DE2830750A1

DE2830750A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung eines absorptionswaermeaustausches

Info

Publication number: DE2830750A1
Application number: DE19782830750
Authority: DE
Inventors: Benjamin A Phillips
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1977-05-12
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1980-01-31
Also published as: GB2024389A; US4127009A; GB2024389B

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Durchführt'.:- g sines Absorptionswärmeaustausches

Absorptionswärmepumpen- und Kälteerzeugungssysteme sind für das Vermischen von an Kühlmittel verarmter Lösung (schwache Flüssigkeit aus dem Generator) mit verdampftem Kühlmittel (aus dem Kondensator, häufig über einen Vorkühler) bekannt. Beispiele von Systemen sind in den US-PSen 2 059 841, 2 193 535, 2 392 894, 3 527 060, 3 626 716 und 3 638 452 beschrieben. Eine ältere Absorberform ist auf Seite 3 der US-PS 423 133 beschrieben. Die US-PS 3 638 452 betrifft einen Kühlmittelkreislauf nacheinander durch einen niedertemperierten Abschnitt des Absorbers, den Kondensator und einen hochtemperierten Abschnitt des Absorbers. Die US-PS 3 626 716 beschreibt einen Absorber mit einem flüssigen Wärmeaustauschmedium, das durch eine Innenröhre zirkuliert wird und ein Absorbens-Kühlmittelgemisch, das zwischen der Innenröhre und der Außenröhre zirkuliert wird. Die US-PS 2 392 894 betrifft einen Absorber mit angereicherter Flüssigkeit (sogenanntes strong aqua), die vom Boden des Absorbers zurück durch den oberen Teil des Absorbers gepumpt wird, sowie Kühlwasser, welches durch den unteren Teil des Absorbers zirkuliert wird.

Die nach dem Stand der Technik beschriebenen Systeme und speziell jene nach der US-PS 3 638 452 haben den Nachteil, daß das verdampfte Kühlmittel an oder nahe dem gleichen Ende des "Absorbers" wie die schwache Flüssigkeit eingeführt wird (oder

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wenn man die "Absorberwärmeaustauschereinheit" in der US-PS 3 638 452 als einen Teil des Absorbers betrachtet, dann wird das Kühlmittel an einem mittleren Punkt eingeführt). Mit einer solchen Konstruktion vermindert am Punkt des Kühlmitteleintrittes das Vermischen von "trockenem" Kühlmittel (relativ frei von Absorbensdampf) mit Absorbens die Spxtzenabsorptionstemperatur wesentlich. Diese Verminderung der Spitzenabsorptionstemperatur vermindert das Potential für die Verwendung der Absorptionszone zum Erhitzen von Kühlmittel (für das Austreiben aus dem System auf dem Kühlweg oder für das Erhitzen von Beladung auf dem Erhitzungsweg) oder um angereicherte Flüssigkeit vorzuerhitzen.

Die Absorbereinheiten nach dem Stand der Technik haben auch unzureichende Wärmeaustausch- und Massenüberführungsflächen, um zu gestatten, daß der Dampf eine Zusammensetzung erreicht, die sich einem Gleichgewicht mit der benachbarten Flüssigkeit nähert. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden mit Absorptionspaaren, wie R21-ETFE (nachfolgend diskutiert) realisiert, doch können die Vorteile der Erfindung auch mit herkömmlichen Absorptionspaaren, wie Ammoniak-Wasser oder den zahlreichen anderen bekannten Absorptionspaaren (siehe W.R. Hainswortn, "Refrigerants and Absorbents" Refrigerating Engineer, Band 28, Nr. 3 und 4, August und September 1944 und US-PS 4 005 5 84) und den noch zu entdeckenden Absorptionspaaren realisiert werden.

Die Erfindung betrifft eine Absorbervorrichtung für ein Absorptionswärmepumpsystem mit einem einen inneren Absorptionsraum begrenzenden Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten

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Ende, einem ersten Einlaß nahe dem ersten Ende, einem zweiten Einlaß und einem Auslaß nahe dem zweiten Ende, mehreren Wärmeaustauschelementen, die mehrere Wegabschnitte in Wärmeaustauschbeziehung mit dem inneren Absorptionsraum und innerhalb des Absorbergehäuses für ein Abziehen von Wärme aus dem inneren Absorptionsraum in die Wegabschnitte bilden, wobei einige der mehreren Wegabschnitte zu einem ersten Weg für das Überführen eines Kühlmittels verbindbar und der Rest der mehreren Wegabschnitte zu einem zweiten Weg für das überführen von angereicherter Flüssigkeit verbindbar sind, der zweite Weg in Verbindung mit dem Auslaß steht und die mehreren Wegabschnitte den inneren Absorptionsraum in mehrere Absorptionszonen teilen und jeder Wegabschnitt gegen eine benachbarte Absorptionszone abgedichtet und in Wärmeaustauschbeziehung mit ihr ist, um in diesen Absorptionszonen eine vollständige oder gründliche Massenüberführung und Absorption und einen hohen Grad an Wärmeaustausch zu den Wegabschnitten zu bekommen.

