DE19841548C2 - Kälteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage.

Zum Antrieb von Kälteanlagen wird neben elektrischem Strom bzw. mechanischer Energie zunehmend thermische Energie in Form von Warmwasser, Heißwasser und Dampf ver­ wendet. Diese thermische Energie kann z. B. Fernwärme sein, welche im Sommer von Heizkraftwerken (HKW) und Blockheizkraftwerken (BKHW) z. T. überschüssig angeboten wird, ebenso können Abwärme aus industriellen Prozessen oder solare bzw. geothermische Energie als Antriebsener­ gie in Frage kommen.

Besonders im Sommer ist thermische Energie der Fernwärme und der Solarenergie besonders attraktiv zum Betrieb von Kälteanlagen, da diese Energie gerade dann anfällt, wenn Kälte z. B. zur Sommerklimatisierung benötigt wird. Aber auch für ganzjährig betriebene Kälteanlagen ist thermi­ sche Energie eine Option.

Ein Problem besonderer Art stellt sich beispielsweise bei ganzjährig betriebenen Kälteanlagen, welche mit Wärme von BHKW versorgt werden. Diese Wärme kann im Sommer, wenn nur wenig Heizwärmebedarf besteht, nur schwer abgesetzt werden. Bei der stromgeführen Kraft-Wärme-Kopplung ist jedoch zwangsläufig ein Überangebot an Abwärme vorhanden, welches über eine Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung nutzbar ab­ gearbeitet werden könnte.

Das Temperaturniveau in einem Fernwärmenetz beträgt im Winter typischerweise 100-130°C, wird im Sommer jedoch auf niedere Werte um 90°C zurückgenommen. Das nutzbare Temperaturniveau der Abwärme von Verbrennungsmotoren eines BHKW ist konstruktionsbedingt typischerweise um 90°C, wenn man von heißgekühlten Motoren oder der reinen Abgasnutzung absieht. Diese Beispiele zeigen, daß in zahlreichen Fällen mit Temperaturen um 90°C zu rechnen ist, was eine Nutzung zur Kälteerzeugung schwierig macht.

Stahlapparate haben neben einem niedrigen Wirkungsgrad mit Heißwasser bei derart niedrigen Temperaturen ein Pro­ blem, welches zwar nicht unlösbar, jedoch ökologisch und wirtschaftlich schwer darstellbar ist. Wasser/Lithium­ bromid-Absorptionskälteanlagen können zwar mit diesen niederen Temperaturen noch betrieben werden, sind aber bei ebenfalls schlechten Wirkungsgraden nur schwer in der Lage, Kaltwasser von z. B. 6°C bereitzustellen. Ammoniak-/Wasser-Absorptionskälteanlagen können zwar Tem­ peraturen unterhalb 6°C und sogar unter 0°C erreichen, dafür sind die Kosten sehr hoch und der Wirkungsgrad ist wiederum schlecht. Zuletzt seien die Absorptionsanlagen erwähnt, die zwar mit niedrigen Temperaturen auskommen, jedoch teuer in der Anschaffung, sehr groß und schwer so­ wie sehr energieintensiv sind.

In vielen heißen Ländern ist der Strombedarf im Sommer hoch und oft höher als im Winter, da zahlreiche elektri­ sche Raumkühlgeräte zu ausgeprägten Stromspitzen führen, die teuer abgedeckt werden müssen und oft zur Überlastung der Stromnetze führen. In kühleren Ländern ist der Strom­ bedarf im Winter zwar hoch, gleichzeitig ist bei Kraft- Wärme Kopplung der Wärmebedarf für Heizzwecke ebenfalls hoch und ein BHKW kann beispielsweise den parallelen En­ ergiebedarf durch Vollastbetrieb günstig abdecken. Dafür ist im Sommer wegen des geringen Heizwärmebedarfs eine Reduzierung der Stromerzeugung günstig, da Raumkühlgeräte in kühlen Ländern keinen nennenswerten Beitrag zum Strom­ bedarf aufweisen und die Spitzen wie in heißen ändern nicht oder weniger ausgeprägt ausfallen.

In beiden geschilderten Fällen (heiße und kühle Länder) besteht daher der Wunsch, wenngleich aus völlig unter­ schiedlichen Gründen, thermische Energie im Sommer zum Betrieb einer Kälteanlage zu nutzen. Der Winterbetrieb mit thermischer Energie ist dabei oftmals unmöglich (keine Solarwärmegewinnung), unerwünscht (ohnehin hoher Heizwärmebedarf) oder unwirtschaftlich (wegen saisonal höherer Erlöse aus Wärmeverkauf für Heizzwecke).

Aus der DE-AS 12 15 181 ist eine kombinierte Kompres­ sions/Absorptions-Kältemaschine bekannt, bei der der Kon­ densator des Kompressionsteils im Verdampfer des Absorpti­ onsteils angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kälteanlage anzugeben, die einen besonders wirtschaftlichen Betrieb einer Kälteanlage erlaubt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merk­ male des Hauptanspruchs. Die Unteransprüche geben vor­ teilhafte Ausbildung der Erfindung an.

