DE19538348A1 - Absorptionswärmetransformationsanlage mit Zusatzkomponenten zur Steigerung der Nutzleistung bzw. Erweiterung der Grenzen für die Antriebs-, Nutz- oder Kühltemperaturen - Google Patents
Absorptionswärmetransformationsanlage mit Zusatzkomponenten zur Steigerung der Nutzleistung bzw. Erweiterung der Grenzen für die Antriebs-, Nutz- oder KühltemperaturenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Absorptionswärmetransformationsanlage entsprechend
dem Oberbegriff im Anspruch 1, im folgenden kurz Absorptionsmaschine oder
-anlage genannt, die in ein- oder mehrstufigen Ausführungen als Kältemaschine,
Wärmepumpe und Wärmetransformator oder Kombinationen aus diesen zur Kälte
und/oder Wärmeerzeugung eingesetzt wird. Entscheidend für die Kennzahlen der
Absorptionsmaschinen ist die Summe aller reziproken Wärmedurchgangszahlen an
den eingesetzten Hauptkomponenten: Verdampfer, Absorber, Kondensator, Generator,
Desorber, Resorber. Dabei sind die Turbulenzen in der Lösung beim Absorbieren im
Absorber- oder Resorberwärmetauscher ebenso wie beim Sieden im Verdampfer-,
Generator-, oder Desorberwärmetauscher für den Wärmeübergang von größter
Wichtigkeit.
Es ist bekannt, daß sich die Turbulenzen bzw. der Wärmeübergang in Absorber-/Resorberwärmetauschern
(im folgenden stets nur mehr in dem Begriff
Absorptionswärmetauscher zusammengefaßt) z. B. durch strukturierte Rohre oder
durch Zusätze von Octanol verbessern lassen. Die Turbulenzen des Wärmeübergangs
für Absorption sind bei hohem Leistungsumsatz pro Absorptionswärmetauscherfläche
(kurz Flächenbelastung) noch relativ stark, nehmen aber mit sinkender
Flächenbelastung der Absorptionsmaschine rasch ab, beispielsweise bei sinkenden
Antriebswärmetemperaturen. Um eine Leistungseinbuße bei sinkender
Antriebstemperatur abzufangen, wird üblicherweise die Wärmetauscherfläche am
Absorber sowie der übrigen Hauptkomponenten der Absorptionsmaschine erhöht.
Nachteilig wirkt sich bei diesen Maßnahmen jedoch aus, daß die Turbulenzen sich
verringern. Im Zusammenhang damit sinkt die Flächenbelastung bzw. die
Wärmeübergangszahl beim Absorbieren ebenso wie beim Sieden noch weiter ab und
führt zu einer verhältnismäßig schlechten Summe der reziproken
Wärmedurchgangszahlen der Anlage.
Es ist ferner bekannt, daß z. B. in Absorptionsmaschinen mit Fallfilm-Absorptionswärmetauschern
bei sinkender Antriebstemperatur durch die notwendige
Vergrößerung der Tauscherfläche zusehends Benetzungsprobleme auftreten, ebenso
wie in den anderen Hauptkomponenten der Anlage. Diesen Problemen wird
entweder unter Abnahme des Anlagenwirkungsgrades durch Erhöhung des
Lösungsumlaufes zwischen Absorber und entsprechendem Generator oder durch
Rezirkulation der Lösung vom Sammler zurück zur Verteilvorrichtung des
Absorptionswärmetauschers entgegengewirkt. Insbesondere für
Absorptionsmaschinen mittlerer und kleiner Leistung nimmt die Höhe des
Absorptionswärmetauscherbündels ab, wodurch die Benetzung zunehmend erschwert
wird und daher eine hohe Rezirkulation für eine vollständige Benetzung nötig ist. In
Hinblick auf ein möglichst hohes Temperaturniveau für die Auskopplung der
Absorptionswärme und für Wärmeübertragung am Absorptionswärmetauscher wirkt
sich eine hohe Rezirkulation nachteilig aus, da die für die Wärmeübertragung zur
Verfügung stehende treibende Temperaturdifferenz um den Temperaturunterschied
zwischen arbeitsmittelarmer und -reicher Lösung verringert wird. Dieser Nachteil
kann durch die Turbulenzsteigerung aufgrund der Rezirkulation am
Absorptionswärmeaustauscher für sich alleine nicht ausgeglichen werden.
Ferner ist bekannt, daß in Absorptionsmaschinen mit einem sogenannten
Rezirkulationskühler sich durch adiabate Absorption bis nahe an das Gleichgewicht
angereicherte Lösung wieder soweit unterkühlt werden kann, daß sie unter Zufuhr
einer geringen Menge regenerierter Lösung erneut zur Absorption von Arbeitsmittel
in einem adiabaten d. h. ungekühlten Sprühabsorber bzw. einer adiabaten
Absorptionskolonne benutzt werden kann. Diese Zusammenstellungen eines
Rezirkulationsabsorbers mit adiabatem Absorber sind zwar relativ kostengünstig zu
realisieren, da sie nur einen Flüssigkeits-/Flüssigkeitswärmetauscher mit hohen
Wärmeübergangszahlen benötigen. Sie haben jedoch gegenüber den üblichen
gekühlten und oben genannten Absorptionswärmetauschern mit Lösungsrezirkulation
den Nachteil, daß sich für die Wärmeübertragung die effektiv zur Verfügung
stehende treibende Temperaturdifferenz nochmals um etwa die halbe Unterkühlung
verringert. Dieser Nachteil spiegelt sich auch darin wider, daß
Absorptionsmaschinen mit adiabaten Absorbern relativ hohe Antriebstemperaturen
benötigen.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, eine Absorptionsmaschine zu
entwickeln, bei der die oben erwähnten Nachteile in dem Resorber und/oder
Absorber vermindert werden oder nicht auftreten. Insbesondere sollen die
Flächenbelastungen bzw. die daraus resultierenden Wärmeübergangszahlen bei
möglichst hohen Werten eingestellt werden. Dabei soll ferner zur Auskopplung der
Absorptionswärme ein möglichst hohes Temperaturniveau bzw. eine hohe
Wärmeübergangszahl genutzt werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.