Obwohl das vorliegende System allgemein auf Absorptionswarmepumpsysteme und speziell jene, die auf dem Heizweg arbeiten können, anwendbar ist, ist es besonders bevorzugt als ein Teil eines Wärmepumpsystems, wie es in der US-Patentanmeldung Serial No. 796 773, eingereicht am 13. Mai 1977 mit dem Titel "Improved Heat Activated Heat Pump Apparatus and Method" beschrieben ist.

In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 eine Vorderansicht, teilweise geschnitten, einer Absorbervorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ,

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Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1,

Fig. 4 eine vergrößerte Vorderansicht der Absorbervorrichtung in Fig. 1, vollständig im Schnitt,

Fig. 5 eine vergrößerte Seitenansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4,

Fig. 6 eine Vorderansicht einer Absorbervorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Vorderansicht einer Absorbervorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 einen Ausschnitt aus einer vergrößerten Draufsicht auf einen Außenabschnitt der Absorbervorrichtung von Fig. 7,

Fig. 9 eine Vorderansicht einer Absorbervorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie 10-10 in Fig. 9 und

Fig. 11 ein Druck-Temperaturdiagramm, das das Arbeiten nach

der Erfindung auf dem Heizweg bei -18° C (0° F) Umgebungstemperatur erläutert.

Wenn hier der Ausdruck "angereicherte Flüssigkeit" verwendet wird (die manchmal nach dem Stand der Technik als schwache Absorbenslösung bezeichnet wird), bedeutet dieser Ausdruck die Lösung von Absorbens mit höherer Kühlmittelkonzentration. Wenn hier der Ausdruck "schwache Flüssigkeit" verwendet wird (die nach dem Stand der Technik auch manchmal als starke Absorbenslösung bezeichnet wird), so bedeutet dieser Ausdruck die Lösung

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von Absorbens mit geringerer (oder ohne) Kühlmittelkonzentration. Die "Abs':rbervorrichtung" ist jener Teil eines Absorptionssystems, worin Kühlmittel bzw. Kältemittel in schwacher Flüssigkeit unter Bildung von angereicherter Flüssigkeit absorbiert wird.

Die vorliegende Absorbervorrichtung ist besonders geeignet für die Einbeziehung in ein Absorptionswärmepumpsystem, das in der Lage ist, auf einem Heiz- oder Kühlweg zu arbeiten, doch kann sie auch in irgendein anderes "Absorptionswärmepumpsystem¹¹ eingefügt werden, das in der Lage ist, nur auf einem Weg zu arbeiten, wie in ein Absorptions-Luftkonditioniersystem, eine Absorptionsheizvorrichtung oder ein Absorptionskälteerzeugungssystem. Die Absorptionsvorrichtung wurde mit dem ersten Einlaß, der mit einer Quelle für "schwache Flüssigkeit" aus dem Generator verbunden ist, und durch den zweiten Einlaß, der mit einer Quelle für verdampftes Kühlmittel aus dem Verdampfer (direkt oder indirekt über einen Vorkühler) verbunden ist, in das System eingebunden sein.

Nachfolgend findet sich eine Klärung des Ausdruckes "verbindbar" , wie er hier verwendet wird. Der erste Weg, der hauptsächlich aus Wärmeaustauschelementen besteht, würde im Betrieb so verbunden werden, daß er sich von dem "Auslaß" des Absorbers zu einem ersten Wegauslaß, der mit dem "Einlaß für angereicherte Flüssigkeit" des Generators verbunden ist, erstreckt. Viele der Verbindungen in dem ersten Weg können bei dem Zusammenbau des Absorbers gebildet werden. Der zweite Weg, der in dem Absorber hauptsächlich aus Wärmeaustauschelementen besteht, würde vor dem Betrieb gebildet werden, indem man verschiedene Verbin-

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düngen zwischen den Einlassen und Auslassen solcher Wärmeaustauschelemente und dem Kühlmitteleinlaß und -auslaß des Kondensators und einem "Wärmeaustauscher" des Wärmepumpsystems herstellt. Für Luftkonditionier- oder Kälteerzeugungssysteme befände sich dieser "Wärmeaustauscher" in Wärmeaustauschbeziehung mit Umgebungsluft oder irgendeiner anderen Wärmesenke. Für Systeme, die auf einem Erhitzungsweg arbeiten können, wäre dieser Wärmeaustauscher in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zu erhitzenden Raum oder Material. Für Systeme, die auf beiden Wegen arbeiten können, wäre ein Umschalter oder ein Ventil vorgesehen, um solche "Wärmeaustauscher" selektiv zu zwei unterschiedlichen Wegen miteinander zu verbinden.

