DE2658685A1

DE2658685A1 - Verfahren und vorrichtung bei einem geschlossenen sorptionsprozess

Info

Publication number: DE2658685A1
Application number: DE19762658685
Authority: DE
Inventors: Carl Georg Dipl Ing Munters
Original assignee: Carl Munters AB
Current assignee: Carl Munters AB
Priority date: 1975-12-30
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1977-07-14
Also published as: JPS5285745A; SE409054B; SE7514789L; US4152901A; CA1088729A

Description

AKTIEBOLAGET CARL MUMTERS

Industrivägen 2

191 4 7 SOLLEMTUNA / Schweden

Verfahren und Vorrichtung bei einem geschlossenen Sorptionsprozess

Die Erfindung betrifft ein Verfahren bei einem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis umgewälzt wird, in welchem es sich unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeitsphase, in Gasphase und in flüssiger Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstation und einer Trenn- oder Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird.

Ein Gebiet, auf dem ein solcher Sorptionsprozess zur Anwendung kommt, sind sog. Wärmepumpen, bei denen ein Arbeitsmittel aus der Flüssigkeitsphase in die Gasphase in einer Verdampfungsstation bei einer verhältnismässig niedrigen Temperatur umgewandelt wird, wobei die Verdampfungswärme von einer umgebenden niedrigwertigen Wärmequelle 'geliefert und wobei die in dieser Weise von dem Arbeitsmittel gebundene Wärme dazu benutzt wird, die Temperatur eines nutzbaren Mittels innerhalb eines verhältnismässig höheren Temperaturbereichs zu steigern, wenn das Arbeitsmittel in die Flüssigkeitsphase zurückkehrt und dabei seine Dampfbildungswärme abgibt. Bei beispielsweise Beheizung von Räumen eines Gebäudes tritt dieses nutzbare Mittel in das Heizsystem des Gebäudes in der Form von z.B. Wasser ein,

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während in der Verdampfungsstation die Wärmeaufnahme aus einer "Wärmequelle" verhäli'nismässig niedriger Temperatur, wie aus verbrauchtem Kühlwasser oder Luft von einem industriellen Prozess ο.dgl. mit einer Temperatur von z.B. 20-M-O⁰C erfolgen kann, weswegen sich diese Wärmequelle an sich nicht zur wirtschaftlichen Beheizung von Räumen bei niedriger Aussentemperatur eignet. Die Aufgabe der Wärmepumpe besteht also darin, von derartigen Abfallmitteln herrührende Wärmekalorien zu gewinnen und diese Kalorien in das nutzbare Mittel zu überführen, so dass dieses innerhalb des Temperaturbereichs wirken kann, den ein Heizkörpersystem für Raumheizung zur Voraussetzung hat. Es sind mit Erfolg sogar Versuche durchgeführt worden, als Wärmequelle das Wasser in Seen u.dgl. bei Aussentemperaturen von weniger als 0 C zu benutzen.

Es ist bekannt, das Arbeitsmittel in einer Wärmepumpe zwischen einem Absorber, einem Kocher, einem Verdampfer und zurück zu dem Absorber in der vorgenannten Ordnung umzuwälzen. Zu dem Prozess gehört ein Absorptionsmittel in Flüssigkeitsform, das zusammen mit dem Arbeitsmittel zwischen dem Absorber und dem Kocher umgewälzt wird, wo es von dem Arbeitsmittel abgeschieden wird, das zu dem Absorber strömt. Nach der Abscheidung werden die Arbeitsmitteldämpfe zu Flüssigkeit gekühlt, und diese wird in dem Verdampfer erneut zum Verdunsten gebracht, wobei die Verdampfungswärme' der "Wärmequelle" entnommen wird. Die Arbeitsmitteldämpfe werden dann in dem Absorber absorbiert. Die in dem Kondensator und Absorber freigesetzte Verdampfungswärme wird z.B. als nutzbare Wärme in einem mit Heizkörpern bestückten Raumbeheizungssystem verwertet. Der für die Umwälzung des Arbeitsmittels und des Absorptionsmittels in dem geschlossenen Prozess erforderliche Druckunterschied wird mittels einer z.B. zwischen dem Absorber und dem Kocher eingesetzten Flüssigkeitspumpe aufrechterhalten.

Es ist auch eine Wärmepumpe bekannt, bei der das geschlossene System lediglich ein Arbeitsmittel enthält, das in Gasphase

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mittels.eines Verdichters von einem niedrigeren auf einen höheren Druck verdichtet und danach in Flüssigkeitsform überführt wird. Die freigesetzte Verdampfungswärme wird z.B. für Beheizung von Räumlichkeiten benutzt. Das Arbeitsmittel geht dann in Flüssigkeitsphase zu dem Verdampfer, wo es erneut in die Dampfphase übergeht, was unter Bindung von Wärme aus dem "Wärmequelle"-Mittel erfolgt. Geschlossen wird der Kreis dadurch, dass das verdampfte Arbeitsmittel zwecks erneuter Drucksteigerung zu dem Verdichter strömt.

Bei diesen beiden Ausführungsformen wird die Wärmemenge, die dem nutzbaren warmen Mittel, wie dem Warmwasser in einem Heizkörpersystem, zugute kommt, grosser als die in dem Kocher bzw. Verdichter geopferte entsprechende Energiemenge. Der Gewinn wird jedoch dadurch begrenzt, dass im ersteren Fall kostbare Wärmeenergie dem Arbeitsmittel in dem Kocher zugeführt und zur Verdampfung aufgewendet werden muss, und dass ausserdem die Pumpe auch dann Energie verbraucht, wenn sie mit einem flüssigen Mittel arbeitet. Im letzteren Fall wird das Volumen des Verdichters deswegen gross, weil sich das Arbeitsmittel während der Verdichtung in Gasform befindet.

