DE2801529A1

DE2801529A1 - Kaeltemaschine

Info

Publication number: DE2801529A1
Application number: DE19782801529
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl Ing Langenbach
Original assignee: GUSTAV SCHAEFER FA
Current assignee: GUSTAV SCHAEFER FA
Priority date: 1978-01-14
Filing date: 1978-01-14
Publication date: 1979-07-19

Description

- 3 - 2βϋ1529

77 391, Pü/St.

Firma Gustav Schäfer, Waldstraße 55-57, 5902 Netphen 3 - Deuz / Kreis Siegen

Kaltemaschine

Die bekannte Absorptionskältemaschine ist eine rein thermische Maschine, bei der die zur Aufrechterhaltung des Kälteprozesses nötige Energie nur in Form von Wärme zugeführt wird, wenn man von einem geringen Arbeitsaufwand für die Lösungspumpe absieht. Die wesentlichen Bauteile der Absorptionsmaschine sind Kondensator, Verdampfer, Absorber, Austreiber, Temperaturwechsler und Lösungspumpe. Bei einer Absorptionsmaschine, die mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Absorptionsmittel betrieben wird, wird im Austreiber aus einer wässrigen Ammoniaklösung durch Zufuhr von Wärme, d.h. durch Beheizung mit elektrischen Strom, Brennstoff oder Abwärme, bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur Ammoniakgas ausgetrieben, das im wassergekühlten Kondensator bei dem im Austreiber herrschenden Druck aber niedrigerer Temperatur unter Wärmeabgabe verflüssigt wird. Das flüssige Ammoniak entspannt sich in einem Regelventil, das in der Verbindungsleitung zwischen Kondensator und Verdampfer angeordnet ist. Im Verdampfer verdampft das flüssige Ammoniak unter Wärmeaufnahme, wodurch die Kälteleistung erzielt wird. Die im Austreiber verbliebene ammoniakärmere Lösung wird durch ein Regelventil entspannt unf fließt in den unter niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur wie der Austreiber stehenden Absorber. Die im Absorber befindliche ammoniakärmere Lösung saugt durch Absorption das Ammoniakgas aus dem Verdampfer an und verflüssigt das Gas, wobei die bei der Absorption frei werdende Kondensations- und Lösungswärme des Ammoniaks durch Kühlwasser abgeführt wird. Eine Lösungspumpe fördert die mit

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Ammoniak angereicherte Lösung unter Erhöhung Ihres Druckes aus dem Absorber in den Austreiber zurück. Ein wesentlicher Nachteil dieser Absorptionsmaschine besteht darin, daß die Verdampfungstemperatur von der Kühl wassertemperatur des Absorbers und des Kondensators abhängig ist.

In der Resorptionsmaschine ist der Verflüssiger durch einen Absorber, den "Resorber", und der Verdampfer durch den "Entgaser" ersetzt. Im Unterschied zur Absorptionsmaschine werden die NHo-Dämpfe nicht verflüssigt, sondern von einer armen Lösung resorbiert. Die Kälte wird durch Entgasung dieser angereicherten Lösung unter geringem Druck erzeugt. Im Unterschied zur Absorptionsmaschine erfolgen Verflüssigung und Verdampfung nicht in einem bestimmten Temperaturpunkt, sondern in einem größeren Temperaturbereich. Bei der Resorptionsmaschine strömen die NH₃-D"ämpfe vom Austreiber zum Resorber,in dem sie von einer verhältnismäßig armen Ammoniaklösung absorbiert werden, die vom Entgaser kommt. Die angereichterte ΝΗ-,-Lösung fließt über einen Temperaturwechsler und ein Regelventil zum Entgaser,in dem sie bei niedrigem Druck unter Zufuhr von Wärme zu entgasen beginnt und eine Kälteleistung erbringt. Die arme Lösung wird durch eine Lösungspumpe über den vorerwähnten Temperaturwechsler in den Resorber zurückgefördert, und der Kreislauf der NFU-Lösung beginnt von neuem. Aus dem Entgaser strömen die Nf-U-Dämpfe zum Absorber und werden dort von einer armen Lösung unter Abgabe der Kondensations- und Lösungswärme absorbiert, die durch Kühlwasser abgeführt wird. Eine Lösungspumpe bringt die mit Ammoniak angereicherte Lösung auf höheren Druck und fördert sie durch einen Temperaturwechsler in den Austreiber, in dem Ammoniak durch Zufuhr von Wärme als Dampf ausgetrieben wird, der in den Resorber strömt. Die arme NhU-Lösung fließt unter Entspannung in einem Regelventil in den Absorber zurück, der unter einem niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur wie der Austreiber steht. Der Vorteil der Resorptionsmaschine besteht darin, daß man von dem Kondensatordruck unabhängig ist, der wiederum von der Temperatur des zur Verfugung stehenden Kühlwassers abhängig ist, und daß die Maschine mit niedrigeren Drücken arbeiten