So wird der Ausdruck "verbindbar" bei der Beschreibung der Komponenten des Absorbers verwendet, da sie zu ihren betreffenden Wegen erst verbunden werden können, wenn das Wärmepumpsystem zusammengebaut wird. Obwohl häufig für einen bestimmten Satz von wechselseitigen Verbindungen zu einem Wärmepumpsystem bestimmt, sind einige Absorber innerhalb des Erfindungsgedankens auch in der Lage, auf verschiedenen Wegen mit einem Wärmepumpsystem verbunden zu werden, indem ein oder mehrere Wärmeaustauscherelemente eher zu dem ersten als zu dem zweiten Weg

werden,
miteinander verbunden/ Insbesondere kann ein spezieller Satz von Wärmeaustauseherelementen es gestatten, daß der Kondensator zu dem zweiten Weg parallel zu dem Absorber oder in Reihe aufstromwärts von irgendeinem Teil des Absorbers zwischen Wärmeaustauscherelementen des Absorbers oder abstromwärts von allen Wärmeaustauseherelementen des Absorbers verbunden wird.

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Wie nachfolgend diskutiert wird, können die vorliegenden Absorber mit irgendeinem Absorptionspaar von "Absorbens" und "Kühlmittel" verwendet oder hierfür bestimmt werden, wie mit Ammoniak (Kühlmittel)-Wasser (Absorbens), Wasser (Kühlmittel)-LiCl oder LiBr (Absorbens) oder Fluorkohlenstoff (Kühlmittel)-Dimethyloxytetraäthylenglycol (DMTEG) (Absorbens). Bevorzugt für viele Systeme ist ein Furanderivat (Absorbens) und ein Fluorkohlenstoff (Kühlmittel) unter Bildung eines Absorptionspaares, das in der US-PS 4 005 5 84 beschrieben ist, und besonders bevorzugt sind die stabilisierten Zusammensetzungen der US-Patentanmeldung Serial No. 760 489 von M.B. Berenbaum et al, angemeldet am 19. Januar 1977. In der folgenden Diskussion wird als Erläuterung das Absorptionspaar Dichlormonofluormethan (R21) (Kühlmittel) und Athyltetrahydrofurfuryläther (ETFE) (Absorbens) verwendet und als R21-ETFE bezeichnet.

Einige bevorzugte Formen der oben beschriebenen Absorbervorrichtung sind jene, die außerdem eine Lösungspumpe in dem inneren Absorptionsraum nahe dem zweiten Ende mit einem Einlaß, der mit dem inneren Mischraum in Verbindung steht, und mit einem Auslaß, der in Verbindung mit dem zweiten Weg steht, umfassen, wobei der Lösungspumpeneinlaß der Auslaß der Absorbervorrichtung ist.

Einige bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung sind jene, die außerdem eine Antriebsmaschine außerhalb des Gehäuses, einen Antriebsmagnet außerhalb des Gehäuses nahe dem zweiten Ende in arbeitsmäßiger Verbindung mit der dadurch zu drehenden Antriebsmaschine, einen angetriebenen Magnet im Inneren des Ab-

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sorbers in der Nähe des Antriebsmagneten und eine angetriebene Welle umfassen, welche letztere den angetriebenen Magneten arbeitsmäßig mit der Lösungspumpe verbindet. Die Antriebsmaschine, die Antriebswelle und der Antriebsmagnet können auch eine getrennte Einheit oder getrennte Einheiten sein, die in solche Nähe zu der Absorbervorrichtung gebracht werden, daß der Antriebsmagnet den angetriebenen Magnet durch die Absorberwand hindurch magnetisch antreiben kann.

Einige bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung sind auch jene, worin die Wärmeaustauschelemente eine Vielzahl von Wicklungseinheiten umfassen, von denen jede mehrere Spiralwicklungen hat, die in paralleler Anordnung übereinander gestapelt sind und die auf der Außenseite und Innenseite verzweigt sind, wobei jeder der Wegabschnitte die verzweigte Verbindung zwischen einer Außenverzweigung und einer Innenverzweigung ist.

Einige der stärker bevorzugten Formen der im vorausgehenden Absatz beschriebenen Absorbervorrichtung sind jene, worin die spiraligen Wicklungen jeweils flache Seitenflächen und abgerundete obere und untere Flächen besitzen, wobei benachbarte Spiralwicklungen Oberteil an Unterteil übereinander gestapelt sind und jede Spiralwicklung eine Vielzahl von Windungen besitzt, von denen jede eine von der gegenüberliegenden Seitenfläche der benachbarten Windung beabstandete Seitenfläche hat.

Einige bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung sind auch jene, worin die Vielzahl der Wärmeaustauschelemente ein erstes Wärmeaustauschelement, das in den ersten Weg eingebunden ist, ein zweites Wärmeaustauschelement, das in den zweiten Weg eingebunden ist und zwischen dem ersten Wärmeaustauschelement und dem

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zweiten Ende liegt, einschließt. Im Betrieb ist das "erste Ende" das heiße Ende des Absorbers, das "zweite Ende" ist das warme Ende des Absorbers, der "erste Wege" ist ein Weg angereicherter Flüssigkeit, und der "zweite Weg" ist ein Kühlmittelweg.