Die Erfindung bezweckt die Verbesserung der Wärmewirtschaftlichkeit bzw. des Wirkungsgrades des geschlossenen Sorptions-' prozesses. Ein Schritt in dieser Richtung ist die Durchführung des Prozesses ohne Zuhilfenahme von aussen zugeführter kostspieliger Wärme für die Abscheidung der Sorptions- und Arbeitsmittel voneinander. Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, in einem geschlossenen Prozess die Abscheidung der Arbeits- und Sorptionsmittel voneinander durchzuführen, während •beide Mittel sich in Flüssigkeitsphase befinden. Noch ein Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Wärmepumpe, in deren Sorptionsprozess eine Verdampfungsstation eingeschaltet ist, in der aus einer niedrigwertigen "Wärmequelle" eine grosse Wärmemenge gewonnen wird, die dann in der Sorptions-

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stufe auf den entsprechende:¹! höheren Wert angehoben wird. Diese Wärmequelle kann Wasser oder Luft sein, im letzteren Falle sogar bei Temperaturen unter 0 C, ohne Zuführung zusätzlicher Wärme von einer hochwertigeren Wärmequelle bzw. mit einer nur geringen derartigen Wärmezufuhr.

Diese Zwecke werden bei dem eingangs angegebenen geschlossenen Sorptionsprozess grundsätzlich dadurch erreicht, dass die Abscheidung unter umgekehrter Osmose durch eine halbdurchlässige Haut oder Membran· durchgeführt wird. Die für die Hervorbringung der umgekehrten Osmose erforderliche Drucksteigerung wird hierbei gemäss der Erfindung am besten dadurch erzielt, dass die Mischung der Wirkung einer zwischen der Sorptionsstation und der Abscheidestation arbeitenden Pumpe unterworfen wird, wobei ein Teil der in dieser Weise aufgewendeten Energie mittels einer mit der Pumpe zusammengeschalteten Turbine zurückgewonnen wird, wenn die Mischung zur Sorptionsstation zurückgeht. Vorteilhalft ist das Arbeitsmittel in flüssigem Zustand zugleich Träger bzw. Lösungsmittel für das Sorptionsmittel in der Mischung, wenn diese während der Umwälzung mit niedriger Konzentration an Sorptionsmittel zur Abscheidestation strömt und bei hoher Konzentration an Sorptionsmittel zur Sorptionsstation zurückgeht. Insbesondere bei einer Wärmepumpe, die Wärmekalorien aus einer niedrigwertigen Wärmequelle zwecks Umwandlung in höherwertige, nutzbare Wärme gewinnen soll, wird gemäss einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung die Ueberführung des Arbeitsmittels aus der Flüssxgkeitsphase in die Gasphase nach Druckherabsetzung in einer Verdampfungsstation durchgeführt, in der hierdurch eine Temperatursenkung unter Bindung von Wärme aus der Umgebung stattfindet, wonach das gasförmige Arbeitsmittel zur Sorptionsstation zurückgeht. Wenn das Verfahren bei einem geschlossenen Sorptionsprozess zur Anwendung kommt, in dem in an sich bekannter Weise ein Arbeitsmittel aus flüssigem in gasförmigen Zustand in einer Verdampfungsstation unter Bindung von Wärme aus einem mit

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dieser Station in wärmeleitender Berührung stehenden Mittel überführt und danach wieder in einer Sorptionsstation in flüssige Phase unter Abgabe von Wärme an ein mit dieser Station in wärmeaufnehmender Berührung stehendes Mittel zurückgeführt wird, wobei das Arbeitsmittel in der Sorptionsstation in einer Mischung mit einem Sorptionsmittel enthalten ist, welche Mischung zwischen der Sorptionsstation und einer Trenn- oder Abscheidestation, in der das Arbeitsmittel aus der Mischung austritt, um erneut in Flüssigkeitsphase der Verdampfungsstation zugeführt zu werden, umgewälzt wird, sind zweckmässig die Bestandteile der Mischung in Bezug auf eine die Abscheidestation in zwei Zonen aufteilende halbdurchlässige Membran derart gewählt, dass, wenn die an Arbeitsmittel reiche Mischung nach Drucksteigerung entlang der Membran in der einen Zone geleitet wird, im wesentlichen nur das Arbeitsmittel unter umgekehrter Osmose durch die Membran zu der anderen Zone hindurchdringt und dann in flüssiger Form zur Verdampfungsstation geht, während die an Arbeitsmittel arme Mischung nach Drucksenkung zur Sorptionsstation zurückgeht. Zwecks Minderung des Druckgefälles zwischen den beiden Seiten der halbdurchlässigen Membran in der Abscheidestation ist es oft vorteilhaft, dass die Abscheidung des Arbeitsmittels von der Mischung der beiden Mittel in mehr als einer, mit eigener halbdurchlässiger Membran ausgerüsteten Stufen durchgeführt wird, wobei in einer nachfolgenden Stufe eine Mischung der beiden Mittel zur Umwälzung in einem geschlossenen Kreis an der eigenen Membran und der der vorhergehenden Stufe vorbei gebracht wird und wobei die■Konzentration der Mischung allmählich in der oder den nachfolgenden Stufen abnimmt..

