DE19845361A1

DE19845361A1 - Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Energieverbundanlage

Info

Publication number: DE19845361A1
Application number: DE19845361A
Authority: DE
Inventors: Lutz Richter
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1998-10-02
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2000-04-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Energieverbundanlage mit Nutzung von Abwärmeströmen unterschiedlicher Temperatur zur Kälteerzeugung in einer Absorptionskälteanlage. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, in einer Absorptionskälteanlage, die ein Arbeitsstoffpaar mit hohen Betriebsdrücken, wie z. B. NH¶3¶/H¶2¶O, verwendet, die Prozeßführung sowie die Prozesse des Wärme- und Stoffübergangs an verschiedene Abwärmequellen mit verschiedenen Temperaturen optimal anzupassen und den Energieumwandlungsprozeß so verlustlos wie möglich zu gestalten. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Mengenstrom nach dem Absorber 11 und der Lösungspumpe 25 geteilt. Ein kleiner Teilstrom fließt in den Hochtemperatur-Kreislauf, der andere, größere Teilstrom in den Niedertemperatur-Kreislauf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Energieverbundanla ge mit Nutzung von Abwärmeströmen unterschiedlicher Temperatur zur Kälteerzeugung in einer Absorptionskälteanlage, insbesondere einer Anlage zur gekoppelten Erzeugung von Kraft, Wärme und Kälte wie in motorgetriebenen Blockheizkraftwerken mit abwärmegetrie benen Absorptionskälteanlagen.

Die thermodynamische Prozeßführung von Absorptionsprozessen ist seit langem bekannt. Ein wirtschaftlicher Betrieb von Absorptionskälteanlagen ist besonders dann möglich, wenn geeignete Abwärmequellen zur Vertilgung stehen. Verdampfungstemperatur, Umwelttem peratur und das Arbeitsstoffpaar bestimmen je nach Art der Prozeßführung die notwendige Heiztemperatur der Absorptionskälteanlage. Hohe Heiztemperaturen verringern den appa rativen Aufwand und die Installationskosten und erhöhen allgemein das Wärmeverhältnis der Anlage. In Blockheizkraftwerken mit Gas- oder Ölmotoren fällt Abwärme in zwei Tempe raturbereichen an. Ca. 500°C heiße Abgase und etwa 90 . . . 100°C warmes Kühlwasser müs sen gekühlt werden.

Bekannt sind zweistufige H₂O/LiBr-Absorptionskälteanlagen mit hohen Heizmitteltemperatu ren. Sie besitzen einen geringen spezifischen Heizenergiebedarf. Das Heizmittel kann aber nicht unter 120°C abgekühlt werden. Im Zusammenhang mit der Abwärmenutzung von motorgetriebenen Blockheizkraftwerken bedeutet dies, daß nur die heißen Abgase der Kälteerzeugung dienen können. Die Abwärme aus dem Kühlwasser müßte für andere Zwecke genutzt werden. Die Abwärme von motorgetriebenen Blockheizkraftwerken wird auch so genutzt, daß das aus dem Motor und Ölfilter austretende Kühlwasser mit dem Ab gas um einige Grade aufgeheizt wird und danach als Heizmittel für Absorptionskälteanla gen dient. Damit verbunden sind Verluste an Exergie. Kleinere Differenzen zwischen Heizmittel- und Lösungstemperatur führen zu vergrößertem Bauvolumen der Absorptions kälteanlage. Im Streben nach höheren Vorlauftemperaturen des Heizmittels für die nachge schaltete Absorptionskälteanlage und der damit verbundenen Verkleinerung und Kostenre duzierung des einsetzbaren Kälteaggregats wurde die sogenannte Heißkühlung des Motors mit Kühlwassertemperaturen bis zu 110°C angewendet. Sie bringt betriebstechnische Pro bleme mit sich, die zu geringeren Standzeiten der Motoren führen.

