DE2749243C3 - Absorpüons-Kälteaggregat - Google Patents

Description

Im folgenden werden Probleme behandelt, die beim Einsatz eines mit Hilfsgas betriebenen Absorptions-Külilschrankes in Fahrzeugen auftreten können. Bei diesem Verwendungszweck wird der fcstinstallierte Kühlschrank in einzelnen Fällen über längere Zeit mit einem Neigungswinkel betrieben, welcher die von der geometrischen Konzeption des Kälteaggregates gegebene Grenze überschreitet. Dadurch können im Bereich der Thermosiphonpumpe, welche den Antrieb des Flüssigkeitskreislaufes besorgt, abnormale Erscheinungen auftreten. Die Ursache davon ist, daß bei starker Neigung des Aggregates große Mengen von Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf aufgestaut werden. Dadurch sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Sammler dermaßen, daß der Vordruck der Thermosiphonpumpe nicht mehr ausreichend zur Flüssigkeitsförderuiig ist. Da jedoch im dampferzeugenden Bereich des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers weiterhin eine Dampferzeugung stattfindet, wird die Zusammensetzung der in diesem Bereich befindlichen Lösung erheblich verändert. In dieser Ausdampfphase erfolgt eine starke Anreicherung des nichtflüchtigen Korrosionsinhibitors und eine starke Verarmung an leichtflüchtigem Kältemittel. Bei konventioneller Entnahme und Zuführung der kältemittelreichen Lösung vom Sammler zur Pumpe, werden große Mengen der Lösung, die sich im Sammler befinden, vom Ausdampfprozeß betroffen. Die dabei entstehende Lösungverbleibt dabei größtenteils im Vorlauf des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers. Nach dem Nivellieren des Aggregates gelangt somit eine Lösung in den Ansaugbereich der Thermosiphonpumpe, die aufgrund ihrer abnormalen Zustandsgrößen (u. a. hoher Siedepunkt und hohes spezifisches Gewicht) keine Pumpwirkung hervorruft. Somit findet auch keine Kühlung mehr statt. In der vorliegenden Erfindung wird eine neuartige Ausführung beschrieben, durch welche die vorerläuterten negativen Folgen, die beim Betreiben eines Absorptions-Kälteaggregates mit starker Neigung entstehen, vermieden werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Absorptions-Kälteaggregat, insbesondere für Kühlschränke in Fahrzeugen, dessen Lösung einen Korrosionsinhibitor enthält.

Aufgrund der möglichen Betriebsarten von Absorptions-Kälteaggregaten (elektrische Beheizung oder Beheizung durch Verbrennung von gasförmigen odei flüssigen Brennstoffen) findet dieser Kühlschranktyp eine weitverbreitete Anwendung in Land- und Wasserfahrzeugen.

Beim Einsatz von festinstalüerten Absorptions-Kälteaggregaten in Fahrzeugen, können Neigungen des Aggregates gegenüber der Vertikalen auftreten, welche die Neigung der flüssigkeitsführenden Rohre gegenüber der Horizontalen überschreiten. Dabei erfolgt eine nennenswerte Aufstauung von Flüssigkeit im Flüssigkeitskreislauf außerhalb des Sammlers 11, wodurch der Flüssigkeitsspiegel 12 absinkt (Fig. 1). Zudem kann sich die Höhenlage des unteren Endes 25 der Thermosiphonpumpe bezüglich des ursprünglichen Flüssigkeitsspiegels 12 verändern. Die Neigung des Kühlschrankes hat mit anderen Worten eine Veränderung der Eintauchtiefe der Pumpe zur Folge. Der maximale Neigungswinkel, bei welchem die Thermosiphonpumpe gerade noch in der Lage ist, Flüssigkeit zu pumpen, sei im folgenden als »zulässige Neigung« bezeichnet. Wird die zulässige Neigung des Kühlschrankes überschritten, so ist die Pumpe nicht mehr minimal eingetaucht, und es wird aus ihr nur noch ein Dampfgemisch aus Kälte- und Lösungsmitteln ausgetrieben. Dadurch erfolgt eine erhebliche Anreicherung des Korrosionsinhibitors in der zurückbleibenden Lösung, was zu einer nennenswerten Erhöhung ihres spezifischen Gewichtes führt. Infolgedessen sinkt die betreffende Lösung an den tiefsten Punkt des Vorlaufes 13 und wird durch nachströmende reiche Lösung ersetzt, welche wieder dem gleichen Auskochprozeß unterliegt. Wird das Aggregat über längere Zeit mit unzulässiger Neigung betrieben, befindet sich im gesamten Verlauf eine Lösung mit