Eine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignete Vorrichtung bei einem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen umgewälzt wird, wobei der Kreis eine Verdampfungsstation für das Arbeitsmittel, eine Sorptionsstation, in der das Arbeitsmittel von einem Sorptionsmittel absorbiert wird, das seinerseits in einem Kreis

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zwischen der Sorptionsstati·: η und einer in den Kreis eingeschalteten Abscheidestation umgewälzt wird, und diese Abscheidestation, in der das Arbeitsmittel von dem Sorptionsmittel abgeschieden wird, enthält, v/eist in ihrer Abscheidestation mindestens eine, vorteilhaft mehrere halbdurchlässige Membranen auf, über die die Mischung von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel mit Hilfe eines vor der Abscheidestation vorgesehenen Druckerzeugers vorbeizugehen gebracht wird. Dieser Druckerzeuger ist vorteilhaft eine zwischen der Sorptionsstation und der Abscheidestation vorgesehene Pumpe, zweckmässig in der Form einer Verdrängungspumpe der Doppelschraubenbauart, mit der in einer Rückleitung eine Turbine zur Rückgewinnung der in dem Rücklaufmittel aus der Abscheidestation verbliebenen Druckenergie gekuppelt sein kann. Bei dieser Vorrichtung ist die Verdampfungsstation vorteilhaft in eine Umgebung verlegt, in der eine Bindung von Wärme aus dieser Station stattfinden kann, was bedeutet, dass die Vorrichtung als Wärmepumpe arbeitet. Bei dieser Ausgestaltung enthält die Vorrichtung zweckmässig einen in der Abscheidestation vorgesehen Wärmeaustauscher für Aufnahme von Wärme, die beim Uebergang des Arbeitsmittels aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase abgegeben wird, wobei dieser Wärmeaustauscher von einem Mittel durchstrichen wird, dass zur Beheizung von Räumen eines Gebäudes o.dgl. benutzt wird.

Zwecks Anpassung an geänderte Betriebsbedingungen infolge Änderungen der Temperaturen und/oder Drücke in dem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis umgewälzt wird, in dem es sich unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeitsphase, in Gasphase und in einer flüssigen Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstation und einer Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird, kann gemäss einer besonders zweckmässigen Abwandlung des Systems ein grösserer oder kleinerer Teil des im System umgewälzten Arbeitsmittels in einen Speicher überführt und. dadurch unwirksam gemacht werden. Bei einer hier-

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für besonders beeigneten Verrichtung, bei der ein Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreis umgewälzt wird, in dem es sich unter ungleichem Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeitsphase, in Gasphase und in einer flüssigen Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstätion und einer Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird, ist an einer Verdampferstation für das Arbeitsmittel ein Speicher mittels Leitungen, die mit dem Kreis an zwei Stellen mit verschiedenem Druck bzw. ungleicher Phase des Arbeitsmittels ' in Verbindung stehen, angeschlossen, wobei in jeder der beiden Leitungen ein Absperrglied vorgesehen sein kann.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf ein in den anliegenden Zeichnungen grundsätzlich und mit einigen denkbaren Abwandlungen dargestellte Ausführung näher beschrieben werden, und dabei sollen auch weitere, die Erfindung kennzeichnende Eigenschaften angegeben werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen Aufbau des Systems gemäss dem Leitgedanken der Erfindung bei Anwendung zur Beheizung eines Gebäudes,

Fig. 2 eine Zweistuf en-\Ausführung für die in der Fig. 1 gezeigte Äbscheideeinheit,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausfuhrungsform der dem System zugehörigen Pumpeneinheit, und

Fig. M eine gegenüber der Fig. 1 abgeänderte Ausführungsform des Verdampferteils.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, umfasst das System gemäss der Erfindung eine Wärmepumpe oder -maschine, die von dem links in der Figur dargestellten, geschlossenen Kreislauf gebildet ist. Das "in dem System umgewälzte Arbeitsmittel

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wird dazu gebracht, durch eine Verdampfereinheit 10, eine Absorbereinheit 12, ein Pumpsystem 14 und eine Trenn- oder Abscheideeinheit 16 zu strömen. Zu dem System gehört auch ein Absorptionsmittel, das zusammen mit dem Arbeitsmittel zwischen der Absorbereinhei-t 12 und der Abscheideeinheit 16 umgewälzt wird. Das Absorptionsmittel geht durch die Absorbereinheit unter einem niedrigen Druck P_n hindurch und nimmt dabei das aus der Verdampfereinheit 10 kommende, in Gasform befindliche Arbeitsmittel auf. Aus der Absorbereinheit wird die Mischung von Absorptionsmittel und Arbeitsmittel mittels einer Pumpe 18, die von einem Motor 20 angetrieben wird, abgesaugt. Durch die Pumpwirkung wird die Mischung zum Durchgang durch die Abscheideeinheit 16 gebracht. Diese Einheit umfasst ein druckfestes Gehäuse 22, in das eine oder mehrere, halbdurchlässige Häute oder Membrane 24 eingesetzt sind. Diese grenzen zwei Druckzonen im Abscheider voneinander ab, und zwar eine Hochdruckszone auf der Pumpenseite der Abscheideeinheit, in der ein Druck P, herrscht, und eine Niederdruckzone, in der ein niedrigerer, jedoch fortdauernd hoher Druck herrscht. Während des Vorbeiströmens längs der halbdurchlässigen Häute oder Membranen verliert die Mischung einen Teil ihres Gehalts an Arbeitsmittel dadurch, dass dieses durch die Häute oder Membranen in die Niederdruckzone ausdiffundiert. Diese Zone ist durch eine Leitung 26 mit der Verdampfereinheit 10 verbunden. Die auf der Hochdruckseite zurückbleibende Mischung wird zum Durchgang durch eine druckmindernde Einrichtung 28 gebracht, in welcher der Druck auf einen Stand P„ herabgesetzt wird, wonach die Mischung bei diesem niedrigen Druck in die Absorbereinheit 12 eingeführt wird. Die druckmindernde Einrichtung ist vorzugsweise als Motor oder Turbine ausgeformt, die so ausgestaltet ist, dass sie den Hauptteil der Druckenergie der in der Hochdruckzone konzentrierten Lösung in mechanische Arbeit umformt, die ihrerseits der Pumpe 18 zugeführt wird, wie schematisch bei 30 angezeigt ist.

