DE19535841C2 - Vorrichtung zur Klimatisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimati­ sierung mit einer Absorptionskältemaschine und ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Vorrichtung kann als Kühlaggregat einer Klimaanlage eingesetzt werden, wobei die Ver­ wendung in einer Inselvariante ohne einen Elektro­ energieanschluß möglich sein sollte, zumindest aber die für den Betrieb erforderliche zuzuführende Ener­ gie so gering wie möglich gehalten werden kann.

Bei Sorptionskältemaschinen ist es bekannt, daß Gase oder Dämpfe unter bestimmten Bedingungen an einen an­ deren Stoff (Lösungsmittel) gebunden und unter ande­ ren Bedingungen wieder ausgetrieben werden können. Die "Verdichtung" erfolgt durch die Anlagerung eines reinen Kältemittels an einen teilweise in einem zwei­ ten Kreislauf geführten Stoff. Die diesem System zu­ geführte Energie wird dazu verwendet, daß das Kälte­ mittel von dem zweiten Medium getrennt wird. Die Wär­ me, die bei der Anlagerung frei wird, kann an die Umgebung abgeführt werden, während die Energie für den Trennungsvorgang als Heizwärme aufgenommen wird. Eine solche Kältemaschine hat den Vorteil, daß keine beweglichen Teile verwendet werden müssen, die einem Verschleiß unterliegen bzw. Geräusche verursachen. Nachteilig ist es jedoch, daß diese Maschinen gegen­ über den bekannten Kompressionsmaschinen einen schlechteren Wirkungsgrad aufweisen.

Eine besondere Ausführungsform solcher Kältemaschinen sind Absorptionskältemaschinen, bei denen das aus Kältemittel und Lösungsmittel bestehende Gemisch in einen Rektifikator oder Austreiber eingespeist und durch Zuführung von Wärme zum Sieden gebracht wird. Der so ausgetriebene Kältemitteldampf wird in einem Kondensator niedergeschlagen und die dort entstehende Flüssigkeit kühlt sich beim Entspannen im Verdampfer stark ab. Bei der Verdampfung wird Wärme aus dem Kühlgut (Kühlwasserstrom) aufgenommen. Der entstande­ ne Dampf strömt in einen Absorber, in dem auch die Restflüssigkeit aus dem Rektifikator entspannt wird. Diese Restflüssigkeit rieselt durch den Dampf und absorbiert ihn dabei. Die entstehende Absorptionswär­ me wird an die Umgebung abgeführt. Die aus Kälte- und Lösemittel gebildete Mischung wird wiederum in den Rektifikator geführt und anschließend mit der erneu­ ten Trennung der Kreislauf geschlossen.

Weitere Nachteile der bekannten Absorptionskältema­ schinen sind zwischen Austreiber und Kondensator auf­ tretende Druckverluste, die unvollkommene Rektifika­ tion (das durch Kondensator und Verdampfer strömende Kältemittel enthält noch einen geringen Restgehalt an Lösungsmittel), die unvollkommene Verdampfung durch den Restgehalt an Lösungsmitteln, ein weiterer Druck­ verlust zwischen Verdampfer und Absorber, eine un­ vollkommene Austreibung, einen unvollkommenen Wärme­ austausch innerhalb des Lösungskreislaufes und eine unvollkommene Absorption (bewirkt eine Unterkühlung der Lösung) führt zur Verringerung der Kälteleistung und ist der größte Nachteil.

All dies führt dazu, daß verhältnismäßig viel Energie zugeführt werden muß, um eine entsprechende Kühlwir­ kung zu erzielen, was sich wie bereits ausgeführt, in einer Verringerung des Wirkungsgrades niederschlägt.

Erste Versuche unter Anwendung von Solarenergie zeig­ ten, daß insbesondere bei Verwendung von Ammoniak als Kältemittel Probleme auftreten, die den Einsatz sol­ cher Kältemaschinen nicht ohne weiteres zulassen. Bei der Verwendung von Ammoniak ist dessen Toxizität ein wesentlicher Nachteil, der die Universalität eines möglichen Einsatzes stark einschränkt. Weiter müssen Druckniveaus beherrscht werden und es ist eine beson­ dere Rektifiziereinrichtung erforderlich, die eben­ falls die Einsatzmöglichkeiten stark einschränken.