Einige stärker bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung, die in dem vorausgehenden Absatz beschrieben sind, sind jene, worin das zweite Wärmeaustauschelement einen Einlaß durch die Absorberwand für eine Verbindung mit einer Kühlmittelquelle und einen Auslaß durch die Absorberwand für eine Verbindung mit dem Kühlmitteleinlaß zu dem Kondensator des Wärmepumpsystems hat und die Vielzahl der Wärmeaustauschelemente außerdem ein drittes Wärmeaustauschelement zwischen dem ersten Wärmeaustauschelement und dem ersten Ende umfaßt, wobei das dritte Wärmeaustauschelement einen Einlaß durch die Absorberwand für eine Verbindung mit dem Kühlmittelauslaß des Kondensators und einen Auslaß durch die Absorberwand besitzt. Dieser Auslaß würde natürlich im Betrieb mit einer Wärmesenke (der ümgebungsluft oder einem außen liegenden Wärmeaustauscher) in dem kühlend arbeitenden System, mit einem Wärmeaustauscher in Wärmeaustausch mit dem zu erhitzenden Raum oder Material in dem erhitzenden System und mit einem Achtwegeventil oder dergleichen in einem System, das in beider Weise arbeiten kann, verbunden.

Einige stärker bevorzugte Ausführungsformen der Absorbervorrichtung, die in dem vorausgehenden Absatz beschrieben ist, sind jene, worin das erste Wärmeaustauschelement einen mit dem Auslaß des Absorbers verbundenen Einlaß und einen Auslaß durch die Absorberwand für eine Verbindung mit dem Einlaß für ange-

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reicherte Flüssigkeit des Generators des Wärmepumpsystems hat. Die Verbindung zwischen dem ersten Wärmeaustauschelement und dem "Auslaß" der Absorbervorrichtung kann vollständig innerhalb des Absorbergehäuses liegen, wie in Fig. 1 gezeigt ist.

Einige bevorzugte Formen der in dem vorletzten Absatz beschriebenen Absorbervorrichtung einschließlich, doch nicht notwendigerweise einiger jener, die in dem letzten Absatz beschrieben sind, sind jene, worin die Vielzahl der Wärmeaustauschelemente außerdem ein viertes Wäremaustausehelement umfaßt, das in den ersten Weg eingebunden ist und zwischen dem dritten Wärmeaustauschelement und dem ersten Ende liegt und einen Auslaß durch die Absorberwand für eine Verbindung mit dem Einlaß für angereicherte Flüssigkeit des Generators des Wärmepumpsystems und auch einen Einlaß hat und worin das erste Wärmeaustauschelement einen Auslaß besitzt, der mit dem Einlaß des vierten Wärmeaustauschelementes verbunden ist.

Einige bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung, die in der Kurzbeschreibung beschrieben ist, sind jene, worin die mehreren Warmeaustauschelemente mehrere konzentrische zylindrische Einheiten einschließen, die parallel zu einer mittigen Achse des Absorbergehäuses sich erstrecken und sich von einem ersten Ende nahe dem ersten Ende des Absorbergehäuses zu einem zweiten Ende nahe dem zweiten Ende des Absorbergehäuses erstrecken, wobei jede zylindrische Einheit von der benachbarten zylindrischen Einheit radial beabstandet ist. Ein Beispiel einer solchen Absorbervorrichtung ist eine gemäß der dritten bevorzugten Ausführungsform, die in den Fig. 7 und 8 erläutert ist..

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Einige stärker bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung, die in dem vorausgehenden Absatz beschrieben ist, sind jene, worin jede der mehreren zylindrischen Einheiten eine konzentrische Innen- und Außenwand und mehrere rings umlaufend beabstandete Prallplatten einschließt, die sich dazwischen und von der Nachbarschaft des ersten Endes eines jeden Ringes zu der Nachbarschaft des zweiten Endes einer jeden zylindrischen Einheit erstrecken und jede zylindrische Einheite in mehrere Durchgänge teilt, die sich von der Nähe des ersten Endes eines jeden Ringes zu der Nähe des zweiten Endes eines jeden Ringes erstrecken, wobei eine erste Anzahl mehrerer der Durchgänge der zylindrischen Einheit in den ersten Weg mit Abschnitten in der Nähe ihrer zweiten Enden, die mit dem Auslaß des Absorbers verbunden sind, und mit Abschnitten in der Nähe ihrer ersten Enden, die mit dem Auslaß des ersten Weges durch die Absorberwand für eine Verbindung mit dem Einlaß für angereicherte Flüssigkeit des Wärmepumpsystems verbunden sind, eingebunden ist. Die in den Fig. 7 und 8 erläuterte Ausführungsform findet sich unter diesen stärker bevorzugten Formen.

Noch stärker bevorzugte Formen der Absorbervorrichtung, die in den beiden vorausgehenden Absätzen beschrieben ist, sind jene, worin eine zweite Anzahl mehrerer der Durchgänge in den zweiten Weg mit Abschnitten nahe ihrer zweiten Enden, die mit einem Einlaß des zweiten Weges durch die Absorberwand verbunden sind, und mit Abschnitten in der Nähe ihrer ersten Enden, die mit einem Auslaß des zweiten Weges durch die Absorberwand verbunden sind, eingebunden sind. Die in den Fig. 7 und 8 erläuterte Ausführungsform findet sich unter diesen noch stärker bevorzugten Formen.