Auf der Niederdruckseite der halbdurchlässigen Häute oder Membranen befindet sich das Arbeitsmittel weiterhin in

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Flüssigkeitsform und hat einen Druck P^, der bei oder nur unbedeutend über dem Sättigungsdruck des Arbeitsmittels bei der Temperatur liegt, die es während seines Strömens zu einem und Durchgang durch ein zwischen der Leitung 2 6 und der Verdampfereinheit 3 2 eingeschaltetes Drosselglied 3 2 hat. Wenn das Arbeitsmittel zum Einströmen in den Verdampfer 10 durch das Drosselglied 3 2 hindurch -gebracht wird, so wird der Druck auf P^ gesenkt, wobei das Arbeitsmittel verdampft und Wärme aus der Umgebung, d.h. der "Wärmequelle" aufnimmt. Die "Wärmequelle" kann, wie bereits erwähnt, verbrauchtes Kühlwasser oder Luft aus einem industriellen Prozess sein, besteht aber insbesondere im Winter aus Binnenseewasser oder Aussenluft, sogar bei Aussentemperaturen unter 0 C. Das die "Wärmequelle" bildende Mittel durchströmt den Verdampfer, wie durch den Pfeil 34 angezeigt ist. Die Verdampfereinheit 10 ist in üblicher Weise zwecks Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche mit Rippen 3 6 ausgestattet. Vor dem Verdampfer 10 wird das Arbeitsmittel zu dem Absorber 12 geleitet, wo es auf die in dem Abscheider 16 angereicherte Mischung trifft und von dieser absorbiert wird. Das von dem Verdampfer 10 kommende Gas wird in der Nähe des Bodens der Absorbereinheit beispielsweise durch ein gelöchertes Rohr 3 8 eingeleitet, derart, dass >?.s in Bläschenform durch die Lösung aufsteigt. Bei der Kondensierung wird Wärme entwickelt, u.a. wird hier die dem Verdampfer zugeführte Wärme abgegeben und dadurch verwertet, wie beispielsweise in der Fig. 1 gezeigt ist, dass eine Rohrschlange 40 in die Flüssigkeit in der Absorptionseinheit verlegt ist. Die Rohrschlange 40 bildet einen Teil eines Umwälzungssystems, das in dem dargestellten Beispiel eine Heizanlage für ein Gebäude 42 ist. Von einem Heizkörper 44 in dem Gebäude 42 wird ein nutzbares Mittel, wie durch den Pfeil 46 angedeutet, der Rohrschlange 40 zugeleitet und durch die von dem Arbeitsmittel abgegebene Wärme erwärmt, wonach das erwärmte nutzbare Mittel, wie durch den Pfeil 48 angezeigt, zu dem Heizkörper 44 in dem Gebäude 42 zurückgeleitet wird. Das Heizkörpersystem kann beispielsweise zur Erwärmung in dem Gebäude umgewälzter Luft "diesen, wie schematisch mit dem'Pfeil 50 angedeutet ist.

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Als Arbeitsmittel in der in der Fig. 1 gezeigten Wärmemaschine kann Wasser in Betracht kommen; jedoch sind mit Rücksicht darauf, dass die Verdampfurgstemperatur so niedrig sein kann, dass für Wasser die Gefahr des Gefrierens vorliegen kann, andere Arbeitsmittel, wie beispielsweise Ammoniak, vorzuziehen. Bei Verwendung von Wasser kann als Absorptionsmittel beispielsweise Ethylenglykol oder ein Salz, wie Lithiumchlorid, zur Anwendung kommen. Als Absorptionsmittel für Ammoniak kann beispielsweise Lithiumnitrat dienen. Insbesondere ist zu beachten, dass ein höheres Molekulargewicht des Absorptionsmittels eine grössere Treibkraft in der Abscheidestation der Maschine ergibt. Wenn man eine Verdampfungstemperatur von -30 C für das Ammoniak wünscht, muss der Druck im Verdampfer unter 1,5 Bar liegen. Der Druck P„ wird dadurch bestimmt, dass sich das Arbeitsmittel im Abscheider und während des weiteren Durchgangs bis zum Drosselglied 32, das ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr sein kann, in Flüssigkeitsphase befinden muss. Sollte nämlich das Arbeitsmittel ganz oder teilweise vor dem Drosselglied 3 2 verdampft werden, würde Verdampfungswärme der Umgebung dort entnommen werden, wo dies nicht vorgesehen ist. Deswegen muss der Druck P„ mindestens so hoch sein, wie dem Kondensationsdruck bei dem zu dem Drosselglied 3 2 hin strömenden Arbeitsmittel bei der höchsten Temperatur entspricht, die es auf dem Wege vom Abscheider zur Drosseleinrichtung 3 2 hat. Nimmt man beispielsweise an, dass diese Temperatur -30 C sein soll, muss der Druck P„ bei Ammoniak als Arbeitsmittel wenigstens ungefähr 12 Bar sein.