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

Ein grundsätzlicher Nachteil vieler bekannter Lösungen, bis auf das Verfahren der Multi- Effect-Absorptionskälteanlage, ist, daß sie nicht in der Lage sind, zwei Abwärmeströme unterschiedlicher Temperatur effektiv zu nutzen. Das Verfahren der Multi-Effect- Absorptionskälteanlage aber ist, wie Double- und Tripple-Effect-Prozesse etc., nur für Ar beitsstoffpaare mit geringen absoluten Arbeitsdrücken, wie Wasser als Kältemittel, ver wendbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, in einer Absorptionskälteanlage, die ein Arbeitsstoffpaar mit höheren Betriebsdrücken, wie z. B. NH₃/H₂O, verwendet, die Prozeßführung sowie die Pro zesse des Wärme- und Stoffübergangs an vorhandene Abwärmequellen mit verschiedenen Temperaturen optimal anzupassen und den Energieumwandlungsprozeß so verlustlos wie möglich zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die Sorptionsanlage wird den Abwärmetemperaturen von motorgetriebenen Blockheizkraftwer ken erfindungsgemäß angepaßt. Gegenüber bisherigen Anlagen ohne Heißkühlung verrin gert sich für die Absorptionskälteanlage der Aufwand an Abwärme, Baugröße und Kosten.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Abbildung ist eine erfindungsgemäß gestaltete Anlage dargestellt. Sie besteht aus dem Kältemittelkondensator 2, einem Kältemittelverdampfer 5, einem Kältewärmeübertrager 3, einem Absorber 11, einem Zwischenwärmeübertrager 19, einer Lösungspumpe 25, einem Niedertemperatur-Generator 20 und einer Rektifizierkolonne mit Dephlegmator 21 sowie einem zweiten Absorber 10, der zugleich ein Voraustreiber sein kann, und den Entspan nungsorganen 4, 9 und 23. Außerdem ist ein Zwischenwärmeübertrager 8 und ein Hochtemperatur-Generator 7 mit Abscheider 12 angeordnet.

Nach der Erfindung wird der Mengenstrom nach dem Absorber 11 und der Lösungspumpe 25 geteilt. Ein kleiner Teilstrom fließt in den Hochtemperatur-Kreislauf, der andere, größere Teilstrom in den Niedertemperatur-Kreislauf. Im Hochtemperaturteil wird die reiche Lösung im Hochtemperatur Generator 7 auf hohe Temperatur aufgeheizt, wobei das Kältemittel so stark aus der Lösung ausgetrieben wird, bis die arme Lösung nur eine geringe Kältemittel konzentration besitzt. Im Zwischenwärmeübertrager 8 wird die arme Lösung nur gering un terkühlt, wodurch die Lösung im Absorber 10, im sogenannten Voraustreiber, Kältemittel dampf auch auf höherem Temperaturniveau absorbiert. Die dabei abgegebene Absorpti onswärme kann durch die kalte, reiche Lösung, aus der Leitung 13 kommend, aufgenom men werden. Unter Umständen tritt bereits eine Entgasung von Kältemittel ein. Im nachfol genden Zwischenwärmeübertrager 8 wird dann die über die Leitung 14 geförderte reiche Lösung, u. U. ein Zweiphasengemisch, weiter entgast. Der Vorteil dieser Wärmeübertragung besteht in der Nutzung von Absoptionswärme zur Austreibung. Der gesamte Kältemittel dampf 6 muß jedoch nicht dem Absorber 10 zugeführt und dort zum Teil absorbiert werden. Ein Teil kann auch über eine separate Leitung 26 zum Absorber 11 transportiert werden, der extern durch Kühlwasser oder -luft gekühlt wird.

Der aus dem Hochtemperatur-Generator 7 austretende Dampf besitzt einen hohen Anteil an der schwersiedenden Komponente. Dennoch ist eine Dephlegmation und Rektifikation nicht notwendig. Der Dampf wird über die Leitung 27 und die Leitung 17 der reichen Lösung zugeführt, wobei die schwersiedende Komponente in die Lösung kondensiert (absorbiert). Die Lösung 17 erwärmt sich und gast aus. Die Restwärme zum Erreichen des Austrei bungsendpunktes wird im Niedertemperatur-Generator 20 extern zugeführt. Der aus dem Niedertemperatur-Generator 20 austretende Dampf wird in der Rektifizierkolonne 21 an Kältemittel angereichert.

Mit 1 ist die Kältemitteldampfleitung, mit 14 die Leitung für die reiche Lösung im Hochtem peraturteil, mit 15 die Leitung für die angereicherte Lösung, mit 16 die Leitung für die reiche Lösung im Niedertemperaturteil, mit 18 die Leitung für die reiche Lösung zum Dephlegma tor, mit 22 die Leitung für die arme Lösung im Niedertemperaturteil und mit 24 die Leitung für das Zweiphasengemisch bezeichnet.