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Einige bevorzugte Formen der in dem vorausgehenden vorletzten Absatz beschriebenen Absorbervorrichtung einschließlich, doch nicht notwendigerweise einiger jener im letzten Absatz beschriebenen, sind jene, die außerdem eine Lösungspumpe besitzen, wobei das Gehäuse einen Einlaß hat, der mit dem inneren Absorberraum nahe dem zweiten Ende des Gehäuses verbunden ist und der Absorberauslaß ist, wobei die Lösungspumpe auch einen Auslaß hat, der mit der ersten Anzahl mehrerer Durchgänge nahe ihrer zweiten Enden verbunden ist.

Eine Absorbervorriehtung für ein Absorptionswärmepumpsystem nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in den Fig. 1 bis 5 erläutert. In Fig. 1 enthält der Absorber 13 eine zylindrische Absorberwand bzw. ein Gehäuse 13a, das an der Spitze bzw. dem ersten Ende und am Boden oder dem zweiten Ende sich etwas verjüngt. Eine Vertiefung 13b ist in der Außenseite des zweiten oder Bodenendes ausgebildet. Die Absorberwand 13a begrenzt einen inneren mittigen Absorptionsraum 13c, in welchem eine Absorption, wie nachfolgend beschrieben, stattfinden kann.

Mehrere Leitungen oder Öffnungen stehen durch die Absorberwand 13a hindurch mit dem Innenraum 13c in Verbindung. Eine erste Leitung 29 nahe dem oberen oder ersten Ende dient als Einlaß für schwache Flüssigkeit. Eine zweite Leitung 28 nahe dem unteren oder zweiten Ende dient als der Einlaß für verdampftes Kältemittel und kann direkt in Verbindung mit dem Vorkühler stehen, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 796 773 gezeigt ist. Ein Verteiler 29a ist unterhalb der ersten Leitung 29 vorgesehen und liegt über dem größeren Teil des Innenraumes 13c.

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Eine Lösungspumpe 30 ist in dem Innenraum 13c nahe dem unteren Ende angeordnet und hat wenigstens einen Einlaß, der mit dem Innenraum in Verbindung steht, um absorbierte Lösung (angereicherte Flüssigkeit) daraus abzuziehen. Dieser Einlaß dient als der "Auslaß für angereicherte Flüssigkeit" des Absorbers 13, obwohl er nicht außerhalb des physikalischen Raumes liegt, der durch die Absorberwand 13a begrenzt wird. Es ist ausreichend, daß die Pumpe 30 und der Weg abstromwärts von dieser außerhalb einer weiteren Verbindung mit dem inneren oder Absorptionsraum 13c ist, so daß die angereicherte Flüssigkeit ihren relativ hohen Kältegehalt nicht an die absorbierende Lösung verlieren kann.

Die Lösungspumpe 30 kann eine Rotationspumpe oder irgendeine andere Pumpe herkömmlicher Bauart mit einem peripheren oder axialen Einlaß, einem peripheren Auslaß und einer mittigen Drehachse sein. Die Pumpe 30 wird von einer inneren oder angetriebenen Welle 3Oa angetrieben, die sich von der Pumpe 30 abwärts zu der Ausnehmung 13b erstreckt, welche letztere in der Absorberwand 13a ausgebildet ist. Ein angetriebener oder innerer Magnet 30b besteht aus einem Stück mit der angetriebenen Welle 30a, so daß er mit ihr sich dreht, und er liegt unmittelbar in der Nähe der Ausnehmung 13b, doch auf der Innenseite der Absorberwand 13a. In der Ausnehmung 13b und gegenüber dem angetriebenen Magneten 30b befindet sich ein Antriebs- oder Außenmagnet 30c an dem Ende einer Antriebs- oder Außenwelle 3Od, so daß er mit dieser sich drehen kann, wobei sich die Außenwelle aufwärts von einem Rotor oder einer anderen Antriebsmaschine aus erstreckt.

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In dem Innenraum 13c und oberhalb der Lösungspumpe 30 ist eine Reihe von Wärmeaustauscherwicklungseinheiten oder -elementen angeordnet, die einen wesentlichen Teil des Innenraumes 13c einnehmen. Wie nachfolgend beschrieben, hat jede Wicklungseinheit innere Abteile oder Röhren, die zusammen einen Raum oder "Wegabschnitt" für den Strom von Kältemittel oder angereicherter Flüssigkeit begrenzen. Zwischen diesen Abteilen und in Wärmeaustauschbeziehung mit ihnen befinden sich Räume oder Mischzonen in Verbindung mit einem Teil des Innenraumes 13c, wo Kältemittel in die schwache Flüssigkeit absorbiert werden kann. Schwache Flüssigkeit mit variierenden Mengen darin absorbierten Kältemittels sollen als "absorbierende Flüssigkeit" bezeichnet werden. Jede Wicklungseinheit ist allgemein scheibenförmigv·aufgebaut mit einer mittigen Achse, die kollinear mit der mittigen Achse der allgemein zylindrischen Absorberwand 13a ist.

