DE19500508A1

DE19500508A1 - Kombinierte Wärme-Kälteanlage

Info

Publication number: DE19500508A1
Application number: DE19500508A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ing Albring; Guenter Prof Dr Ing Heinrich; Bodo Dr Ing Burandt; Lutz Dipl Ing Richter; Hans-Heirich Dipl Ing Schroth
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1995-01-10
Filing date: 1995-01-10
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2015-01-11
Also published as: DE19500508B4

Description

Die Erfindung betrifft Anlagen für die gekoppelte Erzeugung von Kraft, Wärme und Kälte besonders in motorgetriebenen Blockheizkraftwerken mit abwärmegetriebenen Sorptionsaggregaten. Die Prozeßführung sowie eine Kombination von Apparaten für Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung zur Bereitstellung von Kälteenergie sind besondere Gegenstände dieser Erfindung.

In Absorptionskälteanlagen finden thermodynamische Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung statt. Die Wirkungsprinzipien sind seit langem bekannt. Es ist die Kopplung zweier Kreisläufe, eines Kältemittelkreislaufes und eines Lösungskreislaufs.

In einer Sorptionsanlage zur Kälteerzeugung wird das Kältemittel in einem Verdampfer verdampft und kühlt einen Kälteträger. Der entstehende Dampf tritt in einem Absorber. Dort wird die sog. "arme" Lösung mit dem Kältemittel angereichert. Das kann im isobaren Zustand nur dann erfolgen, wenn die Lösung ständig und intensiv gekühlt wird. Danach wird die sog. "reiche" Lösung auf ein höheres Druckniveau gebracht und durch ein Heizmittel erwärmt. Dabei wird Kältemitteldampf ausgetrieben. Die verbleibende "arme" Lösung wird entspannt und fließt zurück in den Absorber. Eine Wärmeübertragung von der armen zur "reichen" Lösung sowie zwischen Kältemitteldampf und -kondensat verbessert die Effektivität des Prozesses und bringt wesentliche Einsparungen an Kühlwasser und Heizenergie.

Der Kältemitteldampf wird nach dem Austreiber im Kondensator verflüssigt. Mit der Entspannung des flüssigen Kältemittels in den Verdampfer wird der Kreislauf geschlossen.

Im Laufe der Entwicklungen sind die Arten der Prozeßführungen sowie alle Bauteile, die der Wärme- und Stoffübertragung dienen, in vielfältiger Weise verbessert worden.

Ein rentabler Betrieb von Sorptionsanlagen ist besonders dann möglich, wenn geeignete Abwärmequellen billig zur Verfügung stehen. Verdampfungstemperatur, Umwelttemperatur (Kühlwasser- bzw. Kühllufttemperatur) und das Arbeitsstoffpaar bestimmen je nach Art der Prozeßführung die notwendige Temperatur für die Heizenergie. Temperaturdifferenzen zwischen den Arbeitsstoffströmen und den Energieträgern müssen einkalkuliert werden. Große Temperaturdifferenzen erhöhen thermodynamische Verluste, verringern aber den apparativen Aufwand und die Installationskosten.

Mit komplexen Prozeßführungen kann man spezielle Aufgaben lösen. In Blockheizkraftwerken mit Gas- oder Ölmotoren fällt Abwärme im zwei Temperaturbereichen an, und zwar etwa 500°C heiße Abgase, die auf etwa 130°C oder sogar noch darunter abgekühlt werden sollen, und etwa 90°C warmes Kühlwasser, dessen Temperatur auf etwa 70°C gesenkt werden soll.

Bekannt sind zweistufige H₂O/LiBr-Absorptionskälteanlagen mit hohen Heizmitteltemperaturen. Sie besitzen einen geringeren spezifischen Heizenergiebedarf. Das Heizmittel kann aber nicht unter 160°C abgekühlt werden. Im Zusammenhang mit der Abwärmenutzung von motorgetriebenen Blockheizkraftwerken bedeutet dies, daß nur die heißen Abgase der Kälteerzeugung dienen können. Die Abwärme aus dem Kühlwasser müßte für andere Zwecke genutzt werden.

Die Abwärme von motorgetriebenen Blockheizkraftwerken wird auch so genutzt, daß das aus dem Motor und Ölkühler austretende Kühlwasser mit dem Abgas um einige Grade aufgeheizt wird und danach als Heizmittel für Sorptionskälteanlagen dient. Damit verbunden sind Verluste an Exergie, Kleinere Differenzen zwischen Heizmittel- und Lösungstemperatur führen zu vergrößerten Bauvolumen der Absorptionskälteanlage.