Der Druck P-, in der Hochdrucks zone der Abscheideeinheit ist von einer Reihe von Umständen abhängig. Je grosser das Gewichtsverhältnis zwischen dem Absorptionsmittel und dem Kältemittel ist, desto grösserer Druck ist zur Bewirkung der umgekehrten Osmose erforderlich. Bei Verwendung von Lithiumnitrat als Absorptionsmittel darf das Gewichtsverhältnis 3:1 nicht wesentlich überschritten werden. Bei höheren Konzentra·

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tlonen droht die Gefahr einer Uebersättigung und von Kristallfällung, Eine Mischung hoher Konzentration von Ammoniak und Lithiumnitrat kann Druckunterschiede P-, — Pp von 200 bis 400 Bar und mehr erforderlich machen. Dieser für die Abscheidung notwendige Druck wird bei der in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsform von einer Haut oder Membran in einer Stufe aufgenommen. Um das Druckgefälle über jede Haut oder Membran zu verringern, kann man sich eine Aufteilung der Abscheidung auf mehrere Stufen denken. Die Fig. 2 zeigt ein zweistufiges Verfahren, wobei die von der Absorbereinheit kommende Flüssigkeltsmischung oder -lösung durch eine Leitung 52 zu einer halbdurchlässigen Membran gelangt, die in einem dr.uckfe.sten Gehäuse 56 eingeschlossen ist. Beim Vorbeiströmen an der Tiembran wird"die Mischung von Absorptionsmittel und Arbeitsmittel dadurch höher konzentriert, dass letzteres zum grösseren Teil durch die Membran 5^- hindurchgeht und dadurch In einen Sekundärkreis gelangt, der über eine Leitung 58 mit einer weiteren halbdurchlässigen, in einem druckfesten Gehäuse 62 eingeschlossenen Membran 60 verbunden 1st. Die konzentrierte Mischung aus dem Primärkreis der ersten Abscheidestufe verlässt diese Stufe durch eine Leitung 64. Das Arbeitsmittel, das durch die halbdurchlässig^ Membran 60 in der zweiten Abscheidestufe hindurchgegangen ist, wird wie bei der Ausführungsform gemäss der Fig. 1 durch die Leitung 26 zu dem Verdampferteil 10 in dem geschlossenen Kreislauf geleitet. Die konzentrierte Mischung.von Absorptionsmittel und Arbeitsmittel wird aus der zweiten Abscheidestufe zu der ersten durch eine Leitung 66 zurückgeführt, in die eine Pumpe 68 eingeschaltet Ist, durch die eine richtige Umwälzung In dem Sekundärkreis der ersten Abscheidestufe aufrechterhalten wird. Wenn beispielsweise der die von dem Absorber Über die Pumpe 18 kommende Flüssigkeit beaufschlagende Druck 400 Bar beträgt und der das über die Leitung 26 zurückgeführte Arbeitsmittel 12 *jar, liesrt der Druck Im Sekundärkreis 58, 66 zwischen diesen beiden Werten

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und besteht die Flüssigkeit in dem Sekundärkreis aus einer Mischung von Arbeitsmittel und Absorptionsmittel, bei der die Konzentration an Arbeitsmittel ebenfalls zwischen den rferten für die durch die Leitung 52 eintretende Mischung und das reine Arbeitsmittel liegt. In der Fig. ?. igt der Sekundärkreis 58, 66 in der oberen oder ersten Abscheidestufe an die Niederdruckseite angeschlossen, während derselbe Sekundärkreis in der unteren oder zweiten Abscheidestufe die Hochdruckseite bildet. Der Sekundärkreis 58, 66 ist über eine Leitung 5? und ein Ventil 59 an den Primärkreis 52, 6^t- an dessen Hiederdrucksseite angeschlossen. Durch diesen Anschluss erhält man die Möglichkeit, beim Füllen des Systems den Kreis 58, 65 mit einer richtig bemessenen Flüssigkeitsmenge zu versehen. Das Ventil 59 hat eine eingebaute Sicherheitssperre gegen Ueberdruck im Kreis 58, Bei einem im voraus bestimmten Ueberdruck öffnet sich das Sicherheitsglied und bewirkt eine Senkung des Drucks in dem Kreis.

Selbstverständlich kann man, wenn man es für notwendig erachtet, im liahmen der Erfindung den Druck in noch mehr Stufen aufteilen, um das Druckgefälle in jeder einzelnen Stufe zu verringern.

Die vorstehend angegebenen hohen Werte für die Drücke und Druckgefälle erfordern auch eine verhältnismässig grosse Pumparbeit. Aus diesem Grunde ist die aufgezeigte Rückgewinnung eines Teils der der Flüssigkeitsmischung zugeführten Energie in der Turbine 28 von grosser Bedeutung. Die Pumparbeit ist jedoch nicht nur von dem Druck abhängig, sondern auch von d.er Menge an Flüssigkeit, die von dem Druck Pq auf den Druck P, hochgepumpt werden soll, und diese Menge beruht ihrerseits darauf, welche Konzentrationssteigerung in der Abscheideeinheit 16 zustande gebracht v/ird. Eine massige Konzentrationssteigerung erfordert grosse Flüssigkeit sströme durch die Pumpe 18, hat jedoch andererseits