Demnach wird für die Absorptionsmaschine zumindest ein gekühlter, also
nichtadiabater Absorptionswärmetauscher als Absorber und/oder Resorber eingesetzt,
wobei als zusätzliche Komponenten zumindest ein Lösungskühler und eine Pumpe in
einen Lösungskreis geschaltet werden. Diese Komponenten werden derart
zusammengeschaltet, daß das am Absorptionswärmetauscher austretende
arbeitsmittelreiche Lösung über zumindest eine Pumpe und zumindest einen
Lösungskühler dem Eingang des Absorptionswärmetauschers zumindest teilweise
wieder zugeführt wird und somit diese Komponenten einen Rezirkulationskreis für
die absorbierenden Lösung bilden. Der Vorteil einer solchen Absorptionsmaschine
ergibt sich aus dem Zusammenwirken des Lösungskühlers mit einem gekühlten
Absorptionswärmetauscher, das sich auch vorteilhaft auf die
Wärmedurchgangszahlen der anderen Komponenten der Anlage auswirkt. Der
Lösungskühler besitzt z. B. als Flüssigkeits/Flüssigkeitskühler hohe
Wärmeübergangszahlen und bewirkt damit effektiv ein Unterkühlen der Lösung.
Dadurch werden die Nachteile eines Absorberwärmetauschers mit Rezirkulation aber
ohne Lösungskühler bzw. eines adiabaten Absorbers mit Lösungskühlung deutlich
verringert und eine vorteilhaft niedrige treibende Temperaturdifferenz beim
Wärmeübergang erreicht. Insbesondere kann durch diese zusätzlichen Komponenten
nach Anspruch 1 in der Anlage die Flächenbelastung des Absorptionswärmetauschers
vorteilhaft eingestellt werden, die vor allem bei kleinen und mittleren Anlagen von
entscheidendem Vorteil in bezug auf die Antriebstemperaturen ist. Die hohe
Flächenbelastung führt vorteilhaft zu den für hohe Wärmeübergangszahlen wichtigen
Turbulenzen in dem Absorptionswärmetauscher und indirekt damit auch in den
entsprechenden Austreiberkomponenten. Gemäß der Erfindung wird vorteilhaft die
Flächenbelastung bei einem hohen Wert eingestellt und die Abhängigkeit von
Betriebspunkten wie z. B. Temperatur der Antriebswärme deutlich vorteilhaft
verringert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2
angegeben: Bei Anordnung der Rezirkulationspumpe direkt nach dem
Absorptionswärmetauscher vor dem Lösungskühler kann ein relativ großer
Druckabfall am Lösungskühler erlaubt werden, um seinen Wärmeübergang turbulent
zu halten. Dadurch läßt sich vorteilhaft der Wärmeübergang am Lösungskühler
verbessern und dadurch die Größe des Lösungskühlers deutlich verringern.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 3
angegeben: Bei Anordnung der Rezirkulationspumpe nach dem Lösungskühler muß
die Pumpe nur mehr unterkühlte und keine siedende Lösung mehr fördern. Als
Vorteil ist die Reduktion der erforderlichen Zulauthöhe, bzw. der Verzicht auf die
Verwendung relativ aufwendiger Sonderpumpen mit sog. Inducervorrichtungen zu
nennen.
Vorteilhaft ist auch die Kombination aus Anspruch 2 und 3: Beispielsweise verbindet
ein erster Lösungskühler die Saugseite der Rezirkulationspumpe mit dem Austritt des
Absorptionswärmetauschers, ein zweiter mit relativ hohem Druckverlust die
Druckseite der Pumpe mit dem Eintritt des Absorptionswärmetauschers. Diese
Anordnung besitzt sowohl den Vorteil geringer Anforderungen an die
Rezirkulationspumpe, als auch den Vorteil eines hohen Wärmeübergangs an dem
zweiten Lösungskühler. Natürlich können beide Lösungskühler auch durch einen
einzigen Wärmetauscher mit entsprechender Paßzahl des Lösungskühlers technisch
einfach realisiert werden.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 4
angegeben: Das Ansaugen der Lösungskreispumpe von sich nahe am Siedepunkt
befindlicher Lösung aus dem Absorptionswärmetauscher erfordert üblicherweise eine
entsprechende Zulaufhöhe und eine aufwendige kavitationsunempfindliche Pumpe.