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kann, da der Druck außer von der Temperatur von den in weitem Bereich beliebig festzulegenden Lösungskonzentrationen des Ammoniaks abhängig ist. Auf diese Weise werden die Wärmeverhältnisse in der Resorptionsmaschine günstiger, die Pumpenleistung wird geringer und der Temperaturbereich des Kühlwassers im Resorber wird größer, wodurch Kühlwasser gespart wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kälteleistung und damit die Leistungsziffer einer Absorptions- und einer Resorptionskältemaschine durch Ausnutzung des Druckgefälles zwischen Austreiber und Absorber zu erhöhen und den Kühlwasserverbrauch zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einer Absorptionskältemaschine der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Rückleitung zwischen Austreiber und Absorber eine Strahlpumpe angeordnet ist, die mit der aus dem Austreiber in den Absorber zurückfließenden kaitemittelarmen Absorptionslösung als Treibmittel betrieben wird und die den Kaitemitteldampf aus dem Verdampfer absaugt und mit der Absorptionslösung in den Absorber fördert, und daß der Absorberdruck durch die Strahlpumpe über den Verdampferdruck angehoben wird.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe bei einer Resorptionskältemaschine weist diese einen Entgaser auf, in dem Kältemittel aus einer Absorptionslösung unter Zufuhr von Wärme in Dampfform ausgetrieben wird, eine Lösungspumpe, die die kaitemittelarme Absorptionslösung aus dem Entgaser absaugt und auf einen über dem Entgaserdruck liegenden Arbeitsdruck bringt, eine in der Zuleitung zwischen Entgaser und Absorber angeordnete Strahlpumpe, die mit der unter Arbeitsdruck stehenden kältemittelarmen Absorptionslösung als Treibmittel betrieben wird und die den Kaitemitteldampf aus dem Entgaser absaugt und mit der Absorptionslösung in den Absorber fördert, in dem die kaitemittelarme Absorptionslösung den Kältemitteldampf bei einem Absorberdruck, der zwischen dem Entgaserdruck und dem Arbeitsdruck liegt, durch Absorption verflüssigt, wobei die im Absorber frei werdende Kondensations- und Lösungs-

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wärme durch ein Kühlmittel abgeführt wird, sowie ein in der Rückleitung zwischen Absorber und Entgaser angeordnetes Regelventil, das die vom Absorber in den Entgaser zurückfließende kaitemittelreiehe Absorptionslösung auf den Entgaserdruck drosselt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei der Resorptionsmaschine zwischen Absorber und Entgaser ein Gegenstrom-Temperaturwechsler zum Wärmeaustausch zwischen der warmen kaitemittelreichen und der kalten kaitemittelarmen Absorptionslösung geschaltet.

Heiterhin sieht die Erfindung vor, daß Absorptions- und Resorptionskältemaschine mit der eingebauten Strahlpumpe als Wärmepumpe betreibbar sind.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist schließlich noch darin zu sehen, daß als Kältemittel Anmoniak und als Absorptionsmittel Wasser verwendet wird, andererseits aber auch ein beliebiges anderes Arbeitsstoffpaar, je nach den gegebenen Erfordernissen, gewählt werden kann.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Absorptionskältemaschine

und
Fig. 2 den Grundaufbau einer Resorptionskältemaschine in schematischer Darstellung.