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zur Folge, dass die Abmesrungen der Abscheideeinheit 16 klein gehalten werden kön en. Die Pximpe 18 und die Turbine 28 können jede beliebige Bauart aufweisen, die für die im Einzelfall notwendigen Druckunterschiede geeignet ist. Sogenannte Doppelschraubenanlagen der Verdrängungsbauart sind anscheinend besonders vorteilhaft. Bei grossen Druckunterschieden können auch erhebliche Axialkräfte auftreten, die schwer lösbare Lagerungsprobleme schaffen. Diese lassen sich jedoch dadurch ausschalten, dass man gemäss der Erfindung die Pumpe 18 und die Turbine 28 so anordnet, wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist. Die Schrauben in der Pumpe 18 und die Turbine 28 sitzen hierbei auf einer gemeinsamen Welle-, und die Flüssigkeit wird in der Pumpe bzw. der Turbine in verschiedene Richtungen geleitet, derart, dass die Axialkräfte an der Pumpe und der Turbine in einander entgegengesetzten Richtungen wirken, so dass die Lager entlastet werden. Hierbei sind die Pumpe 18 und die Turbine 28 zweckmässig in einem gemeinsamen Gehäuse 67 untergebracht und sind die zwei Stufen im Innern des Gehäuses mittels 'einer Dichtungswand 69 voneinander getrennt. Auf dieser Weise lassen sich die Axialkräfte gegeneinander auswuchten, so dass überhaupt keine oder jedenfalls nur unbedeutende Axialkräfte zu dem Gehäuse überführt zu werden brauchen. Bei der Bemessung der Schrauben muss man zur Erzielung bestmöglicher Entlastung mitberücksichtigen, dass die Flüssigkeitsmenge und der Druck in der Turbine 28 etwas kleiner sind als in der Pumpe 18. Je nachdem, wie weit die Konzentration in der Abscheideeinheit 16 vorangetrieben wird, kann die Flüssigkeitsmenge einige wenige von 10 - 20 Prozent kleiner sein. Wegen des Reibungsdruckgefälles in der Abscheideeinheit 16 kann der Druck am Einlass der Turbine 28 etwas niedriger sein als am Auslass der Pumpe 18. Um bei wechselnden Betriebsbedingungen, beispielsweise wenn die in der Abscheideeinheit 16 zustande gebrachte Konzentration bei verschiedenen Betriebsfällen ungleich, weit getrieben wird, die bestmögliche Rückgewinnung zu erzielen, kann es vorteilhaft sein, die Drehzahlen der Pumpe 18 und der Turbine 28 zueinander ändern zu können.

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Zu diesem Zweck kann, v/ie in der Fig. 3 veranschaulicht, ein umschaltbares Getriebegehäuse 70 zwischen der Pumpe 18 und der Turbine 28 vorgesehen sein, die dann ihrerseits in je einem gesonderten Gehäuse 72 bzw. 74 untergebracht sind, v/obei die Pumpe 18 in derselben Weise wie bei der Ausführung gemäar» dor Fig. 1 von dem Motor 20 angetrieben wird.

Um das System an verschiedenartige Betriebsbedingungen anzupassen, kann es auch in der in der Fig. 4 veranschaulichten Weise abgewandelt v/erden. V/ie aus dieser Figur, die einen Teil der Leitung 26 von der Abscheideeinheit 16 zur Expansionseinrichtung 32 und die Verdampfereinheit 10 zeigt, ersichtlich, ist ein Vorratsbehälter oder Speicher 76 vorgesehen, der über Absperrventile 78, 80 mittels Leitungen 82, 84 beidseitig des Expansionsventils 32 an die Leitung 26 angeschlossen ist. Durch Öffnen des Ventils 80 und Geschlossenhalten des Ventils 78 kann dem System mehr Arbeitsmittel zugeführt werden. Andererseits wird, wenn das Ventil 8 0 geschlossen und das Ventil 78 geöffnet sind, Arbeitsmittel aus dem System entfernt. In dieser V/eise lässt sich die Menge Arbeitsmittel im Verhältnis zur Menge Absorptionsmittel verändern, so dass sich das gegenseitige Verhältnis dieser Mittel zueinander verschiedenen Betriebsfällen, wie ungleichen Verdampfungstemperaturen und/oder ungleichen Temperaturen des Arbeitsmittels in der Absorbereinheit anpassen lässt. Bei ununterbrochenem Betrieb unter vorgegebenen Bedingungen müssen selbstverständlich beide Ventile 78, 80 geschlossen sein.

Bei dem Abscheideverlauf kann man selbstverständlich nicht die Möglichkeit ausschliessen, dass kleine Mengen von Absorptionsmittel durch die halbdurchlässigen Häute oder Membranen hindurchdringen und dem Arbeitsmittel auf dessen Weg zu dem und durch das Drosselglied 32 hindurch mitfolien. Deswegen ist es wichtig, dass das Drosselglied 32 und die Verdampfereinheit 10 der Absorbereinheit gegenüber so angeordnet werden, dass solchem mitfolgenden Absorptionsmittel,

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das ja in dem Verdampfer "picht in Gasphase gebracht werden kann, eine Möglichkeit bereitet wird, die Absorbereinheit zu erreichen, ohne sich in dem Absorber in nennenswerten Mengen zu sammeln. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass der Verdampfereinheit 10 eine höhere Lage als dem Absorbereinheit 12 gegeben und sie mit letzterer durch ein Rohr 37 verbunden wird, das ein für Abfluss geeignetes Gefälle aufweist.