Von der nach Ansprüchen 1-3 eingesetzten Rezirkulationspumpe läßt sich vorteilhaft
ein Teilstrom mit einem Vordruck weit über dem Siededruck zur Speisung der
Lösungskreispumpe abzweigen, so daß diese keinen besonderen pumpentechnischen
Anforderungen mehr unterliegt. Dadurch können als Lösungskreispumpen zur
entsprechenden Austreibereinheit einfache Standardpumpen, insbesondere mit
kleinen Ansaugquerschnitten eingesetzt werden. Andererseits kann vorteilhaft auch
die als Vorpumpe dienende Rezirkulationspumpe zusammen mit den nachfolgenden
Stufen der Lösungskreispumpe in einem Pumpengehäuse zusammengefaßt sein.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 5
angegeben: Falls die Dampfdruckdifferenz, die von der Lösungskreispumpe
aufzubringen ist, nicht den Druckhub der Rezirkulationspumpe übersteigt, so wird für
den Transport der Lösung keine eigene Lösungskreispumpe benötigt. Dies kann
insbesondere vorteilhaft eingesetzt werden bei Verwendung von Arbeitsmitteln mit
geringem Dampfdruck, wie z. B. Wasser oder Alkoholen.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 6
angegeben: Die von dem zugehörigen Lösungskreis kommende warme bzw. kalte
Lösung muß zur Aufrechterhaltung des Absorptionsprozesses der Absorbereinheit
oder Resorbereinheit zugeführt werden. Die Leitung mit der warmen Lösung wird
vorteilhaft mit dem Eingang des Lösungskühlers vorbunden. Dadurch wird erreicht,
daß die in der Lösung enthaltene Wärme durch den Lösungskühler entzogen wird, der
diese Lösung wegen seiner guten Wärmedurchgangszahl effizient abkühlt, bevor sie
dem Absorptionswärmetauscher zugeführt wird. Ist die kalte Lösung aus dem
Lösungskreislauf bezüglich dem Druckniveau des Absorptionswärmetauschers
unterkühlt, wird die Leitung mit der Lösung vorteilhaft mit dem Eingang des
Absorptionswärmetauschers verbunden.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 7
angegeben: Der Rezirkulationskreis läßt sich als Steueranordnung für die
Wärmeübergangszahl im Absorptionswärmetauscher einsetzen, indem z. B. der
Förderstrom im Rezirkulationskreis mit Hilfe zumindest einer Rezirkulationspumpe
geeignet eingestellt wird. Dadurch wird erreicht, daß der Wärmeübergang im
Absorptionswärmetauscher in weiten Grenzen regelbar ist. Dies kann beispielsweise
vorteilhaft zur Anpassung der Anlage an saisonal schwankende
Kühlwassertemperaturen eingesetzt werden. Die relativ aufwendige Regelung der
Kühlwasservorlauftemperatur durch Rücklaufbeimischung kann dadurch entfallen.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 8
angegeben: Üblicherweise wird die Leistung von Absorptionsmaschinen über die
Temperatur der Antriebswärme geregelt, d. h. zur Teillast wird die
Antriebstemperatur reduziert. Zur Verbesserung des Teillastwirkungsgrades sollte
dabei der Lösungskreisumlauf möglichst proportional mit der Leistung reduziert
werden. Bisher mußte jedoch zur Aufrechterhaltung einer kontrollierten Benetzung
am Absorptionswärmetauscher ein Mindest-Lösungskreisumlauf und damit ein
Einbruch des Teillastwirkungsgrades hingenommen werden. Erfindungsgemäß stellt
der Rezirkulationskreis vorteilhaft eine Steueranordnung dar für die Leistung der
Anlage, wobei die Regelung z. B. über die Einstellung des Förderstroms im
Rezirkulationskreislauf erfolgen kann. Dadurch wird erreicht, daß vorteilhaft
einerseits der Leistungsumsatz der Anlage geregelt werden kann und andererseits
selbst bei einem Lösungskreisumlauf nahe Null immer noch eine kontrollierte
Benetzung des Absorptionswärmetauschers sichergestellt ist.
Eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 9 angegeben:
Durch die effiziente Wärmeübertragung mittels Lösungskühler und
Absorptionswärmetauscher werden am Absorber nur relativ kleine treibende
Temperaturdifferenzen verbraucht und es stehen daher selbst bei kleiner
Antriebstemperatur zur Wärmeübertragung in anderen Komponenten noch
ausreichende treibende Temperaturdifferenzen für einen überfluteten Betrieb eines
Generators bzw. eines Verdampfers bzw. eines Desorbers zur Verfügung. Die in ihrer
technischen Konstruktion sehr einfachen und günstigen überfluteten
Wärmeaustauscher bilden daher eine besonders vorteilhafte technische Lösung für
die Absorptionswärmetransformationsanlage nach Anspruch 1.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 10
angegeben: Zur Steigerung der Wärmeübergangszahl für Fallfilm-Absorptionswärmetauscher
werden in vielen Absorptionswärmetransformationsanlagen Additive
wie z. B. 2 Ethyl-Hexanol zugesetzt, welche bei hohen Flächenbelastungen ( =
Absorptionsleistung / Wärmetauscherfläche im Absorptionswärmetauscher) die
Wärmeübergangszahl um ein Mehrfaches erhöhen. Bei geringer Flächenbelastung
fällt die Verbesserung durch das Additiv jedoch rasch ab und reduziert sich
zusehends bis zum Wert ohne Additivzusätze. Durch die Erfindung wird z. B. trotz
einer Reduktion der Antriebstemperatur die Flächenbelastung im
Absorptionswärmetauscher bei einem relativ hohen Wert gehalten, bei dem die
Wirkung der wärmeübergangsverbessernden Additive weitestgehend erhalten bleibt.