In dem Austreiber 1 der Absorptionskältemaschine nach Fig. 1 wird aus einer reichen Ammoniak-Wasserlösung das Kältemittel Ammoniak durch Aufheizung der Lösung mit einer Dampf- oder Elektroheizung 2 in Dampfform bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur ausgetrieben. Um einen Ammoniakdampf mit möglichst

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hoher Konzentration zu erhalten, wird der aus dem Austreiber 1 abströmende Ammoniakdampf durch einen Rück!aufkondensator 3 geführt, in dem ein Teil des Dampfes durch eine Rohrschlange 4, die von einem Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, durchströmt wird, verflüssigt wird. Das flüssige Ammoniak wird aus dem Rücklaufkondensator 3 in den Austreiber 1 zurückgeleitet. Der aus dem Rücklaufkondensator 3 austretende Ammoniakdampf wird in einem Kondensator 5 mit einer Wasserkühlung 6 bei einem Druck p, der dem Druck p« im Austreiber 1 entspricht, aber niedrigerer Temperatur t verflüssigt. Aus dem Kondensator 5 gelangt die reine Ammoniakf1üssigkeit durch einen Temperaturwechsler 7 sowie ein Regelventil 8, in dem die Ammoniakflüssigkeit auf den Verdampferdruck ρ entspannt wird, in den Verdampfer 9, in dem die Ammoniak-Kältemittelflüssigkeit unter Wärmeaufnahme bei direkter Kühlung aus der Umgebung und bei indirekter Kühlung aus einem Solekreislauf 10 mit der dem Verdampferdruck ρ entsprechenden Verdampfungstemperatur t , die wesentlich unter der Kondensatortemperatur t liegt, verdampft. Der aus dem Verdampfer 9 austretende kalte Ammoniakdampf strömt im Gegenstrom zu der vom Kondensator kommenden heißen Ammoniakflüssigkeit durch den Temperaturwechsler 7, wodurch eine Unterkühlung der heißen Ammoniakflüssigkeit und eine daraus resultierende Erhöhung der Kälteleistung erreicht wird.

Die unter dem Austreiberdruck p. stehende arme Ammoniaklösung fließt aus dem Austreiber 1 über die Rückleitung 11 durch einen Temperaturwechsler 12 und betreibt als Treibmittel eine in der Rückleitung angeordnete Strahlpumpe 13, die den vom Temperaturwechsler 7 abströmenden kalten Ammoniakdampf ansaugt und das Gemisch aus Ammoniakdampf und armer Ammoniaklösung in den Absorber 14 fördert. Im Diffusor der Strahlpumpe 13 wird das Gemisch aus kaltem Ammoniakdampf und armer Ammoniaklösung aus dem Austreiber auf den Absorberdruck p», verdichtet, der zwischen dem Verdampferdruck ρ und dem Austreiber p. liegt. Die Diffusorleitung 15 der Strahlpumpe 13 führt ungefähr in 3/4 Höhe des Absorbers 14 in den Absorberbehälter. Im Absorber 14 wird der von der Strahlpumpe 13 geförderte Ammoniakdampf durch die arme Ammoniak-

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lösung ,absorbiert, wobei die frei werdende Kondensations- und Lösungswärme durch eine Wasserkühlung 17 abgeführt wird. Die mit Ammoniak angereicherte Lösung wird von einer Lösungspumpe 18 aus dem Absorber 14 durch die Zuleitung 19 und den Gegenstrom-Temperaturwechsler 7, in dem ein Wärmeaustausch zwischen der vom Austreiber kommenden armen, heißen Ammoniaklösung und der in diesen zurückfließenden reichen, kühleren Ammoniaklösung stattfindet, über den Aufgabeverteiler 20 in den Austreiber 1 zurückgefördert.

