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Die
Erfindung betrifft eine Kühlanlage
nach dem Absorptionsprinzip mit einem Absorptionskreis, in dem eine
Pumpe ein wässriges
Absorptionsfluid zwischen einem Absorber, in dem es Wasserdampf aufnimmt,
und einem Austreiber, in dem Wasser als Dampf wieder ausgetrieben
wird, umwälzt,
und mit einem Sammler, in dem der Dampf wieder zur Kondensation
gebracht wird.
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Solche
Anlagen, zum Beispiel mit einer LiBr-Sole, sind aus der Druckschrift
DE 44 15 199 A1 bekannt.
Sollen Temperaturen unter 0°C
erzielt werden, dann verwendete man bisher Kältemittel, zum Beispiel das
giftige Ammoniak, die im Betrieb und bei der Entsorgung Probleme
bereiten. Zudem würde man
für die
Kondensation der niedrig siedenden Komponente des Fluids in dem
dem Verdampfer nachgeordneten Sammler eine kostengünstige Wärmesenke
ausreichend niedriger Temperatur benötigen, die nicht immer und überall zur
Verfügung
steht.
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Aufgabe
der Erfindung ist es also, eine Kühlanlage anzugeben, mit der
eine Kühlfluid-Temperatur deutlich
unter 0°C
erreichbar ist und die doch eine wässrige Lösung zu verwenden erlaubt,
die bei der Entsorgung keine Probleme hervorruft. Außerdem soll
auf eine hohe Leistungszahl (COP = coefficient of power) und einen
geringen Aufwand an Apparaten sowie an Fremdenergie Wert gelegt
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch die Kühlanlage
gemäß dem beiliegenden
Hauptanspruch gelöst.
Bezüglich
von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung sowie der bevorzugten Mittel zum Betrieb der Anlage
wird auf die abhängigen
Ansprüche
verwiesen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen und den beiliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer ersten Kühlanlage gemäß der Erfindung.
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2 zeigt
eine zweistufige Kühlanlage,
die aufbauend auf der Anlage gemäß 1 einen
weiteren Absorptionskreis und einen Tiefkühlkreis besitzt.
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Die
Anlage gemäß 1 enthält einen
Absorptionskreis, in dem im Betrieb eine Pumpe 1 ein Absorptionsfluid
von einem Sammelbehälter 2 in
einen Austreiber 3 befördert.
Der Austreiber wird durch eine Wärmequelle 4 erwärmt, die
beispielsweise ein Sonnenkollektor ist und die niedrigsiedende Komponente
des Absorptionsfluids, nämlich
Wasser, verdampfen läßt. Dadurch
wird der Wassergehalt des Fluids verringert. Das heiße Fluid
wird dann über
einen Kühler 5 einem
Sprühabsorber 6 zugeführt, in den
eine Dampfleitung 7 mündet,
sodaß an
Wasser angereichertes Fluid sich am Boden des Sprühabsorbers
sammelt. Der Auslaß des
Sprühabsorbers 6 ist über einen
Siphon 8 mit dem Sammelbehälter 2 verbunden,
wodurch sich der Kreis für
das Absorptionsfluid schließt.
Der Siphon 8 hat die Aufgabe, den Gasraum des Sammelbehälters 2 von
dem des Sprühabsorbers
unter allen Betriebsbedingungen zu trennen, was natürlich auch
ohne Siphon erreicht werden kann, wenn man den Sammelbehälter so
positioniert, daß sein
Gasraum in Höhe
des Gasraums des Sprühabsorbers
liegt.
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Der
Austreiber 3 ist mit einer Brüdenverdichtungspumpe 9 versehen,
die den im Gasraum des Austreibers sich bildenden Wasserdampf absaugt und
verdichtet in eine im unteren Bereich des Austreibers liegende Kühlschlange 10 einspeist.
Durch die Verdichtung und den Kühleffekt
der Schlange kondensiert der Wasserdampf und fließt dann
in einen Sammler 11, der von einer schematisch angedeuteten
Wärmesenke 12 gekühlt wird.
