DE2216204A1

DE2216204A1 - Absorptionskältesystem mit Vielfachgeneratorstufen

Info

Publication number: DE2216204A1
Application number: DE19722216204
Authority: DE
Inventors: Donald Evansville Ind. Kuhlenschmidt (V.StA.)
Original assignee: Arkla Industries Inc
Current assignee: Arkla Industries Inc
Priority date: 1971-04-02
Filing date: 1972-04-04
Publication date: 1972-10-12
Also published as: AU4059672A; CA964478A; FR2132317B1; GB1376507A; FR2132317A1; DE2216204B2; BE781573A; IT950739B; US3717007A; NL7203715A; AU464706B2

Description

PATENTANWALT! MÜNCHENS

Dft.-JNG. H. FINCKI MOLLERSTR 31

DIPL.-ING.H.BOHR =«»■*. al

DIPL-ING. S. STAEÄIR 4. APR. 1972

Mappe 9055
Docket 0-2

Be Schreibung

zum Patentgesuch

der Firma AEKLA INDUSTRIES, HG«, Evansville, Indiana/V.St.A.

betreffend

"Absorptionskältesystem mit Vielfachgeneratorstufen"

Prioritat^. 2. April 1971 - VoSt.A.

Die Erfindung "cctzifft Absorptionskältesysteme, bei welchen ein flüssiges Kältemittel verdampft, um eine Kühlwirkung zu erzeugen, wobei das Kältemittel nachfolgend in einer flüssigen Absorptionslösung absorbiert wird. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Systeme, welche mit einem verhältnismäßig warmen Kühlmedium kühlbar sind, beispielsweise mit Umgebungsluft.

Eine auftretende Schwierigkeit bei Absorptionskältemaschinen unter Verwendung einer wässrigen Salzlösung als Absorptionsmittel liegt darin, daß die Kühlung der Maschinen mit einem verhältnismäßig warmen Kühlmittel, beispielsweise Umgebungsluft, nicht allgemein zweckmäßig ist» Die Hauptgründe für diese unbefriedigende Wirkungsweise liegen (1) darin, daß der Dampfdruck der Salzlösung bei erhöhten Temperaturen, die sich aus der Luftkühlung ergeben, zu einer Verdampfertemperatur führt, die .

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zur zufriedenstellenden Kühlung zu hoch liegt, (2) darin, daß die Salzlösung eine so hohe Kristallisationstemperatur aufweist, daß sie das Bestreben zur Bildung von Kristallen bei Umgebungstemperatur zeigt, wenn die Maschine abgeschaltet ist. Unter Kristallisationstemperatur ist die Temperatur zu verstehen, bei welcher sich feste Kristalle zu bilden beginnen, wenn die Salzlösung gekühlt wird. Das Problem ergibt sich in Einzelheiten aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit einer Maschine, die eine wässrige Lithiumbromidlösung als Beispiel eines typischen Absorptionsmittel verwendet, jedoch sind die Grundlagen der Erfindung nicht auf die Anwendung eines besonderen Absorptionsmittels beschränkt.