Die unterste dieser Wxcklungseinhexten 34a steht durch die Absorberwand 13a nahe dem unteren oder zweiten Ende in Verbindung mit einer Kältemittelleitung oder Kältemitteleinlaßröhre 34c, die in der Darstellung eine Pumpe gerade außerhalb der Absorberwand 13a hat. Diese Kältemittelpumpe kann an vielen anderen Stellen in dem Kältend.ttelweg angeordnet sein. Die Wicklung 34a hat eine äußere vertikale Einlaßverzweigung 34d, die mit der Kältemittelleitung 34c und einer Reihe vertikal übereinander gestapelter Spiralröhren 34e verbunden ist, welche letztere, wie in Fig. 4 gezeigt ist, spiralförmig nach innen verläuft. Die Spiralröhren 34e sind an ihren Innenenden durch eine Vertikalleitung bzw. eine innere Sammelleitung 34f vereinigt, die sich aufwärts in ein zweites Wicklungselement 34b erstreckt. Eine

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Reihe vertikal übereinander gestapelter Spiralröhren 34g erstreckt sich von der inneren Sammel- bzw. Verteilerleitung 34f aus zu einer äußeren oder Auslaßsairatielleitung 34h, die durch die Absorberwand 13a hindurch mit einer Kältend.ttelleitung oder Kältemittelauslaßröhre 34i in Verbindung steht. Die Kaltemittelauslaßröhre 34i würde normalerweise isoliert und mit dem Kältemitteleinlaß des Kondensators des Wärmepumpsystems verbunden werden.

Zusammen bilden die erste und zweite Wicklungseinheit 34a und 34b einen Wärmeaustauscher, der als der "zweite Wärmeaustauscher" oder "zweite Austauscher" oder als unterer Kältemittelaustauscher 34 bezeichnet werden soll. Kältemittel kann durch den zweiten Austauscher 34 in Wärmeaustauschbeziehung mit dem untersten Teil des Innen- oder Absorptionsraumes 13c, d.h. mit dem Teil in der Nähe des unteren oder zweiten Endes des Absorberss 13, geführt werden.

Die nächsthöchste Wicklungseinheit ist der erste Wärmeaustauscher oder "erste Austauscher" 31 mit einer Leitung 31a für angereicherte Flüssigkeit, die mit dem Auslaß der Lösungspumpe 30 verbunden ist. Der erste Austauscher 31 hat eine äußere oder Einlaßverzweigung bzw. -Verteilerleitung 31b und spiralig von dort nach innen verlaufend mehrere vertikal übereinander gestapelte Spiralröhren 31c. Die inneren Enden der Spiralröhren 31c sind mit der inneren Sammelleitung 31d verbunden, wie in Fig. 2 ersichtlich ist.

Die nächsthöchste Wicklungseinheit ist der untere Abschnitt 35a des dritten Wärmeaustauschers, des "dritten Austauschers¹¹ 35. Er hat eine äußere oder Einlaßverzweigung 35d, die durch die

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Absorberwand 13a mit einer Kältemittelröhre oder einem Kältemitteleinlaß 35c von dem Kondensatorkältemxttelauslaß aus hindurchgeht. Vertikal übereinander gestapelte Spiralröhren 35e erstrecken sich von der Einlaßverzweigung 35d aus nach innen zu einer inneren Kältemittelsammelleitung 35f, die sich aufwärts von dem unteren Abschnitt 35a des dritten Austauschers in den oberen Abschnitt 35b des dritten Austauschers 35 erstreckt. Wie in Fig. 3 ersichtlich ist, sind die innere Sammelleitung 31d für angereicherte Flüssigkeit und die innere Sammelleitung 35f für Kältemittel in dem Mittelabschnitt der Wicklungseinheit 35a zueinander benachbart, doch nur die innere Kaltemittelsammelleitung 35f steht in Verbindung mit den Spiralröhren 35e. Dasselbe gilt für die nächsthöhere Wicklungseinheit 35b bezüglich der Spiralröhren 35g, die sich von der inneren Kühlmittelsammelleitung bzw. -Verteilerleitung 35f zu einer äußeren Auslaßsammelleitung 35h erstrecken. Die Auslaßsammelleitung 35h steht in Verbindung durch die Absorberwand 13a hindurch mit einer Kältemittel- bzw. Auslaßröhre 32c, die mit dem zu erhitzenden Raum oder mit einem Achtwegeventil oder, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 796 773 beschrieben ist, mit einer Rückflußkondensatorschlange (manchmal auch als Rückflußschlange oder Rückflußkühler bezeichnet) verbunden ist.

Die oberste Wicklungseinheit 32 bzw. der vierte Wärmeaustauscher, der als "vierter Austauscher" bezeichnet ist, hat die innere Verteilerleitung 31d für angereicherte Flüssigkeit, welche sich aufwärts in die Mitte diese Wicklungseinheit erstreckt. Somit ist ersichtlich, daß die innere Verteilerleitung für angereicherte Flüssigkeit in Verbindung mit dem "ersten Austauscher"

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steht, um durch den "dritten Austauscher" 35 hindurchzugehen, gegen diesen aber abgedichtet zu sein,und um in Verbindung mit dem "vierten Austauscher" 32 zu stehen. In dem vierten Austauscher 32 verlaufen mehrere vertikal übereinander gestapelte Spiralröhren 32a auswärts zu einer äußeren oder Auslaßsamme1-leitung 32b, die durch die Absorberwand 13a hindurch mit einer isolierten Leitung oder einem Auslaß für angereicherte Flüssigkeit 32c steht, welcher letzterer normalerweise mit dem Einlaß für angereicherte Flüssigkeit des Generators verbunden ist.