Die Brüdenverdichtungspumpe
ist vorzugsweise eine Verdrängungspumpe
mit Voreinlaßkühlung, das
heißt
mit einem zusätzlichen
Einlaß für den verdichteten
und abgekühlten
Dampf in die Pumpenkammer, kurz ehe sich diese zum Auslaß hin öffnet. Dadurch
wird die Pumpe entlastet und die Pumpleistung erhöht.
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Der
Sammler 11 empfängt
zwar Wasser vom Austreiber, wird aber zusätzlich über eine Pumpe 13 mit
dem eigentlichen Kühlfluid
beschickt, das aus Wasser und einer Beimischung von Erdalkali- oder Alkali-Halogeniden,
-Formiaten, -Acetaten, -Perchloraten oder -Sulfaten besteht, beispielsweise
Kaliumformiat KCOOH. Das Absorptionsfluid im Austreiber kann ebenfalls
eine dieser Beimischungen enthalten, jedoch braucht dies nicht unbedingt
derselbe Stoff zu sein. In einer bevorzugten Ausführungsform
unterscheiden sich die Fluide im Austreiber 3 und im Sammler 11 nur
durch die Konzentration der wässrigen
Lösung,
die beim Kühlfluid
im Sammler 11 geringer ist. Die Zufuhr des Kondensats zum
Sammler 11 führt
dort aufgrund der Lösungswärme zu einer
Temperaturerhöhung,
sodaß die
Kühlung
mithilfe der Senke 12 gegebener Temperatur wirkungsvoller
erfolgt. Ein Rührwerk
im Sammler 11, das in der Figur angedeutet ist, verbessert
den Mischeffekt und vergleichmäßigt so
die Wärmeentwicklung.
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Das
Kühlfluid
kommt aus einem Verdampfer 14, welcher ebenfalls ein Rührwerk 15 besitzen
kann und über
die oben erwähnte
Dampfleitung 7 seinen Dampf dem Sprühabsorber 6 anbietet.
Damit ergibt sich ein Kreislauf für das aus dem Verdampfer 14 verdampfende
Wasser über
den Sprühabsorber 6 (Absorption
von Wasserdampf), den Sammelbehälter 2, den
Austreiber 3 (Desorption) und den Sammler 11 zurück zum Verdampfer 14.
Die Förderleistung
der Pumpe 13 wird so eingestellt, daß sich der Sammler 11 nie
vollständig
entleert. Über
ein Ventil 17 in einer Verbindungsleitung 18 zwischen
dem Sammler 11 und dem Verdampfer 14 kann der
Fluidpegel und damit auch die Temperatur im Sammler 11 abgesenkt werden,
beispielsweise wenn die Senke 12 die gewünschte Temperatur
alleine nicht schafft.
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Die
Konzentration des Absorberfluids im Austreiber 3 wird mit
einer Sonde 16 am Eingang des Sprühabsorbers 6 gemessen
und durch Steuerung der Pumpe 1 auf einen gewünschten
Wert nachgeregelt: So lange die Pumpe 1 ausgeschaltet ist,
steigt die Konzentration im Austreiber.
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Schließlich ist
noch eine Vakuumpumpe 19 vorhanden, die Permanentgase bei
Inbetriebnahme aus den verschiedenen Gasräumen, nämlich dem Austreiber 3,
dem Absorber 6, dem Sammlern 2 und 11 und
dem Verdampfer 14 absaugt.
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Um
zu verhindern, daß sich
im Kühlfluid
Eis bildet, setzt man dem Kühlfluid
ein den Gefrierpunkt herabsetzendes Mittel zu, das ausgewählt wird
unter Ethylenglykol, Butylenglykol, Polyethern oder Alkoholen.
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Man
kann auch bewußt
einen Eisschlamm erzeugen, indem man eine Teil-Kristallisation zuläßt, bis
zu einem Eisanteil von etwa 30%. Dann wird das Rührwerk 15 eingeschaltet.
Jenseits von einem 30%-igen Anteil an Eis, das sich wegen seiner
geringeren Dichte gegenüber
Wasser an der Oberfläche zusammendrängt, nimmt
die Verdampfungsrate im Verdampfer deutlich ab und die Temperatur
somit zu. Ein Eisschlamm ist günstig
für eine
isothermische Kühlung,
da die Temperatur konstant bleibt, so lange die Schmelzenthalpie
noch wirkt. Weiter kann man zur homogeneren Verteilung von Eiskristallen
und zur verbesserten Umwälzbarkeit
des Kühlfluids
Polyol, Polyethylenoxid oder Polyether dem Kühlfluid zusetzen.