Bei Absorptionskältesystemen der betrachteten Art ändert sich der Absorberdruck für eine gegebene Lösungskonzentration mit der Absorbertemperatur. Die minimale praktisch erzielbare Absorbertemperatur liegt etwa 5 - 11⁰C oberhalb der Kühltemperatur oder beträgt etwa 46°C für eine Temperatur von 35°C der Umgebungsluft. Wenn man demnach eine luftgekühlte Einheit betreiben will, so muß man eine Absorptionslösung verwenden, welche einen niedrig genug liegenden Dampfdruck bei 46°C aufweist, um die erforderliche Verdampfung in dem Verdampfer herbeizuführen. Praktisch sollte der Verdampfer in der Lage sein, einen Wasserstrom auf ?°C zu kühlen; bu diesem Zweck sollte die Verdampfertemperatur nicht höher als etwa 5»5°C sein. Die letztgenannte Temperatur wird während der Verdampfung von Wasser bei 6,7 Torr erzeugt. Demgemäß sollte die den Absorber in einem in üblicher Weise ausgebildeten luftgekühlten System verlassende Lösung einen Dampfdruck von nicht mehr als 6,7 Torr bei 46⁰C aufweisen. Aus zur Verfügung stehenden Dampfdruckdaten für Lithiumbromid wurde gefunden, daß eine Lösung von 59,2 Gewichtsprozent dieses Erfordernis erfüllt. Die Konzentration der eintretenden Lösung muß, wie sich versteht, höher liegen; für ein im Betrieb befindliches System beträgt die Eintrittskonzentration etwa 62,2 %. Da die letztgenannte Lösung eine Kristallisationstemperatur von 44,5°C aufweist, ist eine solche Lösung unpraktisch, da sie kristallisiert, wenn die Einheit abgeschaltet wird., Wenn eine stärker verdünnte Eintrittslösung,

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■beispielsweise eine solche von 59 %, verwendet wird, um die Schwierigkeit der Kristallisierung zu überwinden, so hätte die abgehende Lösung eine Konzentration von etwa 56 ^c/° und einen Dampfdruck von 9 Torr. Bei diesem Druck würde der Verdampfer bei 9,75°C arbeiten, was offensichtlich unmöglich zur Erzielung eines gekühlten Wassers von 7°C ausreicht.

Erfindungsgemäß wird der Verdampfer bei einen geringeren Druckweit als der Absorber betrieben, während der letztere auf einem Druck arbeitet, der mit der Konzentration der Salzlösung und mit der Temperatur des verfügbaren Kühlmediums zusammenhängt. Der Niederdruckdampf von dem Verdampfer muß, wie sich versteht, zu dem den höheren Druck aufweisenden Absorber verlaufen; um die Druckdifferenz aufrecht zu erhalten, wird der von dem Verdampfer herströmende Dampf vor der Weiterleitung zu dem Absorber verdichtet. Der Absorber kann auf diese Weise ein Absorptionsmittel mit einem Dampfdruck bei der Temperatur des Absorbers verwenden, welche höher als die Betriebstemperatur in dem Verdampfer liegt. Dies bedeutet, daß das Absorptionsmittel im Salzgehalt stärker verdünnt sein kann als das Absorptionsmittel, welches normalerweise verwendet würde· Gemäß den zur Darstellung verwendeten Konzentrationsbeispielen ermöglicht es demgemäß die Erfindung, z.B. 59 %-ige Lithiumbromidlösung in einer luftgekühlten Einheit zu verwenden, welche Wasser von 7°C erzeugt, wogegen ohne Druckdifferential und die Verdichtung des Dampfes von dem Verdampfer die gleiche Lösung
würde.

Lösung gekühltes V/asser von 9i75°C oder darüberliegend liefern

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Vielfacheffekt-Kältesysteme, d.h. Systeme, welche Hochdruck- und Niederdruck-Generatoren aufweisen. Die Steigerung des Druckes des von dem Verdampfer strömenden Kältemitteldampfes, welcher erfindungsgemäß erforderlich ist, kann bei dieser Art eines Systems erzielt werden, indem der Strom des Kältemitteldampfes verwendet wird, der in dem Niederdruckgenerator als Treiberfluid in einer Auswerf- oder Ansaugeinrichtung erzeugt wurde, die mit dem System so verbunden ist, daß Kältemitteldampf von dem Verdampfer einge-

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leitet wird, um diesen Dampf in einem geringen, nichtsdestoweniger aber beträchtlichen Maß zu verdichten und bei dem dort schon vorliegenden Betriebsdruck zu dem Absorber zu liefern.