Dies erlaubt den Betrieb von Absorptionswärmetransformationsanlagen in
Temperaturbereichen für die Antriebswärme, Nutzwärme, Kühlwärme oder Kälte,
der bisher nur unter Einsatz entsprechend großer und/oder korrosionsbeständiger
Wärmetauscher erreichbar war.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 11
angegeben: Salzhaltige Absorptionsmittel haben häufig den Nachteil, daß die
maximale Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und
Absorptionstemperatur der arbeitsmittelarmen Lösung entweder aufgrund der
Kristallisationsgrenze oder durch hohe Viskositäten begrenzt ist. Erfindungsgemäß
tritt in einer Anlage nach Anspruch 1 im Absorptionswärmetauscher aufgrund der
hohen Rezirkulation über den Lösungskühler nur mehr die arbeitsmittelreiche
Konzentration mit vorteilhaft minimaler Variation im Salzgehalt auf. Als Vorteil
ergibt sich daraus ein höherer Sicherheitsabstand von einer Kristallisationsgefahr im
Absorberwärmetauscher. Ferner wird das Kristallisationsverhalten im
Absorberwärmtauscher durch den hohen Rezirkulationsstrom bestimmt und
kontrolliert unabhängig von den übrigen Prozeßparameter des zugehörigen
Lösungskreislaufs bzw. der Gesamtanlage.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 12
angegeben: Da Luft als Kühlmedium bei höheren Temperaturen vorliegt als
Kühlwasser bei gleichen Außenluftzustand, muß die Absorptionswärme innerhalb der
Maschine bei einem höheren Temperaturniveau zur Auskopplung anliegen als bei
Wasserkühlung. Die niedrigste innerhalb des Absorptionswärmetauschers
vorkommende Konzentration an Arbeitsmittel ist allein durch die arbeitsmittelreiche
Lösung aufgrund der hohen Rezirkulation über die Rezirkulationspumpe gegeben und
kann deshalb vorteilhaft bis knapp an die Verfestigungsgrenze der Lösung
heranreichen. Das heißt beispielsweise im Fall einer Absorptionskältemaschine für das
Stoffpaar Wasser / Lithiumbromidlösung, daß bei einer Verdampfungstemperatur von
5°C die maximal verfügbare arbeitsmittelreiche Lösungstemperatur bei ca. 50°C liegt
und somit noch mit ausreichenden Temperaturdifferenzen besonders effizient und
vorteilhaft im Lösungskühler bzw. Absorptionswärmetauscher auf Luft übertragbar
ist. Das Temperaturniveau der im Kondensator anfallenden Wärme kann durch eine
Anhebung der Antriebstemperatur meist ausreichend hoch eingestellt werden.
Lösungskühler und/oder Absorptionswärmetauscher und/oder Kondensatoren können
daher als Wärmetauscher mit Luftkühlung ausgebildet sein. Eine mögliche, besonders
vorteilhafte, serielle Durchströmung mit kühlender Luft ist daher z. B. in der
Reihenfolge Absorptionswärmetauscher - Lösungskühler- Kondensator zu sehen.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 13
angegeben: Die Erfindung eröffnet der einstufigen Absorptionskältemaschine/
-wärmepumpe wie auch dem einstufigen Absorptionswärmetransformator vorteilhaft
z. B. die Absenkung der Antriebstemperatur wegen des effizienten Wärmeübergangs
am Absorptionswärmetauscher durch den erfindungsgemäßen zusätzlichen
Rezirkulationskreis mit Lösungskühler. Dadurch ist z. B. Abwärme oder
Niedertemperaturwärme aus Fernwärme, Motoren, Solarkollektoren etc. auch bei
geringen Temperaturen noch effizient nutzbar.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 14
angegeben: Die Erfindung ermöglicht es im Fall einer zweistufigen
Absorptionsmaschine die erforderliche Antriebstemperatur abzusenken, z. B. im Fall
der zweistufigen Absorptionskältemaschine mit hohem Wirkungsgrad auf ca. 130° C.
Bisher konnten z. B. mit dieser Temperatur nur einstufige Absorptionskältemaschinen
wirtschaftlich betrieben werden. Durch die Möglichkeit mit 130°C auch eine
zweistufige Absorptionskältemaschine mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben,
erhöht sich die Kältezahl von 0.7 auf 1.2, wodurch die Anlage z. B. auch in
Niederdruck-Dampfnetzen effizient und vorteilhaft einsetzbar ist.
Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 15
angegeben: Die Erfindung ermöglicht es im Fall einer dreistufigen
Absorptionsmaschine die erforderliche Temperatur abzusenken. Insbesondere im Fall
einer dreistufigen Absorptionskältemaschine mit hohem Wirkungsgrad wird die
Temperatur im Hochdruck-Generator auf ca. 150°C abgesenkt. Bisher konnte mit
dieser Temperatur nur zweistufige Kältemaschinen betrieben werden. Eine
Steigerung der Temperatur im Hochdruck-Generator auf über 160°C ist wegen
ungeklärten Fragen bzgl. Korrosionsinhibitoren und Materialwahl technisch noch
nicht realisierbar. Erfindungsgemäß eröffnet sich durch die Möglichkeit bereits
vorteilhaft bereits bei ca. 150°C auch eine dreistufige Absorptionskältemaschine zu
betreiben. Aufgrund der hohen die Kältezahl von 1.6 bei dreistufigen
Absorptionskältemaschinen ist diese selbst bei direkter Befeuerung mit Öl oder Gas
primärenergetisch gleichwertig zur Kompressorkälteanlage.
Die erzielbaren Vorteile werden an den nun folgenden Ausführungsbeispielen
erläutert. In der Zeichnung findet sich die Erfindung beispielsweise veranschaulicht
und zwar zeigt
- - die Fig. 1 schematisch eine einstufige Absorptionsmaschine mit den Hauptkomponenten: Kondensator, Verdampfer, Absorber und Generator.
- - die Fig. 2 schematisch eine einstufige Absorptionsmaschine mit den Hauptkomponenten: Resorber, Desorber, Absorber und Generator.