Telativ niedrigem Kältemittelgehalt und extrem hohem Inhibitorgehalt. Diese Lösung hat somit einen gegenüber normalen Verhältnissen hohen Siedepunkt und ein hohes spezifisches Gewicht. Dl;se beiden Zustandsgrößen können derartige Werte annehmen, daß auch nach Rückführung das Aggregat in eine normale Betriebslage die Förderwirkung der Pumpe ausbleibt. Die Hauptursachen dafür sind:

a) Die Differenz der Siedetemperaturen zwischen der armen Lösung im Kocher 1 und der Lösung, welche sich im dampferzeugenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 befindet, wird so klein, daß die Wärmeübertragung keine genügende Dampferzeugung zum Betrieb der Thermosiphonpumpe bewirkt.

b) Durch das hohe spezifische Gewicht der Lösung im Vorlauf liegt der kommunizierende Flüssigkeitsspiegel 21 im dampfbildenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers *iefer als der Flüssigkeitsspiegel 12 im FJüssigkeitssammler 11, was die Förderwirkung der Pumpe ebenfalls einschränken bzw. verhindern kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe der Schaffung eines Kühlaggregates zugrunde, welches selbst nach stundenlanger überkritischer Neigung nach deren Einstellen auf einen unterkritischen Wert unverzüglich wieder Kälte erzeugend betreibbar ist.

Erfindungsgemäß zeichnet sich ein derartiges Aggregat durch den Wortlauf des Anspruchs 1 aus.

Die Erfindung wird anschließend anhand einer Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kälteaggregates bisheriger Bauart,

Fig. 2 das Kälteaggregat analog Fig. 1, nach erfindungsgemäßer Ausführung.

Anhand der schematischen Darstellung in Fig. 1 wird die Wirkungsweise eines Zweitemperatur-Absorptionsaggregates moderner bekannter Bauart mit druckausgleichendem Hilfsgas kurz erläutert.

Dieses Aggregat umfaßt einen Kocher 1, in welchem der Kältemitteldampf ausgetrieben wird. Dieser Dampf gelangt durch eine Leitung 2 in einen Kondensator 3, wo er kondensiert. Das Kondensat fließt durch eine Vorkühlung 4 in einen Verdampferteil 5, wo es durch Kontakt mit dem in gleicher Richtung strömenden Hilfsgas unter Wärmeaufnahme verdunstet. Infolge des geringen Partialdruckes des Kältemittels im Hilfsgas erfolgt die Verdunstung im Verdampferteil 5 bei tiefer Temperatur. In einem anschließenden Gegenstromgas-Wärmeaustauscher 6 wird das an Kältemittel arme Hilfsgas durch Wärmeabgabe an das an Kältemittel reiche Hilfsgas auf annähernd die Temperatur des Verdampferteils 5 abgekühlt. In hinein Verdampferteil 7 erfolgt die Verdunstung des restlichen Kältemittels in das angereicherte Hilfsgas, 'nfolye des angestiegenen Partialdruckes des Kältemittels iTi Hilfsgas erfolgt die Verdunstung in diesem Bereich bei einer höheren Temperatur. Ein anschließender Gegenstromgas-Wärmuaustauscher 8 hat die Aufgabe, das aus dem Absorber kommende kältemittelarme Hilfsgas abzukühlen. Das kältemittelreiche Gas gelangt anschließend in einen Absorber 9, wo es in Kontakt mit der im Gegenstrom fließenden kältemittelarmen Lösung aus dem Kocher 1 gelangt. Hierbei wird das dampfförmige Kältemittel durch Absorption in das Lösungsmittel dem Hilfsgas entzogen. Das kältemittelarme Hilfsgas strömt nun durch einen Rohrbogen 10, welcher der Vorkühlung des kältemittelarmen Hilfsgases dient und durch die vorbeschriebenen Bauteile 8, 7 und 6 zum Verdampferteil 5, wo es erneut die Verdunstung des aus der Vorkühlung 4 kommenden Kältemittelkondensates bewirkt.