Durch Nutzung von Absorptionswärme zur Austreibung im Absorber 10 und von Dephleg mationswärme zur Austreibung im Niedertemperatur-Generator 20 wird der Heizenergie aufwand zur Kälteerzeugung verringert und somit das Wärmeverhältnis erhöht. Durch die hohe Austreibungstemperatur im Hochtemperatur-Generator 7 und den geringen Lösungs umlauf im Hochtemperaturkreislauf, infolge der großen Entgasungsbreite, sind die gesam ten zu installierenden Wärmeübertragungsflächen kleiner als bei konventionellen Anlagen.

Bezugszeichen

1

Kältemitteldampfleitung

2

Kältemittelkondensator

3

Kältewärmeübertrager

4

Entspannungsorgan

5

Kältemittelverdampfer

6

Kältemitteldampf

7

Hochtemperaturgenerator

8

Lösungswärmeübertrager

9

Entspannungsorgan

10

Absorber

11

Absorber

12

Abscheider

13

Leitung

14

Leitung reiche Lösung-HT

15

Leitung angereicherte Lösung

16

Leitung reiche Lösung-NT

17

Leitung

18

Leitung

19

Zwischenwärmeübertrager

20

Niedertemperatur-Generator

21

Rektifizierkolonne mit Dephlegmator

22

Leitung arme Lösung NT

23

Entspannungsorgan

24

Leitung Zweiphasengemisch

25

Lösungspumpe

26

Leitung

27

Leitung

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Energieverbundanlage mit Nutzung von Abwärmeströmen unterschiedlicher Temperatur zur Kälteerzeugung in einer Absorptionskäl teanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der Mengenstrom der kältemittelreichen Lösung im Lösungskreislauf nach dem Absorber (11) und der Lösungsmittelpumpe (25) geteilt wird, wobei ein kleiner Teilstrom in den Hochtemperaturkreislauf, der andere, größere Teilstrom in den Niedertemperaturkreislauf fließt, daß im Hochtemperaturteil die reiche Lösung im Hochtemperatur Generator (7) auf hohe Temperaturen aufgeheizt wird, wobei das Kältemit tel so stark aus der Lösung ausgetrieben wird, bis die arme Lösung nur eine geringe Käl temittelkonzentration besitzt, diese dann im Zwischenwärmeübertrager (8) nur gering unter kühlt wird, wodurch die Lösung im Absorber (10), im sogenannten Voraustreiber oder Vor absorber, Kältemitteldampf auch auf höherem Temperaturniveau absorbiert und die dabei abgegebene Absorptionswärme durch die kalte, reiche Lösung (13) aufgenommen werden kann, die unter Umständen bereits entgast, daß im nachfolgenden Zwischenwärmeübertra ger (8) dann die reiche Lösung (14), u. U. ein Zweiphasengemisch, weiter entgast und die Restwärme zum Erreichen des Austreibungsendpunktes im Hochtemperatur Generator (7) extern durch eine höher temperierte Abwärmequelle zugeführt wird, daß der aus dem Hochtemperatur-Generator (7) austretende Dampf, der einen hohen Anteil an der schwer siedenden Komponente besitzt, nicht dephlegmiert und rektifiziert werden muß, da der Dampf (27) der reichen Lösung (17) zugeführt wird, wobei die schwersiedende Komponente in die Lösung kondensiert (absorbiert), dabei die Lösung (17) erwärmt und zur Austreibung beiträgt, daß die Restwärme zum Erreichen des Austreibungsendpunktes im Niedertempe ratur Generator (20) extern zugeführt wird und der dabei entstehende Dampf in einer Rekti fizierkolonne (21) an Kältemittel angereichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Lösungspumpe (25) ein zusätzlicher, kleiner Massenstrom reicher Lösung über eine entsprechende Regelein richtung zur Rektifizierkolonne (21), die den Dephlegmator integriert, geführt wird und dort den im Niedertemperatur-Generator (20) erzeugten Dampf erst indirekt, dann direkt kühlt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Kältemitteldampf (6) nicht dem Absorber (10) zugeführt und dort zum Teil absorbiert wird, sondern ein Teil über eine separate Leitung (26) dem Absorber (11) zugeführt wird, der extern durch Kühl wasser- oder -luft gekühlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur- Generator (7) zugleich der zum Verbrennungsmotor gehörende, mit reicher Lösung gekühl te Abgaswärmeübertrager ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperatur kreislauf über eine zusätzliche Regeleinrichtung abgesperrt wird und der Hochtemperatur- Generator (7) über zusätzliche Wärmeübertragerflächen zur gleichzeitigen oder zeitlich ver setzten Auskopplung von Nutzwärme verfügt.