DE2644474A1

DE2644474A1 - Absorptionskaeltemittelzusammensetzung

Info

Publication number: DE2644474A1
Application number: DE19762644474
Authority: DE
Inventors: Jun Philip Pendleton Anderson
Original assignee: Arkla Industries Inc
Current assignee: Robur Corp Evansville Ind Us
Priority date: 1975-10-02
Filing date: 1976-10-01
Publication date: 1977-04-14
Also published as: DE2644474C2; CA1082907A; AU511364B2; AU1831576A; FR2333846A1; IT1068125B; JPS5244442A; US4018694A; FR2333846B1; GB1565553A; BE846878A; NL7610923A

Description

ARKLA INDUSTRIES INC., Evansville, Indiana, V.St.A.

Ab s orp t ionskältemi-tte 1-Z-US ainmens e t ζ ung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Absorptionskältemittel sowie Absorptionskühlsysteme, und zwar insbesondere auf die Verwendung von neuen Absorptionskühlmittelzusammensetzungen in solchen Systemen.

Bei den erfindungsgemäßen Kühlsystemen wird ein geschlossener Kreislauf verwendet, der eine Salzlösung als Kältemittelzusammensetzung enthält. Die Kühlung wird durch Verdampfung des flüssigen Kältemittels innerhalb einer Verdampferspule oder dgl. erreicht, die einen Teil des geschlossenen Kreises bildet. Luft oder ein anderes Strömungsmittel wird über die Spule geführt und wird abgekühlt, während es Verdampfungswärme an das Kältemittel liefert. Der sich ergebende Kältemitteldampf läuft zu einem Absorberabschnitt, wo er mit einem Strom aus flüssigem Absorptionsmittel in Kontakt gebracht und absorbiert wird. Die durch das Absorptionsverfahren freigesetzte

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Wärme wird durch Wärmeaustauschung mit einem externen Kühlmittel entfernt. Die sich ergebende einen hohen Kältemittelgehalt aufweisende Lösung läuft zu einem Austreiberabschnitt (Generatorabschnitt) , wo die Lösung durch eine externe Wärmequelle erhitzt wird, um Kältemitteldampf auszutreiben. Die sich ergebende einen geringen Kältemittelgehalt aufweisende Lösung kehrt zum Absorberabschnitt zurück. Der Kältemitteldampf wird durch Wärmeaustauschung mit einem externen Kühlmittel kondensiert und läuft dann wiederum zum Verdampferabschnitt.

Die Arbeitsweise eines typischen Absorptionskreises hängt u. a. von der Reduktion des Dampfdrucks des Kältemittels bei der Absorption in das Absorptionsmittel ab. Der im Absorberabschnitt erzeugte niedrige Druck wird zum Verdampferabschnitt übertragen und bewirkt,daß das flüssige Kältemittel verdampft, bis seine Temperatur auf einen Wert abfällt, bei welchem der Kältemitteldampfdruck annähernd gleich dem Druck im Absorberabschnitt ist. Das heißt, die Kältemitteltemperatur ändert sich direkt mit dem Absorberdruck. Es ist daher offensichtlich, daß die Kühlkapazität, des Kreises direkt vom Absorberdruck abhängt und aus diesem Grunde ist es üblich, ein Absorptionsmittel zu verwenden, welches einen geringen Dampfdruck bei der Betriebstemperatur des Absorberabschnitts aufweist.

Es ist bekannt, daß ein Weg zum Erhalt eines geringen Absorberdrucks, und damit zur Erreichung einer größeren Kühlkapazität, darin besteht, eine höher konzentrierte Salzlösung zu verwenden. Andererseits ist es ebenfalls bekannt, daß dieser Vorteil durch die Tatsache ausgeglichen wird, daß die hochkonzentrierte Salzlösung eine größere Tendenz zur Kristallisation aufweist, so daß natürlich die maximale Konzentration durch die Löslichkeit des Salzes begrenzt ist.