Es leuchtet ohne weiteres ein, dass die gezeigten Ausführungen nur Beispiele für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens darstellen, und dass Abänderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dass man damit den Rahmen der Erfindung verlässt. So'kann beispielsweise die Verdampfereinheit 10, die in den Zeichnungsfiguren als mit Rippen ausgerüstete Rohrschlange dargestellt ist, wie sie sich insbesondere dann eignet, wenn die "Wärmequelle" Luft oder ein anderes gasförmiges Mittel ist, eineandere Ausgestaltung haben, vor allem dann, wenn die "Wärmequelle" eine Flüssigkeit oder ein anderes dichteres Mittel ist. Auch die Abscheideeinheit 16, die schematisch als eine Hülle oder ein Gehäuse dargestellt ist, durch das ein vorzugsweise poröses Rohr hindurchgeht, das den Träger für die halbdurchlässige Haut oder Membran bildet und durch das die Mischung von Absorptionsmittel und Arbeitsmittel hindurchfliesst, kann selbstverständlich auch in anderer Weise ausgeführt sein. Es ist somit möglich, eine Mehrzahl zueinander parallel gekoppelter Rohre oder ähnlichartiger Einrichtungen an sich bekannter Bauart anzuwenden, um eine für das ,jeweils in Rede stehende System ausreichende Abscheidefähiftkeit zu erhalten.

Mit einem Sorptionsprozess der vorbeschriebenen Art lässt sich eine wesentliche Verringerung des Energiebedarfs gegenüber herkömmlichen Verfahren dieser Art erzielen, und zwar grundsätzlich dadurch, dass man sich zur Herbeiführung der Ab s ehe idling des Arbeitsmittels und des Sorptionsmittels voneinander bei dem System gemäss der Erfindung der umgekehrten Osmose bedient. Bei einem^:solchen System oder

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Verfahren v;ird auch die lebensdauer der halbdurchlässigen Häute oder Membranen sehr gross, v/eil man bei einem derartigen geschlossenen Prozess keine Verunreinigungen von aussen zuführt. Dies bedeutet sonst ein schwerlösliches Problem bei bekannten, offenen Systemen, wo umgekehrte Osmose zur Herbeiführung einer Abscheidung, beispielsweise bei der Entsalzung von Meereswasser, zur Anwendung kommt.

Das gezeigte System ist vorzugsweise als zur Erzeugung von V/arm β nach Massgabe des V/ärmepumpenprinzips beschrieben worden, aber es dürfte ohne weiteres einleuchten, dass die Erfindung hierauf nicht begrenzt ist, sondern dass das System sich auch zur Kälteerzeugung einsetzen lässt, v/obei dann die Verdampfereinheit 10 in üblicher Weise in dem Raum untergebracht wird, wo man eine Temperatursenkung herbeizuführen wünscht.

- Patentansprüche -

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Leerseife

Claims

Dipl. !-g. H. Hauck Dip). Ph« Aktiebolaget Carl Munters po( r;> £_ ; Industrievägen 2 c"ir'£ ln,':;'\7. \./«h, -.crt 23.12.1 976 47 Sollen tuna, Schweden D!pj. pu.^-. Vv. Cai-sLen? Anwaltsakte M-4150 Patentansprüche

1.) Verfahren bei einem geschlossenen Sorptionsprosess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis υ η-^e wälzt wird, in welchem es sich unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeibsphase, in Gasphase'und in flüssiger Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstation und einer Trenn- oder Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird, dadurch g e kennze lehnet, dass die Abscheidung unter umgekehrter Osmose durch eine halbd\irchlässige Haut oder Membran durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die Mischung der für die Hervorbringung der umgekehrten Osmose erforderlichen Drucksteirerung mittels einer Fumpe zwischen den beiden Stationen unterworfen wird, und dass ein Teil der in dieser V/eise aufgewendeten Energie mittels einer mit der Pumpe zusammengeschalteten Turbine zurückgewonnen wird, venn die Mischung zur Sorptionsstation zurückgeht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel in flüssigem Zustand zugleich Träger bzw. Lösungsmittel für das Sorptionsmittel in der Mischung bildet, wenn diese v/ährend der Umwälzung mit niedriger Konzentration an Sorptionsmittel zur Abscheidestation strömt und bei hoher Konzentration an Sorptionsmittel zur Sorptionsstation zurückgeht.

4·. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ueberführung des Arbeitsmitbels aus der Flüssigkeitsphase in die Gasphase nach Druckherabsetzung in einer Verdampfungsstation durchgeführt wird, in der hierdurch eine Temper-atursenkung unter Bindung von V/arme aus der Umgebung stattfindet, wonach das gasförmige Arbeitsmittel zur Sorptionsstation zurückgeht.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Uebergang des gasförmigen Arbeitsmittels zwischen der Verd-impfungs- und der Sorptionsstation bei annähernd demselben Druck durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sorptionsstation beim Uebergang von der Gasphase in die Flüssigkeitsphase abgegebene Wärme von der Sorptionsstation mittels eines Wärmeaustauschers weggeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher von einem Mittel durchströmt wird, das zur Raumbeheizung ausgenutzt v/ird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer dazu gebracht v/ird, Wärme von einem ausserhalb des erwärmten Innern des beheizten Raumes befindlichen Mittel, wie der Aussenluft, aufzunehmen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess zur Erzeugung von Kälte benutzt v/ird.

10. Verfahren bei einem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel aus flüssigem in gasförmigen Zustand in einer Verdampfungsstation unter Bindung von Wärme aus einem mit dieser Station in wärmeleitender Berührung stehenden Mittel überführt und danach v/i ed er in einer Sorptionsstation in flüssige Phase unter Abgabe von Wärme an ein mit dieser Station in wärmeaufnehmender Berührung stehendes Mittel zurückgeführt v/ird, v/ob ei das Arbeitsmittel in der Sorptionsstation in einer Mischung mit einem Sorptionsmittel enthalte., ist, welche Mischung zwischen der Sorptionsstation und einer Trenn- oder Abscheidestation, in der das Arbeitsmittel aus der Mischung austritt, um erneut in Flüssigkeitsphase der Verdampfungsstation zugeführt zu werden, umgewälzt v/ird,

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d a d u r c Ji g e k e η η zeichnet, dass die Bestandteile der Mischung in Bezug auf eine die Abscheidestation in zwei Zonen aufteilende halbdurchlässige Membran derart gewählt- sind, dass, wenn die an Arbeitsmittel reiche Mischung nach Drucksteigerung entlang der Membran in der einen Zone geleitet wird, im wesentlichen nur das Arbeitsmittel unter umgekehrter Osmose durch die Membran zu der anderen Zone hindurchdringt und dann in flüssiger Form zur 'Verdampfungsstation geht, während die an Arbeitsmittel arme Mischung nach Drucksenkung zur Sorptionsstation zurückgeht.