So ist aus WO 88/08109 ein Absorptionskältesystem mit einem Sonnenkollektor bekannt, das kontinuierlich ar­ beiten soll und zu diesem Zweck neben den herkömmli­ chen Elementen einer Absorptionskältemaschine einen zusätzlichen Behälter zur Aufnahme von Kühlflüssig­ keit aufweist, der dem Verdampfer vorgeschaltet ist. Damit ist es jedoch nicht in ausreichendem Maße mög­ lich den Arbeitsprozeß so zu beeinflussen, daß die Kälteerzeugung auch ohne einen ausreichenden Sonnen­ einfall auf den Sonnenkollektor kontinuierlich und geregelt erfolgen kann.

Eine andere Ausführung einer Absorptionskältemaschi­ ne, die kontinuierlich arbeiten soll, ist in der DE- PS 5 81 957 beschrieben. Wobei hier keine Sonnenener­ gie für den Betrieb benutzt wird, sondern der Betrieb in bestimmte Zeitbereiche verschoben werden soll, um z. B. günstigere Nachtstromtarife auszunutzen. Bei dieser Absorptionskältemaschine wird ebenfalls flüs­ siges Kältemittel zwischengespeichert. Dabei erfolgt die Speicherung in im Verdampfer angeordneten Flüs­ sigkeitsbehältern. Eine Regelung ist damit jedoch ebenfalls nicht möglich. Die Kälteerzeugung hängt von der Kapazität des Verdampfers und der Menge des ver­ flüssigten Kältemittels, die erzeugt und die gespei­ chert werden kann ab. Bei dieser Kältemaschine wird außerdem vorgeschlagen, Absorptionsmittel zu speichern und zwar ebenfalls unvollkommen in im Ab­ sorber aufgenommenen Vorratsräumen.

In der Zeitschrift "Ki Klima + Kälte - Ingenieur" 4 (1978), Seiten 155 bis 162 wird eine solarangetrie­ bene Absorptions-Kältemaschine gezeigt, bei der neben den normalerweise für Absorptions-Kältemaschinen ver­ wendeten Komponenten im Anschluß an einen Sonnenkol­ lektor ein Speichertank geschaltet ist. Dabei sind sowohl der Kondensator, der Verdampfer wie auch der Absorber jeweils wassergekühlt. Außerdem wird dem Kühlkreislauf in Anschluß an den Sonnenkollektor und den bereits genannten Speichertank Zusatzenergie zu­ geführt, um ein ausreichend hohes Temperaturniveau einhalten zu können.

Lösungen für eine kontinuierliche Kälteerzeugung un­ ter Ausnutzung nicht permanent vorhandener Energie­ quellen, wie dies die Sonnenenergie ist, sind bisher in praktikabler Form noch nicht gefunden worden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Klimatisie­ rung unter Verwendung von Absorptionskältemaschinen, die Solarenergie ausnutzen, dahingehend zu verbes­ sern, daß deren Verbrauch an Energie so gering wie möglich gehalten wird und ein kontinuierlicher Be­ trieb erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale für die Vorrichtung und die Merkmale des Anspruchs 5 für das Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun­ gen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich bei Verwendung der in den untergeordne­ ten Ansprüchen genannten Merkmale.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung wird in der Absorptionskältemaschine bevorzugt ein Lithiumbromid-Wassergemisch als Kältemittel verwendet und dieses Stoffpaar mittels in einem Sonnenkollektor aufgeheizten Wassers erwärmt und zum Sieden gebracht, wobei die Trennung des Kältemittels vom Absorptions­ mittel erfolgt und der Transport des Kältemittels, das nur noch einen geringen Anteil der Absorptions­ lösung aufweist, durch Thermosiphonwirkung zu einem Kondensator erfolgt.