Diese Nachteile werden in einem luftgekühlten Kältesystem, wie beispielsweise einer luftgekühlten Klimaanlage für die Kühlung des Inneren einer Umschließung, vergrößert, und zwar aus zwei Gründen. Als erstes ist eine höhere Absorbertemperatur für eine gegebene Verdampfertemperatur erforderlich, was wiederum die Verwendung einer Salzlösung mit

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einem besonders niedrigen Dampfdruck erforderlich macht, und zwar so niedrig, daß die Löslichkeitseigenschaften der üblicherweise verwendeten Salze das Erreichen des gewünschten Dampfdrucks ausschließen. Selbst wenn das erste Problem durch Verwendung eines besonders löslichen Salzes überwunden wird/ so kann zweitens die Kristallisationstemperatur der konzentrierten Lösung so hoch liegen, daß die Lösung dann kristallisieren wird, wenn das System abgeschaltet wird. Beispielsweise wird eine Lös'ung mit einer Kristallisationstemperatur von 80 F nicht bei der Betriebstemperatur von beispielsweise 130F des Systems kristallisieren, wobei aber nach dem Abschalten die Lösung sich auf Umgebungstemperatur abkühlen wird, die weit unterhalb 80 F liegen kann.

Weitere Probleme ergeben sich bei der Auswahl einer Kältemittelzusammensetzung dann, wenn die Temperatur der Wärmequelle für den Betrieb des Austreibers (Dampfgenerators) relativ gering ist, wie dies dann der Fall sein würde, wenn die Wärmequelle ein Strom aus einem durch die Sonne erhitzten Strömungsmittel bei einer Temperatur von ungefähr 200°F ist. Das heißt, die Kältemittelzusammensetzung muß eine solche sein, die bei dem im Austreiber (Generator) herrschenden Druck in der Lage ist, bei der geringen Temperatur der Wärmequelle zu kochen.

Der Stand der Technik beschreibt zahlreiche Absorptionskältemittel-Zusammensetzungen. U.S. Patent 3 524 815 beschreibt eine wässrige Lithiumbromid/Lithiumjodid-Lösung, die eine hinreichend niedrige Kristallisationstemperatur besitzt, welche zur Verwendung in einem durch Umgebungsluft gekühlten System geeignet ist. U.S. Patent 2 802 344 beschreibt verschiedene Elektrolytlösungen als Kältemittelzusammensetzungen, und zwar einschließlich von Alkohollösungen verschiedener anorganischer Salze.

Die vorliegende Erfindung sieht als Absorptionskältemittel-Zusammensetzungen Lösungen eines jeden verschiedener Salze in Mischungen aus niederen aliphatischen Alkoholen und Wasser vor, wobei der Alkohol und Wasser mischbar sind.

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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung anhand der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines typischen Absorptionskältesystems, welches für den Betrieb mit den erfindungsgemäßen Kältemittelzusammensetzungen geeignet ist.

Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Lösungen Eigenschaften, insbesondere Dampfdrücke und Viskositäten, aufweisen, welche sie besonders als Kältemittel in durch Umgebungsluft gekühlten Systemen geeignet machen, wo die Austreibertemperaturen (Generatortemperaturen) relativ niedrig liegen. Die Lösungen enthalten Salz im Bereich von 40 bis 70 Gewichtsprozent, Alkohol im Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent und Wasser im Bereich von 10 bis 50 Gewichtsprozent, und zwar basierend auf dem Gesamtgewicht der Lösung. In der Praxis ist die maximale Salzkonzentration die Konzentration bei Sättigung bei der niedrigsten Temperatur, die die Lösung während des Betriebs erfährt.

Die bevorzugten Salze sind. Halogenide von Lithium, Kalzium, Strontium und Barium. Es können auch andere Salze verwendet werden, wie beispielsweise die Halogenide anderer Alkalimetalle und die Chlorate und Perchlorate der Alkalimetalle und der Erdalkalimetalle.

Die bevorzugten Alkohole sind Methanol, n-Propanol und Isopropanol. Es können auch andere niedere aliphatische Alkohole verwendet werden, vorausgesetzt, daß die endgültige Lösung einen Siedepunkt besitzt, der nicht wesentlich höher liegt als derjenige von Wasser, und wobei die sich ergebende Lösung in der Lage ist, eine hohe Konzentration des Salzes in Lösung zu halten.