Die Erfindung schafft also eine luftgekühlte Doppeleffekt-Salzlösungs-Absorptionskältemaschine mit Hoch- und Niederdruckgeneratorstufen, welche mit einem geringeren Druck in dem Verdampfer als in dem Absorber betätigt wird. Dadurch erzielt man eine gewünschte niedrige Verdampfertemperatur, während ermöglicht wird, daß der Absorber eine Absorbersalzlösung mit einer niedrigeren Salzkonzentration und damit eine niedrigere Kristallisationstemperatur verwendet, als dies sonst für die gleiche Kühlwirkung nötig wäre. Um die Druckdiffeenz zwischen dem Verdampfer sowie dem Absorber aufrecht zu erhalten, wird der Dampf von dem Verdampfer auf den Absorberdruck verdichtet, bevor eine Weiterführung zu dem Absorber erfolgt. Die Verdict ttrng wird n±+. einer Auswerfereinrichtung bewirkt, welche Kältemitteldampf verwendet, der von der Niederdruckgeneratorstufe als Treiberfluid herströmt.

Die Erfindung iot nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Doppeleffekt-Salzlösungs-Absorptionskältesystems nach der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 ein gegenüber Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbei-· spiel eines erfindungsgemäßen Systems, ebenfalls in schematischer Darstellung.

Das System gemäß Fig. 1 weist einen Hochdruckgenerator 10, einen Niederdruckgenerator 12, einen Verdampfer 14·, eine Kühlwasserschlange 15 in Zuordnung zu dem Verdampfer 14 sowie einen wassergekühlten Absorber 16 auf, welche alle aus normalen Bestandteilen aufgebaut sein können. Eine äußere Wärmequelle 18 liegt an dem Hochdruckgenerator 10, wobei eine Kühlung lediglich

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dem Absorber 16 zugeführt wird, da der Niederdruckgenerator als Kältend.tteldampf-Kondensator dient. Insbesondere wird unter Hochdruck stehender Kältemitteldampf von der Absorptionslösung in einem Dampftrenner 20 getrennt und durch eine Leitung 22 zu dem Niederdruckgenerator 12 übertragen, wo er als Wärmequelle zur Erzeugung von Niederdruck-Kältemitteldampf dient. Dieser Dampf wird nachfolgend von der Absorptionslösung in einem Dampftrenner 24 getrennt und alsdann zu dem Absorber 16 überführt» Der Hochdruck-Kältemitteldampf wird kondensiert, wenn er seine Wärme in dem Niederdruckgenerator 12 abgibt, und nachfolgend durch eine Leitung 26 über einen Wärmeaustauscher 27 sowie danach durch eine Verengung 28 zu dem Verdampfer 14 geführt.

Absorptionsflüssigkeit von dem Trenner 20 wird über eine Leitung 30 sowie durch einen Wärmeaustauscher 32 nebst einer Ausdehnungseinrichtung 34 zu dem Niederdruckgenerator 12 geleitet, wo die Flüssigkeit in Wärmeaustausch mit heißem Hochdruck-Kältemitteldampf gelangt. Absorptionsflüssigkeit (schwach in der Kühlung) von dem Trenner 24 verläuft durch eine Leitung 36 zu einem Wärmeaustauscher 38 und alsdann durch eine Verengung in den Absorber 16.

In dem Absorber wird Kältemitteldampf in flüssigem Absorptionsmittel in an sich bekannter Weise absorbiert, wobei die nunmehr einen hohen Kältemittelgehalt aufweisende Salzlösung in eine Leitung 40 verläuft, die zu einer Lösungspumpe 42 führt, sowie durch die Wärmeaustauscher 38, 32 in den Hochdruckgenerator 10.

Alle obigen Einzelheiten sind von üblichem Aufbau und werden in üblicher Weise betrieben, wie bei gewissen bekannten Doppeleffekt-Absorptionskältemaschinen; die Erläuterungen dienen nur zur Beschreibung zugeordneter Anordnungsteile, welche in Verbindung mit dem Erfindungsgegenstand stehen. Die Gesamtwirkungswoise des Systems besteht in der Verwendung des verdampfenden Kältemittels in dem Verdampfer 14 zur Absorption von Wärme aus dem gekühlten Wasser, Vielehes dann für Luftkon-

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ditionierungszwecke verwendet werden kann. Die absorbierte Wärme wird durch Luftkühlung des Absorbers 16 an die Atmosphäre abgegeben.