Vorteilhaft ist dazu der Sonnenkollektor mit einem Heizwasserspeicher verbunden und die Wärme des ge­ speicherten Wassers wird ausgenutzt, um das Kältemit­ tel aus dem Lösungsgemisch auszutreiben. Dabei ist es günstig, die Vorlauftemperatur im Heizwasserspeicher durch eine ventilgesteuerte Bypassleitung zu regeln, um eine optimale Abstimmung der Kälteerzeugung und Energiespeicherung zu erreichen. So kann je nach Tem­ peratur des im Heizwasserspeicher vorhandenen Wassers die Bypassleitung mit mindestens einem Ventil ge­ schlossen oder voll bzw. teilweise geöffnet werden, so daß der Sonnenkollektor bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur im Heizwasserspeicher kurzgeschlossen und bei Unterschreiten der Bypass geschlossen wird und das erhitzte Wasser in den Heiz­ wasserspeicher gelangen kann, wobei bei teilweise geöffneten Ventil der Massenstrom, der in den Heiz­ wasserspeicher gelangt, geregelt werden kann. Der Heizwasserspeicher kann dabei gegenüber der Aus­ treibereinheit der Absorptionskältemaschine als eine hydraulische Weiche dienen, die ebenfalls mit Venti­ len gesteuert den zweiten dem Heizwasserspeicher nachgeschalteten Kreis kurzschließen oder freigeben kann. Hierzu ist eine weitere Bypassleitung vorhan­ den, mit der verhindert wird, daß heißes Wasser aus dem Heizwasserspeicher zum Austreiber gelangen kann.

Im Austreiber erfolgt der Transport der kältemittel­ armen Absorptionslösung durch den aufsteigenden Käl­ temitteldampf in Folge Thermosiphonwirkung in Rich­ tung Verdampfer und Kondensator.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung kann in der Absorptionskältemaschine die Förderung der Absorptionslösung in den Absorber hydrostatisch erfolgen.

Eine weitere Trennung des Kältemitteldampfes von der kältemittelarmen Lösung, die aus dem Austreiber kommt, kann mit einem zusätzlichen Dampfabscheider durchgeführt werden.

Der Kondensator ist vorteilhaft als luftgekühltes Rippenrohr ausgeführt. Der Kältemitteldampf konden­ siert in diesem aus und wird in flüssiger Form einem Verdampfer zugeführt.

Das aus dem Verdampfer austretende Kältemittel wird ebenso, wie das über eine Blende zuführbare Absorp­ tionsmittel in einen ebenfalls als luftgekühltes Rip­ penrohr ausgeführten Absorber eingebracht. Die Dosie­ rung des Absorptionsmittels kann mit Hilfe der Blende geregelt werden. Das Kältemittel-Absorptionslösungs­ mittelgemisch wird hydrostatisch wieder dem Austrei­ ber zugeführt.

Die Verflüssigung des Kältemitteldampfes wird in ei­ nem als luftgekühltes Rippenrohr ausgeführten Konden­ sator erreicht. Unter Ausnutzung eines hydrostati­ schen Druckes wird das Kältemittel kontinuierlich in den als Rohrwendel ausgeführten Verdampfer geführt. Mit dem Verdampfer wird einem an diesem vorbeigeführ­ ten Kaltwasserstrom Wärme entzogen und so in ge­ wünschter Form Kälte erzeugt.

Auch die in den Absorber geführte Absorptionslösung steht unter einem bestimmten hydrostatischen Druck, wobei der Absorber ebenfalls als Rohrwendel ausgebil­ det sein kann, durch die Kühlwasser geleitet wird und die Absorptionswärme abführt. Das Kühlwasser gelangt vom Absorber in einen ebenfalls als luftgekühltes Rippen­ rohr ausgeführten Wärmetauscher, in dem es rückge­ kühlt wird.