- - die Fig. 3a-c Druck-Temperatur Diagramme für ein- und mehrstufige Anlagen. Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Absorptionsmaschine soll nun anhand der Fig. 1 erläutert werden. Es ist beispielhaft eine Absorptionsmaschine mit nur einem Lösungskreis 12 dargestellt mit den Hauptkomponenten: Kondensator 1, Verdampfer 2, Absorber 3, der einen Absorptionswärmetauscher 3 aufweist, und Generator 4. Der Kondensator 1 und der Generator 4 bzw. der Verdampfer 2 und der Absorber 3 sind über eine Dampfleitung 11 bzw. 10 verbunden, das Arbeitsmittel wird in der Leitung 9, die Lösung im Lösungskreis 12 geführt. 5, 6 und 19 bezeichnen Regelventile, 7 die Lösungskreispumpe und 8 den Lösungswärmetauscher. Erfindungsgemäß sind nun als zusätzliche Komponenten in der Absorptionsmaschine beispielhaft zwei Lösungskühler 13 und 16 und eine weitere Pumpen 14, ein weiteres Regelventil 20 sowie eine Verbindungsleitung 18 enthalten, die einen Rezirkulationskreis mit dem Absorptionswärmetauscher 3 des Absorbers 3 bilden. Da die Lösungskühler 13 und 16 z. B. als Flüssigkeits/Flüssigkeitskühler mit hoher Wärmeübergangszahl vorteilhaft ein effektives unterkühlen der Lösung erlauben und damit eine vorteilhaft niedrige treibende Temperaturdifferenz beim Wärmeübergang besitzen, kann durch den rezirkulierenden, unterkühlten Lösungsstrom im Absorptionswärmetauscher 3 die Flächenbelastung deutlich erhöht werden im Vergleich zu Anordnungen ohne Lösungskühler 13/16 wie anfangs erläutert. Das wirkt sich besonders vorteilhaft in kleinen und mittleren Anlagen aus in bezug auf niedrige Antriebstemperaturen. Die hohe Flächenbelastung im Absorptionswärmetauscher 3 führt auch vorteilhaft indirekt zu hohen Flächenbelastungen in dem Generator 4 und Verdampfer 2.
Von Vorteil kann die Anordnung einer Rezirkulationspumpe 14 vor dem
Lösungskühler 13 sein, wie in Fig. 1 gezeigt, um einen am Lösungskühler 13 hohen
Druckabfall zu erzeugen und damit eine für den Wärmeübergang vorteilhafte,
turbulente Strömung im Lösungskühler 13 zu erreichen. Damit kann der
Lösungskühler 13 sehr kompakt gebaut werden, wobei dann wahlweise auf den
Lösungskühler 16 verzichtet werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist den Lösungskühler 16 vor die
Rezirkulationspumpe 14 zu setzen, um sicherzustellen, daß nur unterkühlte, nicht
siedende Lösung gefördert wird. Dadurch kann vorteilhaft auf Zulaufhöhe zur Pumpe
14 oder auf technisch aufwendigen Inducervorrichtungen in der Pumpe 14 verzichtet
werden.
Auch die Kombination eines ersten Lösungskühler 16 auf der Saugseite der Pumpe
14 und eines zweiten 13 mit relativ hohem Druckverlust auf der Druckseite der
Pumpe 14, wie in Fig. 1 abgebildet, ist vorteilhaft. Diese Anordnung stellt geringe
Anforderungen an die Rezirkulationspumpe 14 wie oben erläutert, und führt zu einem
hohen Wärmeübergang im zweiten Lösungskühler 13. Vorteilhaft können beide
Lösungskühler 13 und 16 in einem Wärmetauschergehäuse mit entsprechender
Paßzahl vereint werden.
Vorteilhaft kann die Pumpe 14 auch eine Vorpumpe für die Lösungskreispumpe 7
sein. Da sich der Vordruck nach der Pumpe 14 weit über dem Siededruck der Lösung
befinden kann, läßt sich vorteilhaft ein Teilstrom zur Speisung der
Lösungskreispumpe 7 verwenden, die dann keinen besonderen pumptechnischen
Anforderungen unterliegt, und insbesondere einen kleinen Ansaugquerschnitt
besitzen kann. Vorteilhaft können die als Vorpumpe dienende Rezirkulationspumpe
14 und die Lösungskreispumpe 7 in einem Gehäuse zusammengefaßt werden.
Abhängig von den Drücken im Absorber 3 und Generator 4 kann es von Vorteil
sein, die Rezirkulationspumpe 14 und die Lösungskreispumpe 7 durch eine Pumpe zu
ersetzen, wobei der Lösungsstrom durch 18 und im Lösungskreis 12 am Ausgang der
Pumpe über die Regelventile 19 und 20 eingestellt werden. Dies bietet sich besonders
bei kleinen Dampfdruckdifferenzen zwischen Absorber 3 und Generator 4 an, wie sie
bei Verwendung von Arbeitsmittel mit geringem Dampfdruck in der
Absorptionsmaschine, wie z. B. Wasser oder Alkoholen auftreten.
Die Zuführung der vom Generator 4 kommenden, arbeitsmittelarmen, warmen
Lösung zur Aufrechterhaltung des Absorptionsprozesses in dem Absorber 3 erfolgt
vorteilhaft am Eingang des Lösungskühlers 13 wie in Fig. 1 gezeigt. Dabei wirkt sich
günstig aus, daß die in der Lösung enthaltene Wärme bereits im Lösungskühler 13
entzogen wird, der die Lösung wegen seine guten Wärmedurchgangszahl z. B. als
Flüssigkeits/Flüssigkeitskühler effizient abkühlt, bevor sie dem
Absorptionswärmetauscher 3 zugeführt wird.