11.. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung des Arbeitsmittels von der Mischung der beiden Mittel in mehr als einer, mit eigener halbdurchlässiger Membran ausgerüsteten Stufen durchgeführt wird, wobei in einer nachfolgenden Stufe eine Mischung der beiden Mittel zur Umwälzung in einem geschlossenen Kreis an der eigenen Membran und der der vorhergehenden Stufe vorbei gebracht wird und wobei die Konzentration der Mischung allmählich in der oder den nachfolgenden Stufen abnimmt..

12. Verfahren bei einem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis umgewälzt wird, in dem es sich unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeitsphase, in Gasphase und in einer flüssigen Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstation und einer Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass für Anpassung an verschiedenartige Betriebsbedingungen ein grösserer oder kleinerer Teil des im System umgewälzten Arbeitsmittels in einen Speicher überführt und dadurch unwirksam gemacht wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die veränderliche Ueberführung von Arbeitsmittel zum Speicher durch Ausnutzung beim Uebergang des Arbeitsmittels von Flüssigkeitsphase zu Gasphase oder umgekehrt geschaffene Druck- bzw. Partialdruckdxfferenz bev/irkt wird.

14. Vorrichtung Z¹Ir Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 12 und 15, bei der ein Arbeitsmittel in einem geschlossenen Kreis umgewälzt wird, in dem es sich unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen nacheinander in Flüssigkeitsphase, in Gasphase und in einer flüssigen Mischung mit einem Sorptionsmittel befindet, das seinerseits in einem Kreis zwischen einer Sorptionsstation und einer Abscheidestation für das Arbeitsmittel umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Kreis (52, 64) an einer Verdampferstation (10) für das Arbeitsmittel ein Speicher (76) mittels Leitungen (82, 84), die mit dem Kreis an zwei Stellen mit verschiedenem Druck bzw. ungleicher Phase des Arbeitsmittels in Verbindung stehen, angeschlossen ist.

15· Vorrichtung-nach Anspruch 14, dadurch g e kennzeinet, dass in jeder der beiden Leitungen (82, 84) ein Absperrglied (78 bzw. 80) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (82, 84) in den Kreis (26) beidseitig eines in dem Kreis angebrachten Drosselgliedes (32) münden.

17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-11 bei einem geschlossenen Sorptionsprozess, in dem ein Arbeitsmittel in einem Kreis unter ungleichen Drücken und bei verschiedenen Temperaturen umgewälzt wird,

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wobei der Kreis eine Verdampfungstation für das Arbeitsmittel, eine Sorptionssta^.ion, in der das Arbeitsmittel von einem Sorptionsmittel absorbierb wird,"das seinerseits in einem Kreis zwischen der Sorptionsstnfcion und einer in den Kreis eingeschalteten Abscheidestation umgewälzt v/ird, und diese Abscheidestation, in der das Arbeitsmittel von dem Sorptionsmittel abgeschieden wird, enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidesbation (16) mindestens eine halbdurchlässig Membran (24-) enthält, über die die Mischung von Arbeitsmittel und Sorptionsmittel mit Hilfe eines vor der Abscheidestation (16) vorgesehenen Druckerzeugers (18) vorbeizugehen gebracht v/ird.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger eine zwischen der Sorptionsstation (12) und der Abscheidestation (16) vorgesehene Pumpe (18) enthält, und dass in einer Rückleitung (26) eine mit der Pumpe (18) gekuppelte Turbine (28) zur Rückgewinnung der in dem Rücklaufmii;tel aus der Abscheidesbation (16) verbliebenen Druckenergie angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (18) die Form einer Verdrängungspumpe der Doppelschraubcnbauart hat.

20. Vorrichtung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungsstation (10) in eine Umgebung verlegt ist, in der eine Bindung von Wärme aus dieser Station stattfinden kann.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17-20, gekennzeichnet durch einen in der Abscheidestation

(12) vorgesehenen Wärmeaustauscher (38, 40) für Aufnahme von V.'ärme, die beim Ueberg'inr des Arbeit ."mit fc«l s aus der Gasphase in die Flüssigkeitsphase abgegeben wird, wobei dieser Wärmeaustauscher von einem Mittel durchstrichen wird, dass zur Beheizung von Räumen eines Gebäudes o.dr:!. benutzt wird.

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22. Vorrichtung nach ein·'in der Ansprüche 17 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestation (16) eine oder mehrere zusätzliche halbdurchlässige Membranen (60) enthält, über die das durch die in jedem Einzelfall vorhergehende Membran (5^) hindurchgegangene Arbeitsmittel geleitet wird, wobei das Arbeitsmittel, das durch die letzte Membran (60) hindurchgegangen ist, in den Kreis (26) zurückgeführt wird.

23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (18) und die Turbine (28) so angeordnet sind, dass sie zur Ausgleichung der Axialkräfte von den hindurchströmenden Mitteln in zwei einander entgegenwirkenden Richtungen belastet werden.

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