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Der
Nutzkreislauf des Kühlfluids
besteht aus einer Umwälzpumpe 20 und
dem Wärmetauscher 21 mit
dem (nicht dargestellten) Kühlgut.
Zu diesem sind noch weitere Kühler
parallelgeschaltet, nämlich
der bereits erwähnte
Kühler 5 am
Einlaß in
den Sprühabsorber
und ein Kühler 22 in
der Rückleitung 18 vom Sammler 11 zum
Verdampfer 14.
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Verwendet
man als Absorptionsfluid eine wässrige
Lösung
von Lithiumchlorid LiCl mit einer Konzentration von 40%, dann kann
die Temperatur dieses Fluids hinter dem Kühler 5 bei einem Dampfdruck
von 1 mbar 20°C,
bei einem Dampfdruck von 0,6 mbar 10°C und bei einem Dampfdruck von
0,3 mbar noch 0°C
betragen, ohne daß eine
Salzkristallisation der Sole auftritt.
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Wird
im Verdampfer 14 eine KCOOH-Lösung verwendet, dann ergeben
sich folgende Temperaturen mit entsprechenden Dampfdrücken bei
verschiedenen Konzentrationen von Kaliumformiat KCOOH:
Für eine Konzentration
von 28% (Dampfdruck p = 1,0 mbar) ergibt sich bei –20°C noch keine
Eiskristallisation.
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Für eine Konzentration
von 55% (Dampfdruck p = 0,6 mbar) ergibt sich bei –20°C noch keine Kristallisation.
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Für eine Konzentration
von 46% (Dampfdruck p = 0,3 mbar) ergibt sich bei –32°C noch keine Kristallisation.
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Für eine Konzentration
von 30% (Dampfdruck p = 0,3 mbar) beginnt bei –23°C die Kristallisation.
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Für eine Konzentration
von 39% (Dampfdruck p = 0,2 mbar) beginnt bei –35°C die Kristallisation.
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Im
Bereich von 0 bis 28% KCOOH-Konzentration kann die Kristallisationstemperatur,
bei der sich eine Eis-Suspension bildet, zwischen 0°C und –30°C eingestellt
werden. Die Dampfdruckdepression im Vergleich zu Wasser beziehungsweise
Eis ist in diesem Bereich nicht hoch.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
benötigt abgesehen
vom Antrieb der Pumpen und Rührwerke nur
preiswerte Wärme-Energie, insbesondere
für den Austreiber.
Außer
einer hohen Leistungszahl zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
auch durch einen geringen Apparateaufwand aus, verglichen zum Beispiel
mit einer Vorrichtung zum Abschaben von Eis von einer mit Wasser
besprühten
Kühlwand.
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Die
Anlage gemäß 2 unterscheidet
sich nicht grundsätzlich
von der oben anhand von 1 beschriebenen Anlage, was
durch gleiche Bezugszeichen für
gleichartige Elemente manifestiert wird. Hier wurde lediglich eine
zusätzliche
Tiefkühlstufe angefügt, sodaß die Temperatur
im Verdampfer 14 über
0°C liegen
kann. Diese zusätzliche
Stufe verwendet als Absorptionsfluid eine wässrige Kaliumformiatlösung, die
als Gefrierschutzmittel wirkt. Die Lösung nimmt in einem weiteren
Sprühabsorber 23 Dampf
auf. Letzterer liefert die so angereicherte Lösung über eine Umwälzpumpe 32 an
einen Austreiber 24, der von einer Wärmequelle 25 beheizt
wird und dessen Dampfraum über
die Leitung 7 mit dem Dampfraum des Sprühabsorbers 6 in Verbindung steht.
Der Kreis für
die Kaliumformiatlösung
schließt sich über einen
Kühler 26,
von dem gekühltes,
abgereichertes Tiefkühlfluid
zu den Sprühköpfen des Sprühabsorbers 23 gelangt.