Zudem stellt der Rezirkulationskreis eine Steueranordnung mit den Lösungskühlern
13/16, der Pumpe 14 und dem Regelventil 20 dar für den Wärmeübergang im
Absorptionswärmetauscher 3. Zum Beispiel durch Einstellen des Förderstroms durch
die Lösungskühler 13 und/oder 16 und/oder der Pumpe 14 im Rezirkulationskreis
läßt sie die Wärmedurchgangszahl in weiten Grenzen variieren. Dies kann vorteilhaft
zur Anpassung der Anlage an schwankende Kühlwassertemperaturen im Absorber 3
und Lösungskühler 13 und 16 genutzt werden. Eine relativ aufwendige Regelung der
Kühlwasservorlauftemperatur durch Rücklaufbeimischung im Absorber 3 kann
dadurch entfallen.
Auch kann der Rezirkulationskreis eine Steueranordnung für die Leisung der Anlage
sein mit den Lösungskühlern 13/16, der Rezirkulationspumpe 14 und dem
Regelventil 19 und 20. Wie erwähnt, läßt sich z. B. durch Einstellen des Förderstroms
im Rezirkulationskreislauf vorteilhaft einerseits der Leistungsumsatz der Anlage
einstellen, aber andererseits selbst bei einem Lösungskreisumlauf in 12 nahe Null
immer noch eine kontrollierte Benetzung des Absorptionswärmetauschers 3
sicherstellen. Bisher mußte zur Aufrechterhaltung einer kontrollierten Benetzung am
Absorptionswärmetauscher 3 ohne Rezirkulation ein Mindest-Lösungskreisumlauf in
12 sichergestellt und damit ein Einbruch des Teillastwirkungsgrades hingenommen
werden.
Weiterhin wirkt sich in einer Anlage nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 die
effiziente Wärmeübertragung mittels Lösungskühler 13 und/oder 16 und
Absorptionswärmetauscher am Absorber 3 vorteilhaft aus, so daß nur relativ kleine
treibende Temperaturdifferenzen benötigt werden. Es stehen daher selbst bei kleiner
Antriebstemperatur zur Wärmeübertragung in den anderen Komponenten
Kondensator 1, Verdampfer 2 und Generator 4 noch ausreichende treibende
Temperaturdifferenzen für einen überfluteten Generators 4 bzw. des
Verdampferwärmetauscher 2 zur Verfügung. Die in ihrer technischen Konstruktion
sehr einfachen und günstigen überfluteten Wärmeaustauscher 2 und 4 bilden daher
eine besonders vorteilhafte technische Lösung für die Absorptionswärme
transformationsanlage nach Anspruch 1.
Ein weiterer Vorteil einer Anlage nach dem Ausführungsbeispiel 1 ergibt sich im
Zusammenhang mit Additiven zur Steigerung der Wärmeübergangszahl für Fallfilm-Absorptionswärmetauscher
im Absorber 3 wie z. B. 2 Ethyl-Hexanol, welche bei
hohen Flächenbelastungen die Wärmeübergangszahl um ein Mehrfaches erhöhen. Bei
geringer Flächenbelastung läßt die Wirkung des Additivs auf den Wärmeübergang
stark nach und reduziert sich zusehends bis zum Wert ohne Additivzusätze.
Erfindungsgemäß wird durch den Rezirkulationskreis nach Fig. 1 z. B. trotz einer
Reduktion der Antriebstemperatur am Generator 4 die Flächenbelastung im
Absorptionswärmetauscher 3 bei einem relativ hohen Wert gehalten, bei dem die
Wirkung der wärmeübergangsverbessernden Additive vorteilhaft weitestgehend
erhalten bleibt. Dies erlaubt den Betrieb von Absorptionswärmetrans
formationsanlagen in Temperaturbereichen für die Antriebswärme, Nutzwärme,
Kühlwärme oder Kälte, der bisher nur unter Einsatz entsprechend großer und/oder
korrosionsbeständiger Wärmetauscher erreichbar war.
Bei Verwendung von salzhaltigen Absorptionsmittel im Lösungskreislauf 12 in
einer Anlage nach Fig. 1 kann vorteilhaft verhindert werden, daß die maximale
Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur in 2 und
Absorptionstemperatur in 3 der arbeitsmittelarmen Lösung entweder aufgrund der
Kristallisationsgrenze oder durch hohe Viskositäten begrenzt ist. Erfindungsgemäß
tritt in einer solchen Anlage im Absorptionswärmetauscher 3 aufgrund der
einstellbaren Rezirkulation über die Rezirkulationspumpe 14 nur arbeitsmittelreiche
Konzentrationen mit minimaler Variation im Salzgehalt auf. Als Vorteil ergibt sich
daraus ein höherer Sicherheitsabstand zum Kristallisationspunkt im
Absorptionswärmetauscher 3. Ferner wird das Kristallisationsverhalten im
Absorptionswärmetauscher 3 durch den hohen Rezirkulationsstrom durch 18
bestimmt und kontrolliert, der unabhängig von den übrigen Prozeßparametern im
Lösungskreislauf 12 bzw. der Gesamtanlage stabil geregelt werden kann.