Durch die bevorzugt anzuwendende Luftkühlung, die keine zusätzliche Energie erfordert, wird eine erhöh­ te Temperatur erreicht, so daß die Gefahr der Kristallisation ansteigt. So treten bei einer Umge­ bungstemperatur von ca. 35°C im Absorber und Konden­ sator etwa 50°C auf. Durch den Zusatz von Ethylen­ glykol im Massenverhältnis von 1 : 4,5 gegenüber dem Lithiumbromid wird bei Temperaturen zwischen 43 bis 49°C im Kondensator und Absorber die für den Betrieb der Kältemaschine unerwünschte Kristallisation ver­ mieden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zwischen solarem Energieangebot und dem erforderlichen Kälte­ bedarf ein Ausgleich geschaffen werden, der auch bei unterbrochener Sonneneinstrahlung einen sicheren Be­ trieb gestattet. Durch die Speicherung einer prozen­ tual relativ geringen Energiemenge ist eine Überbrückung für die zur Verfügungstellung der er­ forderlichen Kälteleistung für eine vorgebbare Zeit gesichert.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausfüh­ rungsbeispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispieles für eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung mit einer Absorptionskälte­ maschine, die einen als Puffer dienenden Heizwasser­ speicher aufweist.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zur Klimatisierung mit einer Absorptionskältemaschine gezeigt, bei der ein als Puffer dienender Heizwasserspeicher 11 in den Kreis­ lauf geschaltet ist. Hierbei kann in einem Sonnenkol­ lektor 20 Wasser erhitzt und über Leitungen mit einer ausreichend großen Temperatur in den isolierten Heiz­ wasserspeicher 11 gegeben werden. Zur gezielten Ein­ flußnahme auf die Temperatur des im Heizwasser­ speicher 11 aufgenommenen Wassers sind Ventile und eine Bypassleitung 10 vorhanden, mit deren Hilfe es möglich ist, einen kleinen Kurzschlußkreislauf vor dem Heizwasserspeicher 11 zu schließen und das im Sonnenkollektor 20 erhitzte Wasser in diesem kurzge­ schlossen zu führen. Sinkt die Temperatur im Heizwas­ serspeicher 11 unter einen gewünschten Wert, kann das die Bypassleitung 10 öffnende Ventil geschlossen wer­ den und das im Sonnenkollektor 20 erhitzte Wasser in den Heizwasserspeicher 11 gelangen.

Aus dem Heizwasserspeicher 11 kann das heiße Wasser zur Erwärmung bis oberhalb des Siedepunktes über wei­ tere Leitungen zum Austreiber 13 geführt werden. Es kann auch ein anderes Medium an Stelle des Wassers mit ausreichender Wärmekapazität verwendet werden.

Für die Regelung der Vorlauftemperatur des Austrei­ bers 13 ist eine weitere Bypassleitung 12 vorhanden, die ebenfalls mit einem bevorzugt als Proportional­ ventil ausgebildeten Ventil regelbar ist. Das zum Sieden gebrachte Lithiumbromid-Wassergemisch bewirkt, daß der reine Kältemitteldampf aus dem Austreiber 13 infolge Thermosiphonwirkung durch einen nicht darge­ stellten Dampfabscheider in den Kondensator 14, der als luftgekühltes Rippenrohr ausgeführt ist, gelangt und in diesem verflüssigt wird. Das kondensierte Käl­ temittel gelangt aus dem Kondensator 14 durch hydro­ statischen Druck kontinuierlich in einen als Rohrwen­ del ausgebildeten Verdampfer 15 und einem zum Ver­ dampfer 15 geführten Kaltwasserstrom 18 wird entspre­ chend Wärme entzogen. Das Kaltwasser weist eine Tem­ peratur von ca. 8°C auf und kann zur Klimatisierung die Kälte an die zu klimatisierenden Räume abgeben. Die erzeugte Kälte kann von einem Ventilatorkonvektor 21 entnommen werden.

Die Kälteleistung von mit Solarenergie betriebenen Anlagen wird im wesentlichen von den Ausgangstempera­ turniveaus des Heizmittels und des Kühlwassers be­ stimmt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung besser beeinflußt werden können als herkömmliche Anlagen, die Solarenergie nutzen.

Ebenfalls hydrostatisch wird die Absorptionslösung in den Absorber 16 geführt.

Durch den Absorber 16 kann ebenfalls Kühlwasser aus einem als luftgekühltes Rippenrohr ausgebildeten Wär­ metauscher 17 geführt werden, um die Absorptionswärme aufzunehmen.

Der Wärmetauscher des Absorbers 16 kann jedoch auch, wie der Kondensator 14, als luftgekühltes Rippenrohr ausgeführt sein, wobei die Absorption in einem Behäl­ ter erfolgt, in den der Dampf eingeleitet und die ab­ sorbierende Lösung eingesprüht wird. Die Lösung wird in ein Rippenrohr gepumpt, in diesem luftgekühlten Rippenrohrwärmetauscher rückgekühlt und gelangt an­ schließend in den Absorber 16.

Weiter kann ein in der Figur nicht dargestellter Tem­ peraturwechsler vorhanden sein, durch den an Wasser arme Lösung vor Eintritt in den Rippenrohrwärmeaus­ tauscher des Absorbers 16 geführt wird.