Zum Verständnis der Basis der Erfindung sei darauf hingewiesen, daß Lösungen von Salzen in Alkoholen vom Stand der Technik zur Verwendung als Kältemittelzusammensetzungen vorgeschlagen wurden. Diese sind unter einigen Voraussetzungen geeignet, obwohl festgestellt wurde, daß dann, wenn das Salz

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stark hygroskopisch ist, eine Tendenz bestehen kann, den Alkohol zu dehydratisieren, wobei Wasser und ein Äther gebildet wird. Das Vorhandensein von Äther beeinflußt die Arbeitsweise des Kältesystems in nachteiliger Weise. Es wird angenommen, daß die Dehydratisierungsreaktion dadurch unterdrückt wird, daß man Wasser von Anfang an vorsieht. Ein zusätzlicher Vorteil besteht darin, daß die Wasser-Alkohol-Mischung in der Lage ist, eine größere Salzmenge aufzulösen, was zur Folge hat, daß die konzentriertere Lösung einen niedrigeren Druck im Absorberabschnitt des Kältesystems erzeugt. Es sei auf die folgende Tabelle verwiesen. Die Lösungen wurden dadurch hergestellt, daß man zuerst eine 62,5 Gewichtsprozent wässrige Lithiumbromidlösung herstellte und unterschiedliche Methanolmengen hinzufügte.

(D (2) (3) (4) (5)

Methanol (in Gewichtsprozent, basierend auf
dem Gesamtgewicht der
Lösung) 27,2 21,6 19,45 17,2 14,25

Temperatur (in F),
bei welcher die
Lösung einen Dampfdruck von 40 mm
besitzt 103 111 116 118

Die Lösung (1) enthielt 45,5% Salz und 27,3% Wasser, basierend auf dem Gesamtgewicht der Lösung. Die Lösung (5) enthielt 53,6 % Salz und 32,2% Wasser, basierend auf dem Gesamtgewicht der Lösung.

Wenn der Anteil des Wassers in der Alkohol-Wasser-Salz-Lösung erhöht wird, so nimmt die Viskosität der Lösung ab. Die folgenden Daten sind relevant.

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Lösung A Lösung B

SiBr (wasserfrei) 54,4 Gewichts-% 42,8 Gewichts-%

Methanol 35,6 28,6

Wasser 11,0 28,6

Viskosität 28,4 Centipoise 6,4 Centipoise

bei 90°F bei 90°F

Das Kühlsystem des geschlossenen, in der Zeichnung dargestellten Kältekreises ist ein Kältemittelverdampfer 10, dargestellt in der Form einer gerippten Spule, in welchem die Kältemittelflüssigkeit bei subatmosphärischem Druck verdampft wird, wodurch Wärme aus dem die Spule umgebenden Strömungsmittel herausgezogen wird. Der sich ergebende Dampf läuft in einen Absorber 14, der in der Form eines Gefässes dargestellt ist, welches einen Rohrwärmeaustauscherkern 18 enthält. Eine Absorptionsflüssigkeit, wie beispielsweise die oben erwähnte Lösung (5),fließt vom oberen Teil 20 in die offenen oberen Enden eines Satzes von Stromungsmittelkanälen im Kern 18 und bildet einen großen Oberflächenbereich, über den hinweg die Absorption des Alkoholdampfes erfolgt. Durch den Absorptionvorgang freigesetzte Wärme wird durch einen Strom von Umgebungskühlluft 22 abgeführt, die durch den anderen Satz von Kernkanälen fließt.

Die sich ergebende verdünnte Salzlösung fließt nach unten über Leitung 26, Pumpe 27, Wärmeaustauscher 24 und gelangt über Leitung 28 in einen Alkoholdampfaustreiber oder -generator 30. Im Austreiber 30 wird die verdünnte Salzlösung auf Siedetemperatur erhitzt, und zwar mittels einer Wärmequelle, wie beispielsweise einer Spule 32, durch welche durch Sonnenenergie erhitztes Wasser mit annähernd 200°F bis 22O°F, so daß der Kältemitteldampf aus der Lösung ausgetrieben wird.

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Die konzentrierte Lösung fließt vom Austreiber 30 über eine Leitung 38 zum Wärmeaustauscher 24, wo sie die verdünnte Salzlösung vorerhitzt, bevor diese zum Austreiber 30 gelangt. Die kältere konzentrierte-Lösung fließt sodann nach oben durch eine Leitung 40 zum oberen Ende 20 des Absorbers 14.

Der im Austreiber 30 erzeugte Kältemitteldampf läuft über eine Leitung 42 zu einem Kondensator 44, der in der Form eines mit Rippen versehenen Rohrs 45 dargestellt ist. Der Dampf strömt durch das Rohr 45 und wird kondensiert, wobei Wärme an einen Strom von Kühlluft 22 abgegeben wird, die über die Aussenseite des Rohrs 45 strömt. Der Strom aus kondensiertem Wasser fließt vom Kondensator 44 über eine Zumeßöffnung 52 zum Verdampfer 10, wo er wiederum verdampft wird, um die gewünschte Kühlwirkung des Systems zu bewirken.