Die arme Lösung, welche aus dem Kocher 1 in den Oberteil des Absorbers 9 gelangt, fließt durch die mit einem bestimmten Gefalle versehene Rohrschlange in einen Sammelbehälter 11, welcher infolge seiner geometrischen Proportionen bei normalem Betriebszustand einen möglichst konstanten Flüssigkeitsspiegel 12 gewährleisten soll. Aus dem Sammler 11 gelangt die kältemittelreiche Lösung durch einen Vorlauf 13 des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers in ein dampfbildendes Ende 15 des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers. Im Gegenstrom dazu fließt in einem Rücklauf 14 des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers die heiße , kältemittelarme Lösung vom Kocher 1 zum oberen Ende 19 des Absorbes 9. Im dampfbildenden Teil des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15, welcher indirekt durch die Heizquelle 18des Kochers 1 beheizt wird, entsteht eine gewisse Menge Kältemitteldampf, welcher zum Antrieb einer Thermosiphonpumpe 16 dient. Der Betrag, um welchen das untere Ende 25 der Thermosiphonpumpe 16 unterhalb dem Flüssigkeitsspiegel 12 liegt, bezeichnet man als Eintauchtiefe. Erst ab einer bestimmten minimalen Eintauchtiefe ist die Thermosiphonpumpe 16 fähig, Flüssigkeit zu fördern. Diese minimale Eintauchtiefe hängt u. a. von der Dichte und der Viskosität der zu fördernden Flüssigkeit ab, der im dampfbildenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers erzeugenden Dampf menge und der Förderhöhe der Pumpe. Diese wird letztlich durch die Höhe des Absorbers 9 bestimmt.

Im kältemittelarmen Gas, welches aus dem Absorber 9 durch das Rohr 10 in die Gaswärmeaustauscher 8 bzw. 6 gelangt, wird ein gewisser Anteil dampfförmiger Lösung aus dem Absorber 9 mitgeführt. Dieser wird während der Abkühlung in den Gaswärmeaustauschern 8 bzw. 6 teilweise als Kondensator ausgefällt und gelangt durch Schwerkraft in die Leitung 20 und anschließend in den Vorratsbehälter 11.

Außer den bereits erwähnten Medien des Flüssigkeits- bzw. Gaskreislaufes, muß bei den allgemein verwendeten Stoffpaaren Ammoniak-Wasser bzw. Wasserstoff ein Korrosionsinhibitor zugegeben werden. Dieser besteht aus einem in der Flüssigkeit löslichen Salz.

ι Bei einem derart gebauten Aggregat treten bei längerer Schiefstellung die erläuterten Nachteile auf, welche ein Funktionieren eines wieder nivellierten Aggregates unmöglich machen können.

Zur Vermeidung der vorbeschriebenen nachhaltigen Störungen bei der neuerlichen Inbetriebnahme, welche beim Betrieb eines Absorptions-Kälteaggregates nach unzulässiger Neigung auftreten können, mußten neuartige konstruktive Abänderungen im Bereich des Flüssigkeitskreislaufes vorgenommen werden. Diese Neuerungen, von denen eine mögliche Variante in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, müssen folgende Aufgaben erfüllen:

- Es muß eine Speicherung der während der Auskochphase in dem dampfbildenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 anfallenden Lösung, welche sich durch einen sehr hohen Gehalt an antikorrosivem Inhibitor und relativ niedrigem Kältemittelanteil auszeichnet, mög-

lieh sein. Diese Speicherung muß außerhalb des Vorlaufes der reichen Lösung zur Pumpe liegen.

- Es muß zweckmäßig eine eindeutige Unterbrechung der Zufuhr von Lösung aus dem Sammler zur Pumpe stattfinden, wenn der Kühlschrank über den zulässigen Neigungswinkel geneigt wird.

- Es muß eine zeitlich verzögerte Rückführung der abgeschiedenen Lösung in den Lösungskreislauf stattfinden, nachdem der Kühlschrank wieder in eine normale Betriebslage zurückgeführt ist.