Die wesentliche Verbesserung der vorbeschriebenen Absorptionskältemaschine gegenüber den bekannten Maschinen dieser Art besteht darin, daß ein Teil des zwischen Austreiber und Absorber vorhandenen Druckgefälles, das bei den bekannten Maschinen in die irreversiblen Verluste eingeht, zum Antrieb einer Strahlpumpe genutzt wird, die den Absorberdruck p.. über den Verdampfungsdruck ρ anhebt, so daß die Verdampfungstemperatur t unabhängig von der zur Verfugung stehenden Kühlwassertemperatur im Absorber ist und damit die Kühlwassermenge zur Ableitung der Kondensations- und Lösungswärme des Ammoniaks verringert werden kann. Es ist somit mit der neuen Absorptionsmaschine möglich, eine Tiefkühlung bei relativ hoher Kühlwassertemperatur auf der Absorberseite durchzuführen.

In Abweichung von der beschriebenen Arbeitsweise der Absorptionskältemaschine kann diese als Wärmepumpe betrieben werden.

Im Entgaser 21 der Resorptionskältemaschine nach Fig. 2 wird mittels Wärmezufuhr aus dem Umgebungsmedium, z.B. aus der Kühlraumluft, oder aus Wasser über die Heizfläche 22 die mit Ammoniak

angereicherte Ammoniak-Wasserlösung erwärmt und Ammoniak in Dampfform ausgetrieben. Eine in die Zuleitung 23 zwischen Entgaser 21 und Absorber 24 eingeschaltete Lösungspumpe 25 saugt die arme Ammoniaklösung aus dem Entgaser 21 an und bringt diese auf einen Arbeitsdruck p_a, der über dem Entgaserdruck p_E liegt. Die unter dem Arbeitsdruck p, stehende arme Ammoniaklösung läuft

durch einen Temperaturwechsler 26 und betreibt als Treibmittel eine dem Absorber 24 vorgeschaltete Strahlpumpe 27, die den

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Ammoniakdampf aus dem Entgaser 21 ansaugt, das Gemisch aus Ammoniakdampf und armer Ammoniaklösung im Diffusor auf den Absorberdruck p_Ab bringt, der zwischen dem Entgaserdruck p_E und dem Arbeitsdruck p, liegt, und dieses Gemisch durch die

Diffusorleitung 28 in den Absorber 24 fördert. Im Absorber 24 wird der von der Strahlpumpe 27 geförderte Ammoniakdampf von der armen Lösung durch Absorption verflüssigt, wobei die im Absorber 24 frei werdende Kondensations- und Lösungswärme durch einen Kühlkreislauf 29 abgeführt wird. Die mit Ammoniak angereicherte und unter Absorberdruck p.. stehende Ammoniaklösung fließt über die Rückleitung 30 und den in dieser angeordneten Temperaturwechsler 26 in den Entgaser 21 zurück, wobei sie vor Eintritt in den Entgaser 21 durch das Regelventil 31 auf den Entgaserdruck p_E entspannt wird. Die im Entgaser 21 zugeführte Wärme stellt die Kälteleistung der Resorptionsmaschine dar.

Die Resorptionskältemaschine weist einen wesentlich einfacheren Aufbau als die eingangs beschriebene Maschine auf und bietet den weiteren Vorteil, daß die Entgasertemperatur t^, die ausschlaggebend ist für die Kälteleistung der Maschine, unabhängig von der Temperatur des im Absorber zur Verfugung stehenden Kühlwassers ist.

Der Teniperaturwechsler 26, in dem ein Wärmeaustausch zwischen der vom Absorber 24 in den Entgaser 21 zurückfließenden reichen Ammoniaklösung höherer Temperatur und dem von der Lösungspumpe 25 in den Absorber 24 geförderten Gemisch aus Ammoniakdampf und armer Ammoniaklösung mit niedrigerer Temperatur stattfindet, bewirkt eine Verbesserung des Wirkungsgrades der Maschine. Schließlich zeichnet sich^ die Maschine durch eine sehr niedrige Antriebsleistung für die Lösungspumpe aus.

Die Resorptionsmaschine nach Fig. 2 eignet sich besonders als Wärmepumpe. Als" Wärmequelle dienen vorzugsweise Wasser oder die Umgebungsluft. Dem Entgaser kann Wärme mit geringer Temperatur, beispielsweise 5⁰C, zugeführt werden, und durch die Wirkungsweise der Strahlpumpe ist am Absorber eine verhältnismäßig hohe Temperatur, beispielsweise 70⁰C, abnehmbar.