Im Betrieb fließt schwache Flüssigkeit in den Einlaß 29 und wird durch den Verteiler 29a als dünne Filme über die Wicklungseinheiten verteilt. Verdampftes Kältemittel aus dem Verdampfer tritt durch den Einlaß 28 ein und steigt aufwärts, um in Kontakt mit der schwachen Flüssigkeit zu treten und darin absorbiert zu werden. Diese Absorption erfolgt in dem gesamten inneren Absorptionsraum 13c und besonders in den Absorptionszonen, die von dieser Wicklung gebildet werden, wobei große Mengen an Wärme infolge der hohen Adsorptionswärme des Absorptionspaares freigesetzt werden. Ein Konzentrationsgradient der Flüssigkeit wird von der schwachen Flüssigkeit am oberen oder ersten Ende zu der angereicherten Flüssigkeit am unteren oder zweiten Ende hin erzeugt. Ein Temperaturgradient entsteht gleichzeitig mit der heißesten Temperatur nahe dem ersten oder oberen Ende, teilweise infolge der höheren Sättigungstemperaturen von Kältemittel gegenüber der schwachen Flüssigkeit als gegenüber der starken oder stärker angereicherten Flüssigkeit und teilweise infolge des Abziehens von Wärme in die Wicklungseinheiten oder "Wegabschnitte".

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Für optimale Absorptionstemperaturen in Systemen unter Verwendung eines Absorbens, das einen wesentlichen Dampfdruck hat (wie z.B. ETFE oder Wasser), ist es wichtig, daß das verdampfte Kältemittel im Gegenstrom zu der Absorbensflüssigkeit fließt, welche an dem (warmen) Ende der angereicherten Flüssigkeit eintritt und zu dem (heißen) Ende der schwachen Flüssigkeit fließt. Das Kältemittel wird in dem Verfahren nicht nur in die Flüssigkeit absorbiert, sondern hat auch Absorbens, das in die Dampfphase verdampft, wenn der Dampf zu dem Ende der schwachen Flüssigkeit hin strömt, so daß die Dampfzusammensetzung in allen Abschnitten des Absorbers sich der Zusammensetzung im Gleichgewicht mit Absorbenslösung (besonders an dem heißen Ende der schwachen Flüssigkeit) nähert. Diese nahe bei Gleichgewicht liegende Bedingung an allen Punkten entspricht verbesserter thermodynamischer Effizienz.

Das Vorhandensein eines Temperatur- und Konzentrationsgradienten in dem gesamten Absorber beseitigt viele der Probleme, die mit den oben diskutierten bekannten Vorrichtungen verbunden sind. Beispielsweise tritt Kältemittel, das an seinem Einlaß eingeführt wurde, in Kontakt mit der am wenigsten heißen und am stärksten angereicherten Lösung in der Absorptionszone. Demnach wird an diesem Punkt die Verdampfung von Absorbens in den !'trockenen" Dampf (und der begleitende Temperatur abfall) auf ein Minimum gesenkt. Außerdem wird die Temperatur an dem heißen Ende nahe dem Einlaß 29 für schwache Flüssigkeit auf ein Maximum gebracht, wobei die Temperaturen in dem ersten Weg (angereicherte Flüssigkeit) und in dem zweiten Weg (Kältemittel) auf ein Maximum gebracht werden.

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Außerdem wird durch Aufteilung des Absorptionsraumes in schmale vertikale Dampfdurchgänge (die Absorptionszonen) die Dicke des Dampfstromes auf ein Minimum herabgesetzt, so daß der Abstand vermindert wird, durch den der verdampfende Absorbensdampf hindurch diffundieren muß, um sich einer Sättigung des gesamten Dampfes zu nähern. Ähnlich wird Flüssigkeit über große Flächen verteilt, die den Dampf auf beiden Seiten umgeben, so daß der Kältemitteldampf vollständig in die Flüssigkeit praktisch zu Gleichgewichtskonzentrationen für die Temperatur an jedem Punkt absorbiert werden kann.

Ein Kältemittel, wie Wasser, wird durch den zweiten Austauscher von dem Einlaß 34a zu dem Auslaß 34i hin über einen Weg einwärts durch die Spiralröhren 34e und auswärts durch die Spiralröhren 34g gepumpt. Beim Aufspalten in diese kleinen Spiralröhren ist das Kältemittel in enger Wärmeaustauschbeziehung mit der absorbierenden Flüssigkeit in den Absorptionszonen des Absorptionsraumes 13c. Die absorbierende Flüssigkeit ist besonders an den Wänden der Spiralröhren, wo das Kältemittel Wärme herausextrahieren kann. Von dem Auslaß 34i wandert Kältemittel zu dem Kondensator.