Kälteanlagen mit elektrischem oder mechanischem Antrieb werden in der Regel als Kompressions-Kälteanlagen ausge­ führt. Der Energiebedarf zum Antrieb des Verdichters ist dabei von der Verdampfungs- und Kondensationstemperatur abhängig. Da die Verdampfungstemperatur zumeist durch die Kälteanwendung festgelegt ist, ergibt sich hinsichtlich des Energiebedarfs des Verdichters nur noch Spielraum bei der Festlegung der Kondensationstemperatur. Diese soll so tief wie möglich sein. Dazu bietet sich mit steigender Kondensationstemperatur z. B. der Betrieb mit Kühlwasser aus einem Kühlturm an, die Kondensation des Kältemittels in einem Verdunstungskühler oder die Kondensation mit ei­ nem luftgekühlten Verflüssiger. Die Verwendung von Kühl­ türmen und Verdunstungskühlern wird zunehmend erschwert oder sogar verboten, da der Wasserbedarf erheblich ist. Die Luftkühlung ist wegen der hohen Temperatur die ungün­ stiger Lösung, wenngleich kein Wasser verbraucht wird.

Kälteanlagen mit thermischem Antrieb sind bei geringer Temperatur der thermischen Antriebsenergie üblicherweise Absorptionskälteanlagen. Bei den vorherrschenden geringen Temperaturen ist es schwierig und/oder energieintensiv, brauchbare Nutztemperaturen verfügbar zu machen. Bei nie­ derer Temperatur der thermischen Antriebsenergie ist eine hohe Nutztemperatur hingegen zunehmend wirtschaftlicher. Hinsichtlich der Kondensation des Kältemittels und der Abfuhr von Absorptionswärme gelten im übrigen dieselben Kriterien wie bei den Kompressions-Kälteanlage.

Wenn das Kompressions-Kälteteil mit einem luftgekühlten Verflüssiger ausgestattet ist, kann es im Winter bei geringer Außentemperatur ohne Kühlung durch das Absorp­ tions-Kälteteil bei geringem Energiebedarf das Kältemit­ tel verflüssigen. Das Absorptions-Kälteteil kann dann ab­ geschaltet oder für andere Zwecke eingesetzt werden.

Durch diese Schaltung wird folgendes erreicht: Im Winter reduziert die niedere Lufttemperatur zur Verflüssigerküh­ lung des Kompressions-Kälteteils den elektrischen bzw. mechanischen Energiebedarf der Anlage. Das Aborptions- Kälteteil kann dabei ausgeschaltet bleiben, wenn thermi­ sche Antriebsenergie knapp oder teuer ist. Ebenso kann das Absorptions-Kälteteil auch für andere Kühlaufgaben eingesetzt werden, wenn der Bedarf vorhanden ist. Man hat in diesem Fall zwei autarke Kälteteile. Im Sommer wird das Absorptions-Kälteteil mit vorhandener und/oder preis­ werter thermischer Antriebsenergie betrieben. Das Absorp­ tions-Kälteteil dient dazu, den verflüssiger der Kompres­ sions-Kälteanlage zu kühlen, wodurch der elektrische bzw. mechanische Energiebedarf des Kompressions-Kälteteils niedrig ist. Gleichzeitig ist die Nutztemperatur des Absorptions-Kälteteils hoch, z. B. mit einem luftgekühlten Verflüssiger ohne Wasserverbrauch das Kältemittel zu ver­ flüssigen. Wasserkühlung des Verflüssigers ist selbstver­ ständlich auch möglich.

Zur vorteilhaften Koppelung des Verflüssigers der Kom­ pressions-Kälteanlage mit dem Absorptions-Kälteteil ist das Absorptions-Kälteteil ist als Wasserkühler ausgeführt (aus Frostschutz- oder Korrosionsschutzgründen kann auch eine andere Flüssigkeit, z. B. eine Sole eingesetzt wer­ den; nachstehend unter "Wasser" zusammengefaßt). Das Kompressions-Kälteteil ist ein Glatt- oder Rippenrohrver­ flüssiger, wobei das zu verflüssigende Kältemittel durch die Rohre, die Kühlluft um die Rohre strömt. Ventilatoren sorgen für den Luftdurchsatz, wobei diese üblicherweise saugend angeordnet sind.

Bei tiefer Außentemperatur (z. B. bei kaltem Winterwetter) wird der Verflüssiger des Kompressions-Kälteteils mit Außenluft gekühlt. Bei hohen Außentemperaturen wird der Verflüssiger des Kompressions-Kälteteil mit kaltem Wasser des Absorptions-Kälteteils gekühlt. Dazu wird der Ver­ flüssiger des Kompressions-Kälteteils mit kaltem Wasser aus der Absorptions-Kälteanlage überflutet. Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 ein Prinzipdarstellung der Anlage, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Anla­ ge.