Die Absorption erfolgt in einem Behälter, in den der Dampf eingeleitet und die absorbierende Lösung einge­ sprüht wird. Die an Wasser arme Lösung, die vom Aus­ treiber 13 aus dem Temperaturwechsler kommt, wird in ein Rippenrohr gepumpt und in diesem luftgekühlten Rippenrohrwärmetauscher unter ihre Gleichgewichtstem­ peratur rückgekühlt, bevor sie für die Absorption in den Absorber 16 gesprüht wird. Ein Teil der an Wasser reichen Lösung (ca. 1/10 der umgewälzten Lösung) wird zum Austreiber 13 geführt. Der größere Teil der Lö­ sung wird mit der aus dem Austreiber 13 kommenden Lösung vermischt und gibt im Rippenrohrwärmetauscher seine Absorptionswärme ab, bevor die Lösung zur Ab­ sorption erneut in den Absorberbehälter gesprüht wird. Dadurch wird eine kompaktere Bauweise des Ab­ sorptionsaggregates erzielt und eine bessere Regel­ barkeit der Absorption erreicht. Der Wärmetauscher des Absorbers 16 ist dabei ebenfalls als luftgekühl­ tes Rippenrohr ausgeführt.

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Klimatisierung, bei der
eine Absorptionskältemaschine mit einem luftge­ kühlten Kondensator, Verdampfer und einem luft­ gekühlten Absorber, durch die ein Kältemittel- Absorptionsmittelgemisch zumindest teilweise hydrostatisch gefördert im Kreislauf führbar ist, und mindestens ein Sonnenkollektor zur Be­ heizung bis oberhalb des Siedepunktes des Käl­ temittel Lithiumbromid in einem Kreislauf ge­ schaltet sind,
bei der zwischen Sonnenkollektor (20) und einem Austreiber (13) ein Heizwasser­ speicher (11) geschaltet ist, der über eine By­ passleitung (10), die Vorlauftemperatur beein­ flussend, kurzschließbar ist, und
eine die Vorlauftemperatur des Austreibers (13) beeinflussende Bypassleitung (12) vor diesen in den Heizwasserkreis geschaltet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (14) als luftgekühltes Rippenrohr ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (15) als Rippenrohr ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (16) ein luftgekühltes Rippenrohr ist.

5. Verfahren zum Betreiben einer Absorptionskälte­ maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sonnenkollektor (20) erhitztes, in einem Heizwasserspeicher (11) speicherbares Wasser zur Austreibung des Kältemittels verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lithiumbromid- Wassergemisch als Kältemittel verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Ethylenglykol im Massenverhältnis 1 : 4,5 gegenüber dem Lithium­ bromid zugegeben wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport kälte­ mittelarmer Absorptionslösung durch Thermo­ siphonwirkung des Kältemitteldampfes aus dem Austreiber (13) durchgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß kältemittelreiches Gemisch hydrostatisch gefördert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlauftempera­ tur des Sonnenkollektors (20) mit einem den durch die Bypassleitung (10) kurzschließbaren Massenstrom des Wassers regelnden Ventil einge­ stellt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (15) mit einem Kaltwasserstrom Wärme entzogen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (16) gekühlt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Absorption Dampf in einen Behälter eingeleitet und die ab­ sorbierende Lösung eingesprüht wird, an Wasser arme Lösung, die vom Austreiber (13) aus einem Temperaturwechsler kommt, in ein Rippenrohr ge­ pumpt und in diesem luftgekühlten Rippenrohr- Wärmetauscher unter ihre Gleichgewichtstempera­ tur rückgekühlt wird, bevor sie für die Absorp­ tion in den Absorber (14) gesprüht und ein Teil der an Wasser reichen Lösung zum Austreiber (13) geführt wird, der größere Teil der Lösung mit der aus dem Austreiber (13) kommenden Lösung, die ihre Absorptionswärme im Rippenrohr-Wärme­ tauscher abgibt, vermischt wird, bevor die Lö­ sung zur Absorption erneut in den Absorberbehäl­ ter gesprüht wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser in einem Wärmetauscher (17) gekühlt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die absorptionsmit­ telreiche Lösung vor Eintritt in den Absorp­ tionsmittelspeicher und die absorptionsmittel­ arme Lösung vor Eintritt in den Austreiber (13) durch einen Temperaturwechsler geführt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorlauftempera­ tur des Heizwassers im Austreiber (13) mit einem den durch die Bypassleitung (12) führbaren Mas­ senstrom regelnden Ventil eingestellt wird.