Erfindungsgemäß wird der Verdampferdruck unterhalb des Absorberdruckes gehalten, indem ständig Kaltemittoldampf von dem Verdampfer 14 in eine Niederdruckzone geführt wird. Der Dampf wird alsdann auf den vorliegenden Absorberdruck verdichtet und bei diesem Druck zu dem Absorber geleitet, Dies wird erreicht, indem die kinetische Energie des Stromes des Kältemitteldampfes ausgenützt wird, welcher durch den Niederdruckgenerator erzeugt wird und welcher normalerweise bei einem üblichen System unmittelbar zu dem Kondensator verlaufen würde. Gemäß Fig. 1 ist eine Auswerfeinrichtung 44 oder eine Ansaugeinrichtung oder eine andere Einrichtung mit Venturidüse vorgesehen, bei welcher der Strom des Kältemitteldampfes von dem Trenner 24 des Niederdruckgenerators 12 als Treiberfluid verwendet wird, um eine Saugwirkung an dem Verdampfer 14 zu schaffen und danach die vereinigten Kältemitteldämpfe zu dem Absorber 16 zu leiten. Die Auswerfeinrichtung 44, welche schematisch dargestellt ist, kann von irgendeinem geeigneten Aufbau sein und umfaßt in der gezeigten Weise eine Auswerfdüse 46 von reduziertem Querschnitt, welche in eine Saugkammer 48 ragt, die eine Verbindung mit dem Verdampfer 14 über eine Leitung 50 herstellt. Die Düse 46 wandelt den Druckkopf des Dampfes in einen Hochgeschwindigkeitsstrom um, welcher in einen Diffusorteil 54 zur Absenkung des Druckes in der Saugkammer 48 verläuft; danach wird der von dem Verdampfer erhaltene Dampf verdichtet und zu dem Absorber über eine Leitung 52 geführt.

Jegliches überschüssige flüssige Kältemittel in dem Verdampfer 14 kann verwendet werden, um die Masse des Kältemitteldampfes zu steigern, welcher durch die Auswerfdüse 46 strömt. Dies kann erreicht werden, indem zuerst kaltes flüssiges Kältemittel von dem Verdampfer 14 mittels einer Leitung 56 sowie einer Pumpe 58 abgezogen und danach Wärme zugeführt wird, indem die Flüssigkeit durch den Wärmeaustauscher 27 und danach durch einen we it or pt* Wärmeaustauscher 60 oder Boiler geführt wird,

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welcher in Wärmeaustausch mit der erwärmten Luft steht, die den Absorber 16 verläßt. Verdampfendes Kältemittel verläuft alsdann durch eine Leitung 62 zu dem Einlaß der Auswerfdüse

Das Ausführungsbeispiel nach Pig. 2 beruht auf den gleichen Betriebsgrundlagen, jedoch ist der Fluß der Absorptionsflüssigkeit etwas unterschiedlich. Mit Index versehene Bezugsziffern geben Bestandteile an, welche gleich denjenigen sind, die in Fig. 1 ohne Indexstriche verwendet sind.

Gemäß Fig. 2 verläuft ein an Kältemittel reiches Absorptionsmittel von dem Absorber 16' zu dem Niederdruckgenerator 12' und nicht zu dem Hochdruckgenerator wie in Fig. 1, und zwar über eine Leitung 64, eine Pumpe 66 sowie einen Wärmeaustauscher 68. Überschüssiges flüssiges Kältemittel in dem Verdampfer 14' verläuft auch in die Leitung 64 über eine Leitung 70. Absorptionsmittel von dem Trenner 24' in Zuordnung zu dem Niederdruckgenerator 12' verläuft zu dem Hochdruckgenerator über eine Leitung 72, eine Pumpe 74 sowie einen Wärmeaustauscher 76. Absorptionsmittel von dem Trenner 20' des Hochdruckgenerators 10' verläuft zu dem Absorber 16' über eine Leitung 78, den Wärmeaustauscher 76 sowie den Wärmeaustauscher 68. Der Kältemitteldampf von dem Hochdruckgenerator 10' verläuft durch die Leitung 22' zu dem Niederdruckgenerator 12', wo eine Kondensation zur Flüssigkeit erfolgt, die zu dem Verdampfer 14' über eine Leitung 80 sowie die Verengung 28' verläuft.