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Claims

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77 391, Pü/St. 13. Januar 1978

Fa. Gustav Schäfer 5902 Ne-cphen 3-Deuz

Pa tentansDrüche

(I* Absorptionskältemaschine mit einem beheizten Austreiber, in dem bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur Kältemittel aus einer Absorptionslösung als Dampf ausgetrieben wird, der in einem gekühlten Kondensator bei Austreiberdruck aber niedrigerer Temperatur unter Wärmeabgabe verf1Ussigt wird , einem mit dem Kondensator über ein Regelventil verbundenen Verdampfer, in dem las Kältemittel bei einem durch das Regelventil unter den Kondensatordruck gedrosselten Druck unter Wärmeaufnahme verdampft, einem unter niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur wie der Austreiber stehendem Absorber, in den die kaitemittelarme Absorptionslösung aus dem Austreiber über eine Rückleitung fließt und durch Absorption den Kaitemitteldampf aus dem Verdampfer ansaugt und verflüssigt, wobei die im Absorber frei werdende Kondensations- und Lösungswärme durch ein Kühlmittel abgeführt wird,sowie mit einer Lösungspumpe, die die kaitemittelreiche Absorptionslösung unter Erhöhung ihres Drucks aus dem Absorber über eine Zuleitung in den Austreiber zurückfördert, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rückleitung (11) zwischen Austreiber (1) und Absorber (14) eine Strahlpumpe (13) angeordnet ist, die mit der aus dem Austreiber (1) in den Absorber (14) zurückfließenden kaitemittelarmen Absorptionslösung als Treibmittel betrieben wird und die den Kaitemitteldampf aus dem Verdampfer (9) absaugt und mit der Absorptionslösung in den Absorber (14) fördert, und daß der Absorberdruck (P,,) durch die Strahlpumpe (13) über den Verdampferdruck (P₀) angehoben wird.

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2. Resorptionskältemaschine, gekennzeichnet durch einen Entgaser (21), in dem Kältemittel aus einer Absorptionslösung unter Zufuhr von Wärme in Dampfform ausgetrieben wird, eine Lösungspum pe (25), die die kai temittelarme Absorptionslösung aus dem Entgaser (21) absaugt und auf einen über dem Entgaserdruck (Pp) liegenden Arbeitsdruck (p ) bringt, eine in der Zuleitung (23) zwischen Entgaser (21) und Absorber (24) angeordnete Strahlpumpe (27), die mit der unter Arbeitsdruck (p ) stehenden kaitemittelarmen Absorptionslösung als Treibmittel betrieben wird und die den Kaitemitteldampf aus dem Entgaser (21) absaugt und mit der Absorptionslösung in den Absorber (24) fördert, in dem die kältemittelarme Absorptionslösung den Kaitemitteldampf bei einem Absorberdruck (p., ), der zwischen dem Entgaserdruck (p^) und dem Arbeitsdruck (p ) liegt, durch Absorption verflüssigt, wobei die im Absorber (24) frei v/erdende Kondensat i ons- und Lösungswärme durch ein Kühlmittel abgeführt wird, sowie ein in der Rückleitung (30) zwischen Absorber (24) und Entgaser (21) angeordnetes Regelventil (31), das die vom Absorber (24) in den Entgaser (21) zurückfließende kaitemittelrei ehe Absorptions 1ösung auf den Entgaserdruck (p_E) drosselt.

3. Kältemaschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zwischen Strahlpumpe (27) und Absorber (24) geschalteten Gegenstrom-Temperaturwechsler (26) zum Wärmeaustausch zwischen der warmen kaitemittelreichen und der kalten kaitemittelarmen Absorptionslösung.

4. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Wärmepumpe betreibbar ist.

5. Kältemaschine bzw. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, da? als Kältemittel ein Sicherheitskältemittel mit einem geeigneter, Absorptionsmittel, z.B. Petroleum, verwendet wird.

6. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche

2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel Ammoniak und als Absorptionsmittel Wasser verwendet wird.

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