Der Wasserverlust im Verdampfer 27 kann über ein
Ventil 31 aus dem Verdampfer 14 und durch Rückführung von
Kühlfluid
aus dem Verdampfer 27 mit Hilfe einer Pumpe 33 in
den Sammler 11 ausgeglichen werden.
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Die
Vakuumpumpe 19 zur Entfernung von Permanentgasen bei Betriebsbeginn
erfüllt
in dieser Anlage zusätzlich
die gleiche Aufgabe in den Gasräumen
des weiteren Sprühabsorbers 23,
des weiteren Austreibers 24 und des weiteren Verdampfers 27.
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Aufgabe
des Sprühabsorbers 23 ist
der Entzug von Wasserdampf aus einem mit einem Rührwerk 28 versehenen
Verdampfer 27, dessen wässrige
KCOOH-Lösung
von einer Pumpe 29 zu einem Verbraucher-Wärmetauscher 30 befördert wird.
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Zusätzlich zu
den beiden Kreisen mit dem Absorptionsfluid und dem Kühlfluid
gemäß 1 gibt es
also hier noch eine zweite Stufe mit einem Absorptions- und einem
Tiefkühlfluidkreis.
Das Absorptionsfluid ist wieder eine wässrige Lösung von KCOOH, und auch das
Kühlfluid
im Verdampfer 14 ist wie bisher KCOOH, jedoch liegt in
einer bevorzugten Betriebsform die Vorlauftemperatur des Verbraucher-Wärmetauschers 21 der
ersten Stufe nur bei –10°C ohne Nutzung
der Schmelzenthalpie einer Eis-Suspension. Falls kein Bedarf für eine Kühlung in diesem
Temperaturbereich vorliegt, kann der Verbraucherwärmetauscher 21 entfallen.
Bei einer KCOOH-Konzentration
von 63% und einer Temperatur von –10°C im Verdampfer 14 hat
dieses Fluid einen Dampfdruck von 1,0 mbar. Bei dieser Temperatur kann
auch der Kühler
26 am EinlaB in den Absorber 23 aus dem Absorberfluid im
Verdampfer 14 gespeist werden.
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Das
Tiefkühlfluid
soll am Ausgang des Verdampfers 27 eine Temperatur von –32°C erreichen. Eine
wässrige
KCOOH-Lösung einer
Konzentration von 34% kann bei dieser Temperatur eine Fluid/Eissuspension
bilden, welche die Schmelzenthalpie von Eis für den Verbraucher-Wärmetauscher
nützt.
Die Wärmekapazität dieses
Fluids ohne Eis beträgt
bei einer Temperaturdifferenz von 10 Grad 41,8 kJ/kg. Eine solche
Suspension hat bei isothermischer Kühlung eine Wärmekapazität von etwa
100 kJ/kg. Toleriert man eine Erwärmung um 10 Grad, dann erreicht man
eine Wärmekapazität von sogar
140 kJ/kg.
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Um
eine Temperatur von –34°C im Verdampfer 27 zu
erreichen, müßte die
in den Absorber 23 eingespritzte KCOOH-Lösung
eine Konzentration von 77% aufweisen. Allerdings kristallisiert
bei –10°C das Formiat
aus. Hier kann man entweder mit einer Ultraschall-Vorrichtung die
Formiatkristalle in Suspension halten oder aber einen Teilstrom
des Tiefkühlfluids
von der Pumpe 29 zum Kühler 26 leiten, um
die Temperatur der in den Sprühabsorber 23 eingespritzten
Lösung
auf –20°C zu bringen.
Man arbeitet dann mit einer Formiat-Konzentration von 71%, die bei –20°C einen Dampfdruck
von 0,3 mbar hat. Die Fluid/Eissuspension mit 34% Konzentration
hat bei diesen Bedingungen einen Dampfdruck von 0,33 mbar.
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Bei
der Kühlanlage
gemäß 2 ergibt
sich eine wesentlich höhere
Leistungszahl bei gleicher Endtemperatur als bei der Kühlanlage
gemäß 1. Es
wäre auch
möglich,
dieses Kaskadenprinzip auf mehr als zwei Stufen zu erweitern.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen in allen Details
beschränkt,
sondern umfaßt
im Rahmen des Hauptanspruchs zahlreiche Varianten, von denen einige
oben angedeutet wurden.