Die Betriebsweise der Systeme gemäß Fig. 1, 2 ergibt sich durcli Zuordnung typischer Werte zu einigen Betriebsvariablen. Es sei angenommen, daß die Umgebungstemperatur 35°C beträgt, daß die in den Absorber eintretende Lösung eine wässrige Lithiumbromidlösung mit 59 Gewichtsprozent Lithiumbromid ist (bei einer Kristallisationstemperatür von etwa 12,5 C) und daß die abgehende Lösung aus 56 % Lithiumbromid bei einer Temperatur von 46 C besteht. Die abgehende Lösung hat einen Dampfdruck von etwa 9 Torr bei dieser Temperatur,

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was den niedrigesten erzielbaren Druck in dem Absorber darstellt. Wenn gemäß den vorangehenden Erläuterungen der Verdampfer bei 9 Torr Druck des Absorbers betrieben wird, wie dies bei üblichen Systemen der Fall ist, so erzeugt der Verdampferdruck von 9 Torr eine Temperatur von 9»75°C, die zu hoch liegt, um das typischerweise gewünschte gekühlte Wasser von 7⁰C zu erzeugen. Jedoch wird in den Systemen gemäß Fig. 1, 2 der Verdampfer auf einem Druck von 7 Torr durch die Wirkung der Auswerfereinrichtung 44 oder 44' gehalten; bei diesem Druck beträgt die Verdampfertemperatur 5,5⁰C. Die Wirkung des Auswerfers verdichtet auch den Niederdnck-Kältemitteldampf auf den höheren Druck von 9 Torr, so daß der Dampf in dem Absorber absorbiert werden kann.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird die zusätzliche Ansaugwirkung an dem Verdampfer 14 durch Verdampfung irgendeines überschüssigen Kältemittels von dem Verdampfer 14 und Einführung des entstehenden Dampfes stromaufwärts der Auswerferdüse 46 erzielt. Wenn dies nicht zur Verdichtung auf den höheren Druck geschähe, so ergäbe sich keine Absorption und damit keine Wärmeübertragung, oder es würde tatsächlich, wie vorangehend ausgeführt, der Verdampfer bei 9 Torr Druck arbeiten, wobei sich in Verbindung hiermit die unannehmbar höhere Temperatur ergäbe.

Durch die Erfindung wird die erfolgreiche Anwendung von Absorptionssalzlösungen in Maschinen erreicht, welche Umgebungsluft oder ein anderes verhältnismäßig warmes Kühlmedium verwenden. Dieser Vorteil ergibt sich aus der Fähigkeit des Systems, weniger konzentrierte, nicht kristallisierende Salzlösungen zu verwenden, während gleichzeitig eine praktikable niedrige Verdampfertemperatur trotz des auf verhältnismäßig hohem Druck und verhälnismäßig hoher Temperatur arbeitenden Absorbers entwickelt wird.