Das System macht es erforderlich, daß eine Druckdifferenz zwischen den Hochdruck- und Niederdruck-Teilen des Systems aufrechterhalten wird. Insbesondere hilft die Zumeßöffnung bei der Aufrechterhaltung eines Druckdifferentials zwischen dem niedrigen Druck im Verdampfer 10 und dem höheren Druck im Kondensator 44. Die Lösungsmittelpumpe 27 hält den Druck in der Leitung für die an Kältemittel reiche Lösung aufrecht, während eine Lösungssäule in Leitung 38, wie bei X gezeigt, oder eine Einschränkvorrichtung den Druck im Kreis für die an Kältemittel schwache Lösung aufrechterhält. Alternativ kann ein Schwimmventil in Leitung 38 vorgesehen sein.

Die vorstehende Beschreibung der Zeichnung ist mit Ausnahme der Zusammensetzung des Absorptionskältemittels allgemein bei Absorptionskältesystemen anwendbar. Die Beschreibung wurde hier gegeben, um die Erfindung im Rahmen ihrer Umgebung beschreiben zu können. Eine weitere Diskussion des Betriebs des Absorbers 14 hilft bei der Klarlegung der Erfindung. Als erstes ist zu bemerken, daß ein niedriger Druck im Absorber 14 aufrechterhalten werden muß, um den Druck im Verdampfer 10 auf einen Wert zu vermindern, bei welchem das

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flüssige Kältemittel bei einer zufriedenstellenden Temperatur verdampft. Der Druck im Absorber 14 ist theoretisch der Dampfdruck der darin befindlichen Lösung bei der Temperatur der Lö sung bei der Temperatur der Lösung. In einem luftgekühlten Absorber 14 wird unter Verwendung von Umgebungsluft bei beispielsweise 90° F die Temperatur relativ hoch, verglichen mit der Temperatur sein, die mit Kühlwasser erhalten werden kann,und es folgt daraus, daß der Dampfdruck der Lösung relativ hoch liegen wird. Um einen Druck so niedrig als möglich in einem luftgekühlten System zu bewirken, ist es erforderlich, eine hochkonzentrierte Salzlösung zu verwenden, um den Vorteil des niedrigen Dampfdrucks an einer solchen Lösung auszunutzen. Die Alkohol-Wasser-Salz-Lösungen der vorliegenden Erfindung sind besonders für ein mit Umgebungsluft gekühltes System geeignet/ und zwar insbesondere eines, welches mit einer Wärmequelle bei einer relativ niedrigen Temperatur arbeitet.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1. Eine flüssige Absorptionsmittel-Kältemittel-Zusammensetzung zur Verwendung in einem Absorptionskältesystem, dadurch gekenn ζ eichnet, daß sie im wesentlichen aus einer Lösung besteht, die einen mit Wasser mischbaren niedrigeren aliphatischen Alkohol, Wasser und Salz enthält, wobei letzteres aus der Gruppe ausgewählt ist, die durch die Salze der Alkalimetalle und der Erdalkalimetalle mit einer anorganischen Säure gebildet ist.

2. Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz ein Halogenid des Lithiums, Kalziums, Strontiums oder Bariums ist und in einem Gewichtsprozent-Bereich von 40 bis 70 vorliegt, und wobei der Alkohol Methanol oder Äthanol oder n-Propanol oder Isopropanol ist und in einem Gewichtsprozent-Bereich von 10 bis 50 vorliegt, und wobei schließlich das Wasser in einem Gewichtsprozent-Bereich von 10 bis 50 liegt (die Gewichtsprozentangaben basieren auf dem Gesamtgewicht der Lösungen).

3. Verfahren zum Betrieb eines Absorptionskältesystems, bei welchem Kältemitteldampf aus einer flüssigen Absorptions mittel-Kältemittel-Zusammensetzung durch Kochen wegverdampft, kondensiert, verdampft und in dem flüssigen Absorptionsmittelabsorbiert wird, welches nach dem Verdampfungsschritt verbleibt, dadurch gekennzeichnet, daß als die Absorptionsmittel-Kältemittel-Zusammensetzung eine Lösung verwendet wird, die einen niedrigen mit Wasser mischbaren Alkohol, Wasser und ein Salz enthält, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die die Salze der Alkalimetalle und der Erdalkalimetalle mit einer organischen Säure enthält.

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