Die Funktionsweise dieses neuen Bauteils wird anhand der in Fig. 2 schematisch dargestellten, konstruktiven Lösung zur Verhinderung der Störung beschrieben. Dazu wird das dort dargestellte U-Rohr 22, 26, 27 in drei Bereiche aufgeteilt, weiche jeweils eine bestimmte Funktion ausüben. Ein Steigrohr 22 wird durch den sammlerseitigen Bereich des U-Rohres 22, 26, 27 dargestellt, welcher sich zwischen dem unteren Ende des Vorlaufes 24 und der Eintrittsöffnung für die Sammlerflüssigkeit 23 befindet. Unten anschließend ist ein Puffervolumen 26 vorgesehen, welches durch den Rohrteil zwischen den Punkten 24 und 28 dargestellt wird. Der oberhalb Punkt 28 anschließende Schenkel des U-Rohres dient der Kondensatrückleitung in das Puffervolumen 26. Der Vorlauf 13 des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 muß so angeordnet sein, daß bei jedem in der Praxis auftretenden Neigungswinkel des Kühlschrankes ein stetiges Gefälle vorhanden ist. Diese neue Anordnung funktioniert wie folgt:

Wird der Kühlschrank bei einem unzulässigen Neigungswinke! betrieben, staut sich nach kurzer Zeit eine erhebliche Menge Flüssigkeit in den flüssigkeitführenden Rohren. Dadurch sinkt der Flüssigkeitsspiegel 12 unterhalb die Eintrittsöffnung 23. Von diesem Moment an befindet sich nur noch das im U-Rohr befindliche Lösungsvolumen in Verbindung mit der Thermos .phonpumpe. Daderfreie Flüssigkeitsspiegel in beidt'.i Rohren 22 und 27 im Verhältnis zum Flüssigkeitsspiegel 12 im Sammler sehr klein ist, sinkt nun der Pegel in diesen beiden Rohren 22,27 bei weiterem Flüssigkeitsentzug durch die Thermosiphonpumpe rasch ab. Dies hat zur Folge, daß auch der Flüssigkeitsspiegel 21 unter die dampfbildende Zone des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 sinkt, worauf keine weitere Flüssigkeitsentnahme durch die Thermosiphonpumpe mehr stattfindet.

Die Folge der Flüssigkeitsentnahme aus dem Sammler nach Fig. 2 ist, daß, im Gegensatz zu der konventioneilen Entnahme nach Fig. 1, nur ein kleines Flüssigkeitsvolumen am Ausdampfprozeß im dampfbildenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 beteiligt ist und demzufolge auch nur eine relativ kleine Menge Lösung mit hohem Inhibitor- und niedrigem Kältemittelgehalt entsteht. Infolge der geometrischen Anordnung des Vorlaufes 13 sinkt dieser schwere Lösungsanteil durch Schwerkraft in das Puffervolumen 26 des neuen Bauteiles ab. Im Gegenstrom dazu fließt im Vorlauf 13 kältemittelreiche Lösung und nimmt den Platz der abgeflossenen schweren Lösung ein.

Nach Aufheben der unzulässigen Neigung des Kühlschrankes fließt aufgestaute Flüssigkeit zurück in den Sammler 11, wodurch der Flüssigkeitsspiegel 12 wieder über die Eintrittsöffnung 23 zu liegen kommt und das Steigrohr 22 somit mit Flüssigkeit gefüllt wird. Dadurch steigt ebenfalls der Flüssigkeitsspiegel 21 derart an, daß die Thermosiphonpumpe ihre Förderwirkung wieder aufnehmen kann. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, wird die Thermosiphonpumpe infolge des Entzuges der inhibitorreichen Lösung aus dem Vorlauf sofort nach der Rückführung des Aggregates in eine zulässige Betriebslage mit kältemittelreicher Lösung normaler Zusammensetzung versorgt. Sie ist somit voll funktionsfähig. Die im Puffervolumen 26 befindliche inhibitorreiche Lösung wird durch das Kondensat, welches beim normalen Betrieb des Kühlschrankes aus dem armen Gas ausfällt, verdünnt und bei geeigneter strömungstechnischer Konzeption des Puffervolu-' mens 26 aus diesem herausgespült und dem Lösungsstrom vom Sammler 11 zur Pumpe 16 beigemischt. Da die anfallende Kondensatmenge im Verhältnis zum erwähnten Lösungsstrom klein ist, erfolgt die Wiedereinführung des abgeschiedenen Lösungsan-■ > teils so langsam, daß sich die Konzentrationsverhältnisse im Verlauf 13 nur geringfügig ändern, und somit keine Beeinträchtigung der Förderwirkung der Thermosiphonpumpe stattfindet.