Wahlweise können der Kondensator 1 und/oder der Absorptionswärmetauscher 3
und/oder die Lösungskühler 13 und/oder 16 als Wärmetauscher mit Kühlmedium Luft
ausgebildet sein. Das ist vorteilhaft in dieser Anlage möglich, da die niedrigste
innerhalb des Absorptionswärmetauschers 3 vorkommende Konzentration an
Arbeitsmittel allein durch die arbeitsmittelreiche Lösung aufgrund der hohen
Rezirkulation über die Leitung 18 vorgegeben ist und deshalb vorteilhaft bis knapp an
die Verfestigungsgrenze der Lösung heranreichen kann. Beispielsweise kann im Fall
einer Absorptionskältemaschine für das Stoffpaar Wasser/Lithiumbromidlösung bei
einer Verdampfungstemperatur von 5°C im Verdampfer 2 die maximal verfügbare
arbeitsmittelreiche Lösungstemperatur bei ca. 50°C im Absorber 3 liegen, so daß noch
mit ausreichenden Temperaturdifferenzen besonders effizient und vorteilhaft im
Lösungskühler 13 und/oder 16 bzw. Absorptionswärmetauscher 3 die abzuführende
Wärme auf Luft übertragbar ist. Das Temperaturniveau der im Kondensator
anfallenden Wärme läßt sich durch eine Anhebung der Antriebstemperatur in 4
ausreichend hoch einstellen, daß z. B. eine besonders vorteilhafte serielle
Durchströmung mit kühlender Luft ermöglicht wird z. B. in der Reihenfolge
Absorptionswärmetauscher 3 - Lösungskühler 16 und /oder 13 - Kondensator 1.
Als weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Absorptionswärme
transformationsanlage wird die in Fig. 2 dargestellte Resorptionskältemaschine
erläutert. Statt dem Kondensator 1 und dem Verdampfer 2 weist die Anlage einen
Resorber 31 mit einem Absorptionswärmetauscher 31 und einen Desorber 32 auf,
sowie einen weiteren Lösungskreis 42, Lösungswärmetauscher 38,
Lösungskreispumpe 37 und Regelventile 36 und 49. Erfindungsgemäß hat die Anlage
vorteilhaft als zusätzliche Komponenten die Lösungskühler 13 und 16 bzw. 43 und 46,
die Pumpen 14 bzw. 44, die Regelventile 20 bzw. 50, sowie die zusätzlichen
Leitungen 18 bzw. 48. Vorteilhaft besitzt die Anlage nicht nur am Absorber einen
Rezirkulationskreis wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläutert, sondern auch
am Resorber bilden die Lösungskühler 43 und 46, die Leitung 48, die Pumpe 44 und
das Regelventil 50 mit dem Absorptionswärmetauscher 31 im Resorber 31 einen
Rezirkulationskreislauf. Es ergeben sich erfindungsgemäß die gleichen Vorteile wie
für den Rezirkulationskreislauf am Absorber 3, die im ersten Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 erläutert wurden. Allerdings kann in einer einstufigen Anlage die Pumpe
44 nicht als Vorpumpe für die Lösungskreispumpe 37 eingesetzt werden, noch
können die Pumpen 37 und 44 als eine Pumpe ausgelegt werden, wie das für die
Pumpen 7 und 14 vorteilhaft möglich ist. In mehrstufigen Anlagen kann es dagegen
vorteilhaft möglich sein die Pumpe 44 als Vorpumpe oder als Lösungskreispumpe des
nachgeschaltete, darüberliegend Stufe einzusetzen. Von Vorteil ist sowohl am
Absorber 3 als auch am Resorber 31 einen Rezirkulationskreis aus Lösungskühlern
13 und 16 bzw. 43 und 46 und Pumpen 14 bzw. 44 anzuschließen, da beide für sich
additiv die Antriebstemperatur am Generator 4 absenken, wie in Fig. 3a erläutert wird.
Im Fall von Resorptionswärmetransformatoren oder mehrstufigen
Resorptionskältemaschinen ist es besonders vorteilhaft vom höheren Druck- bzw.
Temperaturniveau zuströmende, warme Lösung nach der Pumpe 44 und vor dem
Eintritt in den Lösungskühler 43 in den Rezirkulationskreis einzuführen, da im
Lösungskühler 43 effektiv die Wärme abgeführt werden kann.
Anhand des Druck-Temperatur-Diagramms in Fig. 3a werden beispielhaft die
Vorteile der Erfindung für eine einstufige Resorptionskältemaschine aufgezeigt. Es
werden die zugeführten Wärmemengen am Desorber und Generator mit 60 und 62
bzw. 62′ bezeichnet, die abgeführten Wärmemengen am Absorber und Resorber mit
61 bzw. 61′ und 63 bzw. 63′. Ohne Rezirkulationskreis mit Lösungskühler werden am
Generator bei der Temperatur bei 62′ zugeführt und bei der Temperatur von 61 am
Absorber und 63′ am Resorber abgeführt. Mit den zusätzlichen, erfindungsgemäßen
Rezirkulationskreisen verschieben sich die abgeführten Wärmemengen 61 und 63
vorteilhaft zu tieferen Temperaturen und damit auch die Antriebswärme zu einer
Temperatur bei 62 am Generator aufgrund der höheren Flächenbelastungen bzw.
Wärmeübergangszahlen im Resorber- und Absorberwärmetauscher. Die
Temperaturverschiebung am Generator, die mit 62′′ bezeichnet ist, setzt sich
vorteilhaft additiv zusammen aus den Verschiebungen am Absorber 61′′ und am
Resorber 63′′. Läßt man hingegen die Antriebstemperatur bei dem ursprünglichen
Wert bei 62′, so erhöht sich die Leistung der gesamten Anlage. Das heißt es steigen am
Verdampfer und Generator entsprechend auch die pro Wärmtauscherfläche
übertragenen Leistungen, wodurch sich deren Wärmeübergangszahl ebenfalls erhöht.