Im Streben nach höheren Vorlauftemperaturen des Heizmittels für die nachgeschaltete Sorptionsanlage und der damit verbundenen Verkleinerung und Verbilligung des einsetzbaren Kälteaggregats führte man die sog. Heißkühlung des Motors mit Kühlwassertemperaturen bis zu 110°C ein. Sie bringt betriebstechnische Probleme mit sich, die zu geringeren Standzeiten der Motoren führen.

Umfangreiche Untersuchungen für die Nutzung der Sonnenenergie bzw. von Fernwärme durch Sorptionsanlagen zur Kälteerzeugung führten zu geeigneten Absorptionskälteanlagen mit komplexer Prozeßführung. Die Eigenschaften solcher Anlagen besteht darin, Heizmedien mit geringen Vorlauftemperaturen (z. B. unter 100°C) mit großen Abkühlungsraten (Temperaturspreizungen) von 30-40 K nutzen zu können. Energieverbrauch, spezifische Baugröße und Kosten wachsen thermodynamisch bedingt an.

Ein grundsätzlicher Nachteil der bekannten Lösungen ist, daß sie nicht in der Lage sind, zwei Abwärmeströme unterschiedlicher Temperatur effektiv zu nutzen.

Die Aufgabe der Erfindung ist, in einer Absorptionskälteanlage die Prozeßführung sowie die Prozesse des Wärme- und Stoffübergangs an vorhandene Abwärmequellen mit verschiedenen Temperaturen optimal anzupassen und den Energieumwandlungsprozeß so verlustlos wie möglich zu gestalten. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Sorptionsanlage wird den Abwärmetemperaturen von motorgetriebenen Blockheizkraftwerken erfindungsgemäß so angepaßt, daß keine Heißkühlung mehr notwendig ist. Gegenüber bisherigen Anlagen ohne Heißkühlung verringert sich für die Absorptionskälteanlage der Aufwand an Abwärme, Baugröße und Kosten. Das wird insbesonders dadurch erreicht, daß der Mengenstrom der kältemittelreichen Lösung im Lösungskreislauf nach dem Absorber 1, der Lösungspumpe 2 und dem Wärmeübertrager 3 geteilt wird. Der eine Teilstrom fließt z. B. in einen weiteren Lösungsmittelkreislauf, bestehend aus den Leitungen 10, 18, 9 und dem Bypaß 12 über eine zweite Lösungspumpe 4, einen Wärmeübertrager 5, ein Entspannungsorgan 6, in den Zweistrom-Desorber 7. Der zweite Teilstrom der kältemittelreichen Lösung fließt über die Leitung 11 direkt in den Zweistrom-Desorber 7 und wird dort durch Wärme niederer Temperatur geheizt. Im Zweistrom-Desorber 7 entsteht Kältemitteldampf. Der verbleibende flüssige Anteil, die kältemittelarme Lösung, wird nach Austritt aus dem Zweistrom- Desorber 7 durch die Leitung 9 aufgeteilt. Der eine Teilstrom wird über einen Bypaß 12 der reichen Lösung zugemischt. Der andere Teil wird über die Leitung 13, den Wärmeübertrager 3 und ein Entspannungsorgan 8 in den Absorber 1 zurückgeführt, wo er Kältemitteldampf aufnimmt. Die schematische Schaltskizze zeigt Fig. 1.

Durch die Erweiterung der Schaltung nach Fig. 1 um eine zweite Stufe wird erfindungsgemäß eine verbesserte Energieeffektivität erreicht (s. Fig. 2). Dort wird in einem zweiten Generator 14 mit der Abwärme der heißen Abgase Kältemitteldampf bei einem höheren Druck ausgetrieben. Das geschieht entweder durch Vorwärmung der reichen Lösung auf Sättigungstemperatur in einem Wärmeübertrager 5 und nachfolgender direkter Heizung mit Wärmeübertrager 19 im Desorber 14 oder auch, wie in Fig. 1 bereits dargestellt, über einen Wärmeübertrager 5 und die Entspannung in einem Entspannungsorgan 6. Dieser Kältemitteldampf wird über eine Leitung 16 in den Zweistrom-Desorber 7 geleitet. Er kondensiert dort in einem Wärmeübertrager 17 und heizt neben dem Wärmestrom niederer Temperatur den anderen Teilstrom der reichen Lösung aus dem Lösungskreislauf, der direkt vom Absorber 1 durch die Lösungspumpe 2 über den Wärmeübertrager 3 in den Zweistrom-Desorber 7 gefördert wird sowie die aus dem Desorber 14 austretende Lösung, die über das Entspannungsorgan 8 in den Zweistrom-Desorber 7 entspannt wird.