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Claims

./Vieldruck-Absorptionskältesystem mit einem Verdampfer zur Verdampfung flüssigen Kältemittels, einem. Absorberbehälter zur Absorption von Kältemitteldampf in einem flüssigen Absorptionsmittel, Elementen zum Strömenlassen eines Kühlfluids in Wärmeaustauschbeziehung mit dem flüssigen Absorptionsmittel in dem Absorber und Generatorelementen zum Austreiben von Kältemitteldampf aus dem flüssigen Absorptionsmittel, gekennzeichnet durch Übergabe- und Verdichterelemente (Pumpe 58) zur Aufnahme von Kältemitteldampf aus dem Verdampfer (14) und Weiterleitung des Dampfes in den Absorberbehälter (16) bei einem größeren Druck als der Druck in dem Verdampfer und bei etwa gleichem Druck, wie er in dem Absorber vorliegt, wobei der Verdampfer auf einer niedrigeren !Temperatur liegt, als sie bei dem in dem Absorber herrschenden Druck vorlage.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergabe- und Verdichterelemente folgende Bauelemente umfassen: Eine erste Kältemitteldampfleitung, welche von dem Generator (10) ausgeht und einen Abschnitt von reduziertem Innenquerschnitt aufweist, welcher einen Bereich von hoher Strömungsgeschwindigkeit und niedrigem Druck bildet, und eine zweite Kältemitteldampfleitung, welche zwischen dem Verdampfer (14) und dem Niedrdruckbereich verläuft, wobei Kältemitteldampf von dem Verdampfer herströmt, sich mit dem Kältemitteldampf von der ersten Leitung her vermischt und zu dem Absorber verläuft O
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator zum Austreiben von Kältemitteldampf einen Hochdruckgoneratorbehälter (10) umfaßt, welcher durch eine Wärmequelle (18) beheizt ist, und einen Niederdruckgeneratorbehälter (12), welcher durch heißen Kältemitteldampf erwärmt ist, der in dem Hochdruckgenera bor erzeugt wird, wobei die erste Kältemibtel-

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dampfleitung (26) von dem Niederdruckgeneratorbehälter ausgeht.
4. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Leitungselemente zum Weiterleiten von an Kältemittel reicher Absorptionsflüssigkeit von dem Absorber (16) zu dem Niederdruckgeneratorbehälter (12).
5. System nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Leitungselemente (40) zur Weiterleitung von mit Kältemittel angereicherter Absorptionsflüssigkeit von dem Absorber (16) zu dem Hochdruckgeneratorbehälter (10).
6. System nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Elemente zur Weiterleitung von nicht verdampftem Kältemittel von dem Verdampfer (14) unter Verdampfung des Kältemittels und Weiterleitung des Dampfes zu dem Absorber (16).
7. Verfahren zum Betrieb eines Systems nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch Abziehen von Kältemifceldampf aus dem Verdampferbehälter zwecks Aufrechterhaltung eines darin vorliegenden geringeren Druckes als in dem Absorberbehälter, Verdichtung des abgezogenen Dampfes auf etwa den in dem Absorberbehälter vorliegenden Druck und Einleitung des verdichteten Dampfes in den Absorberbehälter.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung des Kältemittels in dem Absorptionsmittel durch einen ersten Generatorbehälter geleitet wird, welcher durch die Wärme einer Wärmequelle beheizt ist, um Kältemitteldampf auszutreiben, danach durch einen folgenden Generator, in welchem die Kondensation des heißen Kältemitteldampfes, der in dem ersten Generator gebildet wurde, einen Strom von Kältemitteldampf aus der Lösung austreibt, wobei das Abziehen des Dampfes von dem Verdampferkessel durch Ansaugen dieses Dampfes mit dem Dampfstrom erzielt wird, welcher von dem folgenden Generatorbehälter erhalten wird.
9. Verfahren uach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ab-

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Sorptionsflüssigkeit, welche mit Kältemittel angereichert ist, von dem Absorberbehälter zu dem ersten Generatorbehälter geführt wird und daß unverdampftes Kältemittel in dem Verdampferbehälter von diesem abgezogen, verdampft und in den Ansaugstrom des Dampfes geführt wird, welcher von dem folgenden Generator wegströmt.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Absorptionsflüssigkeit, welche mit Kältemittel angereichert ist, von dem Absorber zu dem folgenden Generatorbehälter geführt wird.

Für Firma AEKLA INDUSTRIES, INC.:

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