniert, untereinander ausgerichtet und übereinanderliegend im Randbereich miteinander verbunden, z.B. verschweißt. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Innendurchmesser der halbkreisförmigen Aussparungen 31 lediglich etwas größer ist als der Außendurchmesser des Rohrquerschnittes der Rohrkreissegmente, so dass sich die Rohrkreissegmente in der Rohrstützwand zwar ausdehnungsbedingt verschieben können jedoch das Hindurchströmen des Kühlmittels durch die Rohrstützwand sehr stark behindert ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit gelungen, eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für den Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen zu entwickeln, welche mit der Abluft einer Brennstoffzelle betrieben werden kann und die einerseits die Nachteile des Standes der Technik wie einen erhöhten Bauraum, eine erhöhte Wärmedehnung und/oder die damit verbundenen Wärmespannungen vermeidet, die Fertigungs-, Montage- und Instandhaltungskosten deutlich senkt, gleichzeitig die zwangsläufig auftretende Strömungsverluste wesentlich minimiert, d.h. konkret den Abgasgegendruck auf maximal 10 mbar reduziert, darüber hinaus gleichzeitig eine Kristallisation des Lösungsmittels vermeidet und zudem das gleichzeitige Erzeugen von Kälte und Wärme so ermöglicht, dass im Teillastbetrieb des Absorbers beispielsweise die nicht für die Kälteerzeugung benötigte Brennstoffzellenabwärme einem Heizkreis zugeführt werden kann, wobei stets ein gefahrloses Umschalten von voller Kälteleistung über kombinierten Kälte-/Wärmebetrieb bis hin zu reinem Wärmebetrieb möglich sein soll, darüber hinaus soll gleichzeitig das mit bisherigen Absorptionskälteanlagen maximal erreichbare Wärmeverhältnis, der COP-Wert, von derzeit ca. 0,65 bis 0,75 deutlich erhöht werden.

1: Hochtemperaturgenerator
2: Lösungsmittelzulauf
3: Lösungsmittelablauf
4: Niedertemperaturwärmetauscher
5: Kühlwasserzulauf
6: Kühlwasserablauf
7: Anschlußstutzen
8: Innenzylinder
9: Wärmeübertragungsbehälter
10: Rohrkreissegment
11: Wärmeübertragungsringraum
12: Lochblech
12a: Einströmblech
12b: Ausströmblech
13: Aussparung
14: Anschlußflansch
15: Strömungsleitraum
16: Strömungsleitblech
17: Außenmantel
18: Stützfuß
19: Grundgestell
20: Dampfdom
21: Dampfaustritt
22: Ablufteintritt
23: Abluftleitung
24: Havarieklappe
25: Systemeintrittsklappe
26: Generatoreintrittsklappe
27: Niedertemperaturwärmetauschereintrittsklappe
28: Abluftaustritt
29: Rohrstützwand
30: Stützwandplatte
31: Aussparung
32: Fußplatte
33: Standfuß
34: Tropfenabscheider

Claims

Vorrichtung zur Wärmeübertragung für einen Einsatz in Verbindung mit Absorptionskälteanlagen und zur Rückgewinnung von Wärme aus der Abluft einer Brennstoffzelle, wobei die Vorrichtung zur Wärmeübertragung einen mit einem Lösungsmittelzulauf (2) und einem Lösungsmittelablauf (3) versehenen Hochtemperaturgenerator (1) und einen mit einem Kühlwasserzulauf (5) und einem Kühlwasserablauf (6) versehenen Niedertemperaturwärmetauscher (4) umfasst, die über ein Rohrleitungssystem mit einem Ablufteintritt (22) und einem Abluftaustritt (28) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl beim Hochtemperaturgenerator (1), um einen mit einem Anschlussstutzen (7) versehenen Innenzylinder (8) herum, wie auch beim Niedertemperaturwärmetauscher (4), um einen mit zwei Anschlussstutzen (7) versehenen Innenzylinder (8) herum, ein zylindrischer Wärmeübertragungsbehälter (9) angeordnet ist, in dem eine Vielzahl von Rohrkreissegmenten (10) übereinander und nebeneinander angeordnet sind, wobei der zylindrische Wärmeübertragungsbehälter (9) einen Volumenabschnitt enthält, der als Strömungsleitraum (15) ausgebildet ist und in dem keine Rohrkreissegmente (10) angeordnet sind, die Rohrkreissegmente (10) sind mit ihren beiden freien Rohrenden jeweils gas- und flüssigkeitsdicht in Bohrungen zweier allseitig in einem Wärmeübertragungsringraum (11) des Wärmeübertragungsbehälters (9) befestigten Lochbleche (12a, 12b), von denen jeweils eines als Einströmblech (12a) und das andere als Ausströmblech (12b) fungiert, angeordnet, die Ebenen dieser beiden Lochbleche (12a, 12b) schließen zueinander einen Winkel von 30° bis 60°, bezogen auf die Mittelachse des Innenzylinders (8), ein, wobei im Strömungsleitraum (15) eine Aussparung (13) angeordnet ist, und am Außenmantel des Wärmeübertragungsbehälters (9) im Bereich des Strömungsleitraumes (15) ein Anschlussflansch (14) angeordnet ist, zwischen dem Einströmblech (12a) und dem Ausströmblech (12b) ist im Strömungsleitraum (15) ein Strömungsleitblech (16) angeordnet, so dass eine in den Strömungsleitraum (15) eintretende Abluft erst nach dem Durchströmen der Rohrkreissegmente (10) den Strömungsleitraum (15) wieder verlassen kann.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablufteintritt (22) einerseits über ein mit einer Havarieklappe (24) versehenes Rohrleitungssystem einer Abluftleitung (23) direkt mit dem Abluftaustritt (28), und andererseits über ein mit einer Systemeintrittsklappe (25) und einer Generatoreintrittsklappe (26) versehenes Rohrleitungssystem, einer Abluftleitung (23), mit dem Anschlussflansch (14) des Hochtemperaturgenerators (1) und gleichzeitig über eine weitere mit einer Niedertemperaturwärmetauscherklappe (27) versehenen Abluftleitung (23) mit einem der beiden Anschlußstutzen (7) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) verbunden ist, wobei der Anschlußstutzen (7) des Hochtemperaturgenerators (1) über das Rohrleitungssystem, die Abluftleitung (23), mit dem zweiten Anschlußstutzen (7) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) verbunden ist und der Anschlussflansch (14) des Niedertemperaturwärmetauschers (4) über das Rohrleitungssystem, die Abluftleitung (23), mit dem Abluftaustritt (28) verbunden ist.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeübertragungsringraum (11), über den Umfang der Rohrkreissegmente (10) verteilt, Rohrstützwände (29) angeordnet sind, in denen die Rohrkreissegmente (10) gleitend gelagert sind.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstützwände (29) abwechselnd vom Boden bis in das obere Drittel der aus Rohrkreissegmenten (10) gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe, bzw. von oben bis in das zweite, das mittlere Drittel der aus Rohrkreissegmenten (10) gebildeten Wärmeübertragerbauhöhe reichen.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrstützwände (29) aus Stützwandplatten (30) mit gegenüberliegenden halbkreisförmigen Aussparungen (31) gebildet werden.
Vorrichtung zur Wärmeübertragung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Boden des Wärmeübertragungsbehälters (9) aufstehenden Rohrstützwände (29) am unteren Ende mit einer Fußplatte (32) versehen sind, die am oberen Rand mit halbkreisförmigen Aussparungen (31) und am unteren Rand mit Standfüßen (33) versehen ist.