DE19538348C2 - Sorptionswärmewandleranlage mit Zusatzkomponenten zur Steigerung der Nutzleistung bzw. Erweiterung der Grenzen für die Antriebs-, Nutz- oder Kühltemperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sorptionswärmewandleranlage entsprechend dem Oberbegriff im Anspruch 1, im folgenden kurz Sorptionsanlage genannt, die in ein- oder mehrstufigen Ausführungen als Kältemaschine, Wärmepumpe und Wärmetransformator oder Kombinationen aus diesen zur Kälte- und/oder Wärmeerzeugung eingesetzt wird (Wärmepumpen, Vulkan-Verlag Essen, 1978, S. 26-33; G. Alefeld, R. Radermacher: Heat Conversion System, CRC Press, Boca Raton (1994); Niebergall, W: Handbuch der Kältetechnik, Band 7, Sorptionskältemaschinen, Springer Berlin, Reprint (1981)). Entscheidend für die Kennzahlen der Sorptionsanlage ist die Summe aller reziproken Wärmedurchgangszahlen an den eingesetzten Hauptkomponenten: Verdampfer, Absorber, Kondensator, Generator, Desorber, Resorber (P. Riesch, G. Alefeld, DKV-Tagungsberichte Heidelberg, 17. Jahrgang, S. 569 (1990)). 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 (N. Isshiki, K. Ogawa, N. Sasaki und Y. Funato, Proc. Absorption Heat Pump Conf. Tokyo, Japan (1991) pp. 377) oder durch Zusätze von Octanol verbessern lassen (Y. Nagaoka. et al., Proc. XVII Int. Congress of Refrigeration Vol. B, pp. 638, Vienna (1987)). Eine gute Diskussion über Wärmeübergänge in Absorbern ist in der nachveröffentlichten Dissertation von F. Summerer (TU München, S. 65, 1996) gegeben. Die Turbulenzen des Wärmeübergangs für Absorption sind bei hohem Leistungsumsatz pro Absorptionswärmetauscherfläche (kurz Flächenbelastung) noch relativ stark, nehmen aber mit sinkender Flächenbelastung der Sorptionsanlage rasch ab, beispielsweise bei sinkenden Antriebswärmetemperaturen (K. J. Kim, Dissertation Arizona State University (1992), pp. 150). Um eine Leistungseinbuße bei sinkender Antriebstemperatur abzufangen, wird üblicherweise die Wärmetauscherfläche am Absorber sowie der übrigen Hauptkomponenten der Sorptionsanlage 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 Sorptionsanlagen 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 (Haus der Technik, Vortragsveröffentlichungen 384, 1976, S. 33-37). Insbesondere für Sorptionsanlagen mittlerer und kleiner Leistung nimmt die Höhe des Absorptionswärmetauscherbündels ab, wodurch die 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 (I. Greiter, Dissertation TU München (1995), S. 36-37). Dieser Nachteil kann durch die Turbulenzsteigerung aufgrund der Rezirkulation am Absorptionswärmetauscher für sich alleine nicht ausgeglichen werden.

Ferner ist bekannt, daß in Sorptionsanlagen 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 (F. Summerer, Dissertation TU München, S. 69, (1969); W. A. Ryan, Proc. Int. Absorption Heat Pump Conference, New Orleans, AES-Vol. 31, p 155, (1994)). Diese Zusammenstellung 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 wieder, daß Sorptionsanlagen mit adiabaten Absorbern relativ hohe Antriebstemperaturen benötigen.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, durch Verbesserung des Stoff- und Wärmeübergangs im Absorber und/oder Resorber die Leistungsmerkmale von Sorptionsanlagen bei günstigen Anlagekosten zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.

Demnach wird für die Sorptionsanlage 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 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 absorbierende Lösung bilden. Der Vorteil einer solchen Sorptionsanlage 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 nierige 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 Lösungsküler muß die Pumpe nur mehr unterkühlte und seine siedende Lösung mehr fördern. Als Vorteil ist die Reduktion der erforderlichen Zulaufhöhe, 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 verbunden. 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 Rezirkultionskreis 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 Kühlwaservorlauftemperatur durch Rücklaufbeimischung kann dadurch entfallen.

Eine weiterhin vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 8 angegeben: Üblicherweise wird die Leistung von Sorptionsanlagen 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 Absorberwärmetauscher durch den hohen Rezirkulationsstrom bestimmt und kontrolliert unabhängig von den übrigen Prozeßparametern 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 gleichem 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 Rezirkultion über die Rezirkulationspumpe gegeben und kann deshalb vorteilhaft bis knapp an die Verfestigungsgrenze der Lösung heranreichen. D. h. 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.