Bezugszeichenliste

1 Absorber
2 Lösungspumpe
3 Wärmeübertrager
4 Lösungspumpe
5 Wärmeübertrager
6 Entspannungsorgan
7 Zweistrom-Desorber
8 Entspannungsorgan
9 Leitung
10 Leitung
11 Leitung
12 Bypaß
13 Leitung
14 Desorber
15 Kältemittelverdampfer
16 Leitung
17 Wärmeübertrager
18 Leitung
19 Wärmeübertrager
20 Leitung
21 Kältemittelkondensator

Claims

1. Kombinierte Wärme-Kälteanlage mit Nutzung von Abwärmeströmen unterschiedlicher Temperaturen zur Kälteerzeugung in einer Absorptionskälteanlage, bestehend aus einem Kältemittelverdampfer (15), einem Absorber (1), einem Zwischenwärmeübertrager (3), Lösungspumpen (2) und (4), einem Zweistrom-Desorber (7) und einem Kältemittel-Kondensator (21), dadurch gekennzeichnet, daß einem Zweistrom-Desorber (7) gleichzeitig ein Teilstrom der reichen Lösung mit hoher Temperatur und hohem Druck aus einem mit Abwärme hoher Temperatur beheizten Wärmeübertrager (5), über die Leitung (18) und ein Entspannungsorgan (6), in dem bis zu einem bestimmten Maß Kältemitteldampf entsteht, sowie ein weiterer Teilstrom der reichen Lösung über eine Leitung (11) direkt zugeführt wird, die beiden Ströme im Zweistrom-Desorber (7) von einer Abwärmequelle niedriger Temperatur beheizt werden, wobei weiterer Kältemitteldampf ausgetrieben wird, und der aus dem Zweistrom-Desorber (7) austretende, gemischte Flüssigkeitsstrom der armen Lösung in zwei Teilströme aufgeteilt werden kann, wobei einer der beiden Teilströme über die Leitung (13) über den Wärmeübertrager (3) zum Absorber (1) fließt und der andere Teilstrom über den Bypaß (12) mit einem Teilstrom der vom Absorber kommenden reichen Lösung gemischt wird.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Desorber (14) in die Leitung (18) eingebaut wird, in dem Kältemitteldampf auf höherem Druckniveau durch Hochtemperaturabwärme aus dem einem Teilstrom der reichen Lösung entweder, nach Vorwärmung in einem Wärmeübertrager (5) bis auf Sättigungstemperatur, direkt einem Wärmeübertrager (19) oder nach weiterer Druckerhöhung und Aufheizung der Flüssigkeit in einem Wärmeübertrager (5) mit anschließender Entspannung in einem Entspannungsorgan (6) erzeugt wird, der Kältemitteldampf über eine Leitung (16) zu einem zusätzlichen Wärmeübertrager (17) innerhalb des Zweistrom-Desorbers (7) geleitet wird, dort kondensiert und neben der Abwärme niederer Temperatur weiteren Kältemitteldampf aus der im Zweistrom- Desorber (7) enthaltenen Lösung erzeugt, anschließend auf das Druckniveau des Kältemittel- Kondensators (21) entspannt wird, während die "verarmte" Lösung aus dem Desorber (14) über eine Leitung (20) in den Zweistrom-Desorber (7) gefördert, dort in einem Entspannungsorgan (6) auf den Druck des Zweistrom-Desorbers (7) entspannt wird und dabei noch weiteren Kältemitteldampf erzeugt.

3. Wärme-Kälte-Kopplungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (5) zugleich der zum Verbrennungsmotor gehörende, und mit reicher Lösung gekühlte Abgaswärmeübertrager sein kann.

4. Wärme-Kälte-Kopplungsanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mit reicher Lösung gekühlte Wärmeübertrager (5) in der Hochtemperaturstufe über einen zusätzlichen Rohrkanal zur gleichzeitigen oder zeitlich versetzten Auskopplung von Nutzwärme verfügen kann.