Zur Dimensionierung der einzelnen Teile der > neuen Ausführung ist festzuhalten:

a) Die Höhe der Eintrittsöffnung 23 muß derart festgelegt werden, daß diese während aller Niveauschwankungen des Flüssigkeitsspiegels 12, die während des Betriebes des Aggregates innerhalb der zulässigen Neigung auftreten, tiefer als der Spiegel 12 liegt. Erst bei Betrieb des Kühlschrankes außerhalb der zulässigen Neigung muß der Spiegel 12 unterhalb der Öffnung 23 zu liegen kommen.

ι b) Die freien Flüssigkeitsspiegel in den Rohren 22 und 27 sollen möglichst klein sein, damit nach der Unterbrechung der Flüssigkeitszufuhr aus dem Sammler 11 nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen durch die Pumpe entzogen werden muß, bis der Flüssigkeitsspiegel unterhalb den dampfbildenden Bereich des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers 15 gelangt und die Ausdampfung durch die Pumpe beendet wird.

c) Das Puffervolumen 26 muß derart gestaltet sein, daß die gesamte inhibitorreiche Lösung, die während der Ausdampfphase aus der Thermosiphonpumpe entsteht, aufgefangen werden kann, und daß sie durch den beim Normalbetrier; entstehenden Kondensatorstrom wieder in verdünnter Konzentration der Lösung vom Sammler 11 zur Thermosiphonpumpe zugeführi wird.

Ein auf diese Weise konzipiertes Absorptions-Kälteaggregat läuft mühelos auch bei überkritischer, langandauernder Schrägstellung an, unabhängig von dessen Leistung, insbesondere auch bei großen Leistungen.

Hierau 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Absorptions-Kälteaggregat, insbesondere für Kühlschränke in Fahrzeugen, mit in der Lösung enthaltenem Korrosionsinhibitor und mit Inhibitor-Speichermitteln, dadurch gekennzeichnet, daß im Vorlaufwege der reichen Lösung zur Thermosiphonpumpe eine Leitungsabzweigung (bei 24) liegt, die zu den Speichermitteln (26) führt, derart, daß bei überkritischer Schrägstellung des Aggregates die Speichermittel (26) die inhibitorreiche Lösung, die während der Ausdampfphase aus der Thermosiphonpumpe entsteht, auffangen und speichern.

2. Absorptions-Kälteaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichermittel (26) rohrförmig ausgebildet sind.

3. Absorptions-Kälteaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite der Speichermittel mit der Kondensatrückführleitung (27) und die andere mit dem Pumpenverlauf (13) verbunden ist, um durch anfallendes Kondensat den im Speicher (26) vorhandenen Inhibitor dosiert der Pumpe zurückzuführen.

4. Absorptions-Kälteaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (11) mit einem Standrohr (22) versehen ist, dessen Querschnitt und derjenige des kommunizierenden entsprechenden Teiles der Kondensatrückführleitung (27) wesentlich kleiner sind als die Fläche des normalen Flüssigkeitszustandes im Sammler (11), um nach Oberschreiten des kritischen Neigungswinkels und Erreichen eines kritischen Spiegels im Sammler (11) ein sofortiges Aussetzen der Pumpe durch Unterbrechung der Zufuhr von Lösung aus dem Sammler (11) zur Pumpe und dampfbildenden Ende des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers (15) zu sichern.

5. Absorptions-Kälteaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorlauf (13) des Flüssigkeits-Wärmeaustauschers in ein U-rohrförmiges Gebildet, bestehend aus Kondensatrückführleitung (27), Speichermittel (26) und ein oder mehrere Steigrohre (22) zum Sammler (11), einmündet, vorzugsweise im Bereich (24) des Überganges von den Speichernmitteln (26) und dem Steigrohr (22), wobei der Flüssigkeits-Wärmeaustauscher (IS) und gegebenenfalls der Speicher (26) gegen die Pumpe hin stetig steigend ausgebildet sind.