Erfindungsgemäße Vorteile ergeben sich sowohl für einstufige wie auch mehrstufige Anlagen:
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.

Die Erfindung ermöglicht es im Fall einer zweistufigen Sorptionsanlage 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.

Die Erfindung ermöglicht es im Fall einer dreistufigen Sorptionsanlage 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 ungeklärter 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 Sorptionsanlage mit den Hauptkomponenten: Kondensator, Verdampfer, Absorber und Generator.
• - die Fig. 2 schematisch eine einstufige Sorptionsanlage mit den Hauptkomponenten: Resorber, Desorber, Absorber und Generator.
• - die Fig. 3a-c Druck-Temperatur Diagramme für ein- und mehrstufige Anlagen.

Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Sorptionsanlage soll nun anhand der Fig. 1 erläutert werden. Es ist beispielhaft eine Sorptionsanlage 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 Sorptionsanlage beispielhaft zwei Lösungskühler 13 und 16 und eine weitere Pumpe 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 Lösungkühlers 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 Preßzahl 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 Sorptionsanlage, 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 seiner 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 Leistung 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 Generator 4 bzw. der Verdampferwärmetauscher 2 zur Verfügung. Die in ihrer technischen Konstruktion sehr einfachen und günstigen überfluteten Wärmetauscher 2 und 4 bilden daher eine besonders vorteilhafte technische Lösung für die Absorptionswärmetransformationsanlage 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 Absorptionswärmetransformationsanlagen 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 Absorptionsmitteln 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 Arbeitsmitteln 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 1 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 Absorptionswärmetransformationsanlage 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 der nachgeschalteten, darüberliegenden 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 Antriebstempertur 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. D. h. es steigen am Verdampfer und Generator entsprechend auch die pro Wärmetauscherfläche übertragenen Leistungen, wodurch sich deren Wärmeübergangszahl ebenfalls erhöht. Hingegen wird bei gleichbleibender Anlagenleistung wahlweise die Temperaturabsenkung der benötigten Antriebwärme 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 einstufigen 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.

Im 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 (12)

1. Ein- oder mehrstufige Sorptionswärmewandleranlage, wie z. B. Wärmepumpe, Kälteanlage oder Wärmetransformator, mit wenigstens einem Absorber (3) und/oder Resorber (31), ausgebildet als gekühlter Absorptionswärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß um zumindest einen der gekühlten Absorptionswärmetauscher (3 bzw. 31) ein Rezirkulationskreis mit zumindest einem Lösungskühler (13, 16 bzw. 43, 46) und zumindest einer Pumpe (14 bzw. 44) gebildet ist.

2. Sorptionswärmewandleranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rezirkulationspumpe (14 bzw. 44) zwischen dem Ausgang des Absorptionswärmetauschers (3 bzw. 31) und dem Eingang des Lösungskühlers (13 bzw. 43) geschaltet ist.

3. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rezirkulationspumpe (14 bzw. 44) zwischen dem Eingang des Absorptionswärmetauschers (3 bzw. 31) und dem Ausgang des Lösungskühlers (16 bzw. 46) geschaltet ist.

4. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rezirkulationspumpe (14) eine Vorpumpe bzw. eine erste Stufe für eine nachgeschaltete Lösungskreispumpe (7) ist.

5. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rezirkulationspumpe (14) gleichzeitig eine Lösungskreispumpe (7) ist.

6. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung für warme bzw. kalte Lösung aus einem Lösungskreislauf (12 bzw. 42) mit dem Eingang des Lösungsmittelkühlers (13) bzw. Absorptionswärmetauscher (31) verbunden ist.

7. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Rezirkulationspumpe (14 bzw. 44) und/oder zumindest ein Lösungsmittelkühler (13, 16 bzw. 43, 46) eine Steueranordnung für den Wärmeübergang im Absorptionswärmetauscher (3 bzw. 31) ist.

8. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rezirkulationskreislauf (13, 16, 14, 18, 20 bzw. 43, 46, 44, 48, 50) eine Steueranordnung für die Leistung der Anlage ist.

9. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Verdampfer (2) und/oder ein Generator (4) und/oder ein Desorber (32) überflutete Wärmetauscher sind.

10. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einem Absorptionswärmetauscher (3 bzw. 31) wärmeübergangssteigernde Additive enthalten sind.

11. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sorptionswärmewandleranlage salzhaltige Arbeitsmittel enthalten sind.

12. Sorptionswärmewandleranlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Wärmetauscher zumindest eines Kondensators (1) und/oder zumindest eines Absorptionswärmetauschers (3 bzw. 31) und/oder zumindest eines Lösungskühlers (13, 16 bzw. 43, 46) technisch für die Kühlung mit Luft ausgebildet ist/sind.