Ein Kompressions-Kälteteil bestehend aus einem Verdampfer 1, einem Verdichter 2, einem Verflüssiger 3 und einem Drosselorgan 4, ist mit einem im wesentlichen aus einem Verdampfer 5, einem Verflüssiger 6 und einem Absorber/­ Desorberteil 7 dargestelltem Absorsorptions-Kälteteil ge­ koppelt. Das Kompressions-Kälteteil wird elektrisch oder mechanisch angetrieben, während der Absorber mit thermi­ scher Energie versorgt wird. Damit wird erreicht, daß die tiefe Nutztemperatur durch ein elektrisch/mechanisch angetriebene Kompressions-Kälteteil dargestellt wird, gleichzeitig wird die Kondensationstemperatur des Kom­ pressions-Kälteteils durch die Kühlung mit der Absorp­ tions-Kälteanlage niedrig gehalten. Das Absorptions- Kälteteil kann daher mit niedertemperierter thermischer Energie den Energiebedarf des Kompressions-Kälteteils weitaus geringer halten, als dies ohne die Absorptions- Kälteteil möglich wäre. Das Absorptions-Kälteteil braucht nicht bei niedriger Temperatur Kälte bereitstellen und kann daher wirtschaftlich bei hoher Kondensationstempera­ tur betrieben werden.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer solche Anlage.

Der luftgekühlte Wärmeaustauscher 8 befindet sich in einem Gehäuse 9, auf dessen Oberseite saugenden Ventila­ toren 10 angebracht sind. Die Luftströmung erfolgt somit von unten nach oben. Oberhalb des Wärmetauschers 8 und unterhalb der Ventilatoren 10 ist eine Wasser-Verriese­ lungseinrichtung 11 angeordnet. Je nach Geometrie, Luft­ geschwindigkeit und Empfindlichkeit der Ventilatoren 10 sind Tropfenabschneider 12 oberhalb Wasser-Verriese­ lungseinrichtung 11 und unterhalb 10 angeordnet. Das Gehäuse 9 ist mit den Elementen 8, 10, 11, 12 sowie not­ wendigen Zubehör z. B. Elektroverkabelung, Schaltschrank, Regelung, Antriebsmotoren usw. so in einer Wanne 13 an­ geordnet, daß die Wanne 13 z. B. durch eine ventilbetätig­ te Ablaßvorrichtung 14 entleert werden kann.

Sofern der Wärmetauscher 8 geflutet werden soll, um mit der Absorptions-Kälteanlage bei hohen Außentemperaturen den Verflüssiger zu kühlen, wird die Ablaßvorrichtung 14 geschlossen, eine Pumpe 15 fördert Wasser aus einer Vor­ lage 16 in Wanne 13. Im Fall hoher Außentemperatur, d. h. wenn der Wärmetauscher 8 geflutet werden soll, öffnet ein Dreiwegeventil 17 in der Weise, daß das gepumpte Wasser in die Wanne 13 fließt. Der Wasserstand in der Wanne 13 wird dabei so geregelt, daß der Wärmetauscher 8 vollstän­ dig eingetaucht ist. Die Ventilatoren 10 bleiben dabei abgeschaltet. Die Absorptions-Kälteanlage 18 kühlt das Wasser in Wanne 13 bzw. 16: Durch die Kühlung durch das Absorptions-Kälteteil wird die Verflüssigungstemperatur des Kompressions-Kälteteils niedrig und somit der Ener­ giebedarf des Kompressions-Kälteteil gering gehalten.

Für die Zeit milder Außentemperaturen z. B. Frühjahr, Herbst kann mit ungekühltem Wasser aus der Vorlage 16 und durch Verrieselung von Wasser über den Verrieseler 11 den Verflüssiger als Verdunstungskühler betreiben, wobei man das Absorptions-Kälteteil abgeschaltet lassen kann.

Wassertröpfchen und Aerosole können über die Tropfenab­ scheider 12 vor dem unzulässigen Eintritt in Ventilatoren 10 abgehalten werden. Die Wanne 13 kann mit einem Über­ lauf oder einer geeigneten Regelungseinrichtung versehen werden, um eine Überfüllung der Wanne 13 zu vermeiden. Ebenso kann die Absorptions-Kälteanlage anstelle der Was­ serkühlung in der Wanne 13 auch das in der Vorlage 16 kühlen bzw. vorkühlen. Weiterhin ist es möglich, das Was­ ser kontinuierlich über die Ablaßvorrichtung 14 ablaufen und über die Pumpe 15 zulaufen zu lassen.

Claims (4)

1. Kälteanlage mit einem Kompressionsteil und einem Adsorptionsteil, bei der der Kondensator des Kompres­ sionsteils mit dem Verdampfer des Absorbtionsteil gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärme­ tauscher (8) des Verflüssigers (3) des Kompressions­ teils in einer zum Aufnehmen von Wasser ausgebildeten Wanne (13) angeordnet ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespeiste Kälteanlage ein Strahlapparat ist.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine die Wanne (13) speisende Vorlage (16).

4. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Wärmetauschers (8) beauf­ schlagenden Berieselungseinrichtung (11).