Hingegen wird bei gleichbleibender Anlagenleistung wahlweise die
Temperaturabsenkung der benötigten Antriebswärme 62 bzw. 62′ oder der auch der
verfügbaren Kälteleistung 60 am Desorber bzw. Verdampfer ermöglicht. Entsprechend
wird für den einstufigen Wärmetransformator durch den vorteilhaften Einsatz des
Lösungskühlers am Absorber bzw. Resorber wahlweise die benötigte
Antriebstemperatur bzw. Kühlwassertemperatur abgesenkt oder auch die verfügbare
Nutztemperatur erhöht. Die für die einstufige Anlagen dargelegten Vorteil bei Einsatz
von mindestens einem Absorptionswärmetauscher mit Lösungskühler erzielt man
entsprechend auch in mehrstufigen Anlagen wie im folgenden anhand der Fig. 3b
und 3c beispielhaft erläutert wird.
Ein Beispiel eines vorteilhaften Einsatzes der Erfindung bei einer zweistufigen
Absorptionskältemaschine mit hohem Wirkungsgrad ist in dem Druck-Temperatur
Diagramm in Fig. 3b dargelegt. Bei dieser Absorptionskältemaschine wird die
Antriebswärme gegenüber der einstufigen Anlage bei erhöhter Temperatur 62 bzw.
62′ zugeführt und in der Anlage zweimal hintereinander zum Austreiben der Lösung
eingesetzt, wodurch sich die Kältezahl auf ca. 1.2 erhöht. Beispielsweise wird bereits
durch nur einen Absorptionswärmetauscher mit erfindungsgemäß zusätzlichen
Lösungskühler am Absorber die Temperatur zur Auskopplung der Absorberwärme
61′ um 61′′ auf die Temperatur bei 61 abgesenkt und infolgedessen die benötigte
Antriebstemperatur für diese zweistufige Absorptions- bzw.
Resorptionskältemaschine um mindestens ca. zweimal 61′′, das ca. gleich 62′′ ist,
von der Temperatur bei 62′ auf 62 abgesenkt. Erfindungsgemäß eröffnet sich dadurch
z. B. vorteilhaft der Antrieb von zweistufigen Absorptionskältemaschinen mit hohem
Wirkungsgrad durch Niederdruckdampfnetze bei ca. 130°C.
In Druck-Temperatur-Diagramm in Fig. 3c ist eine dreistufige
Absorptionskältemaschine mit hohem Wirkungsgrad dargestellt. Durch nochmalige
Steigerung der Antriebstemperatur wird die Kältezahl dieser
Absorptionskältemaschine gegenüber der zweistufigen Anlage von 1.2 auf ca. 1.5
erhöht. Hier wird z. B. durch einen Absorptionswärmetauscher mit Lösungskühler am
Absorber die Temperatur zur Auskopplung der Absorberwärme 61 um 61′′ von der
Temperatur bei 61 abgesenkt und infolgedessen die benötigte
Austreibungstemperatur bei 62 im Hochtemperaturgenerator dieser Anlagen bereits
um ca. zweimal 61′′ abgesenkt. Eine weitere Absenkung dieser Temperatur um
insgesamt 62′′, das entspricht ca. dreimal 61′′, kann erreicht werden durch
Hinzufügen eines weiteren, erfindungsgemäßen Rezirkulationskreises am
Hochtemperaturabsorber. Erfindungsgemäß eröffnet sich dadurch die Möglichkeit
selbst für dreistufige Absorptions- bzw. Resorptionsmaschinen die
Austreibertemperatur bei 62 unter der bekannten Korrosionsgrenztemperatur von ca.
150 bis 160°C zu halten und damit einen dauerhaften Betrieb dieses Anlagetyps zu
ermöglichen.
Claims (15)
1. Absorptionswärmetransformationsanlage, die als ein- oder mehrstufige Anlage zur
Bereitstellung von Wärme und/oder Kälte zumindest eine folgender
Hauptkomponenten - Absorber, Generator, Desorber, Resorber - aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Absorber und/oder Resorber zumindest einen gekühlten
Absorptionswärmetauscher aufweisen und der Absorptionswärmetauscher mit
zumindest einem Lösungskühler und zumindest einer Pumpe einen
Rezirkulationskreis für die Lösung bilden.
2. Absorptionswärmetransformationsanlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Rezirkulationspumpe zwischen dem Ausgang des
Absorptionswärmetauschers und dem Eingang des Lösungskühlers geschaltet ist.
3. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Rezirkulationspumpe zwischen dem Eingang des
Absorptionswärmetauschers und dem Ausgang des Lösungskühlers geschaltet ist.
4. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Rezirkulationspumpe eine Vorpumpe bzw. eine erste Stufe für
eine nachgeschaltete Lösungskreispumpe ist.
5. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Rezirkulationspumpe gleichzeitig eine Lösungskreispumpe ist.
6. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitung für warme bzw. kalte Lösung aus einem Lösungskreislauf mit dem
Eingang des Lösungsmittelkühlers bzw. Absorptionswärmetauscher verbunden ist.
7. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Rezirkulationspumpe und/oder zumindest ein
Lösungsmittelkühler eine Steueranordnung für den Wärmeübergang im
Absorptionswärmetauscher ist.
8. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Rezirkulationskreislauf eine Steueranordnung für die Leistung der Anlage ist.
9. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Verdampfer und/oder ein Generator und/oder ein Desorber
überflutete Wärmetauscher sind.
10. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in zumindest einem Absorptionswärmetauscher wärmeübergangssteigernde
Additive enthalten sind.
11. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Absorptionswärmetransformationsanlage salzhaltige Arbeitsmittel
enthalten sind.
12. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der/die Wärmetauscher zumindest eines Kondensators und/oder zumindest eines
Absorptionswärmetauschers und/oder zumindest eines Lösungskühlers technisch für
die Kühlung mit Luft ausgebildet ist/sind.
13. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anlage einstufig ist.
14. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anlage zweistufig ist.
15. Absorptionswärmetransformationsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anlage dreistufig ist.
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