Angereicherte Flüssigkeit vom Boden des Absorptionsraumes 13c, die auf einer höheren Temperatur als das Kältemittel bei 34c ist, tritt in die Lösungspumpe 30 ein und wird aufwärts zu dem ersten Austauscher 31 in einem höheren und wärmeren Abschnitt des Absorbers 13 gepumpt. Die Pumpe 30 arbeitet durch die Drehung des Motors mit Hilfe der Antriebswelle 3Od und des Antriebsmagneten 30c durch die Absorberwand 13a hindurch zu dem angetriebenen Magneten 30b und der angetriebenen Welle 30a.

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In dem ersten Austauscher 31 geht die angereicherte Flüssigkeit einwärts durch Spiralwicklungen 31c in enger Wärmeaustauschbeziehung mit absorbierender Lösung in den Absorptionszonen des Raumes 13c. Absorptionswärme wird dabei verbraucht, um die angereicherte Flüssigkeit zu erhitzen.

Kältemittel, das von dem Kondensator kommt, geht durch den dritten Austauscher 35 von dessen Einlaß 35c zu dessen Auslaß 35i. Kältemittel wird durch die absorbierende Flüssigkeit in einem heißen Abschnitt des Absorptionsraumes 13c nahe dem oberen oder ersten Ende des Absorbers 13 erhitzt. Dieser Wärmeaustausch erfolgt primär in den Spiralwicklungen 35e und 35g.

Angereicherte Flüssigkeit aus dem ersten Austauscher 31 geht aufwärts durch die innere Sammelleitung 31d für angereicherte Flüssigkeit zu dem vierten Austauscher 35, wo sie durch die heißesten absorbierenden Fließmittel in den Absorptionszonen des Absorptionsraumes 13c unmittelbar in Nachbarschaft zu dem ersten oder oberen Ende des Absorbers 13 erhitzt wird. Die angereicherte Flüssigkeit wird so in den Austauschern 31 und 32 auf eine Temperatur weit oberhalb ihrer Temperatur nahe der Lösungspumpe 30 und oberhalb jener erhitzt, die mit Systemen ohne einen vollständigen Temperatur- und Konzentrationsgradienten und/oder ohne die große Wärmeaustauschfläche der Austauscher 31 und 32 erhältlich ist. Die angereicherte Flüssigkeit geht nun durch den Auslaß 32 für angereicherte Flüssigkeit zu dem Generator.

Ein beispielhafter Betrieb des Absorbers 13 in erhitzender Weise (bei -18° C Umgebungstemperatur, wie in Fig. 11 erläutert ist) schließt einen Temperaturgradienten von etwa 35° C am unteren

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Ende nahe der Lösungspumpe 30 auf etwa 74° C am oberen Ende nahe dem Verteiler 29a ein. Der Kältemittelweg nimmt Kältemittel, wie Wasser, das aus dem zu erhitzenden Raum oder einer

Heizwicklung darin (wie einem Fußboden- oder Zimmerwärmeaustaustammt

scher)/bei etwa 32 C und erhitzt dies in dem zweiten Austauscher 34 auf etwa 39° C. Kältemittel geht dann zu dem Kondensator, der bei etwa 48 C arbeitet und die Kältemitteltemperatur auf etwa 47° C anhebt. Der dritte Austauscher 35 erhitzt das Kältemittel dann auf etwa 52° C. Wenn eine Rückflußwicklung verwendet wird, wie sie in der US-Patentanmeldung Serial No. 796 773 beschrieben ist, wird dann das Kältemittel auf etwa 52° C erhitzt. Dieses heiße Kältemittel geht dann zurück zu dem Fußbodenwärmeaustauscher, wo es diese Wärme abgibt und seinen Kreislauf erneut beginnt. Es sei festgestellt, daß dieser "Kältemittelweg¹¹ in der oben bezeichneten US-Patentanmeldung als der "erste Kältemittelweg" bezeichnet ist, wobei ein weiterer Weg durch den Verdampfer vorhanden ist.

Der Betrieb dieses Systems in der Erhitzungsweise bei -18 C (O F) Umgebungstemperatur ist in Fig. 11 dargestellt. Die Ecken B, C, F und E repräsentieren jeweils den Kondensationspunkt in dem Kondensator, den Verdampfungspunkt in dem Verdampfer, die schwache Flüssigkeit am Einlaß zu dem Absorber und die Spitzentemperatur in dem Generator. Die Flüssigkeit in dem Absorber ist entlang dem Segment FD. Das verdampfte Kältemittel liegt an dem Punkt C vor (und wenn es durch einen Vorkühler entlang dem Weg U geht, dann nahe dem Punkt D). Die Einführung von Kältemittel an dem Ende der angereicherten Flüssigkeit bewirkt, daß ein Gleichgewicht an oder nahe dem Punkt D erzeugt

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wird. Dort wird das Flüssigkeits-Dampfgleichgewicht zwischen etwa 97 % R21 in der Dampfphse und etwa 25 % R21 in der flüssigen Phase eingestellt. Wenn im Gegensatz dazu "trockenes" Kältemittel an (oder nahe) dem Punkt F eingeführt wird, dann müßte der Dampf unter 90 % R21 und über 10 % ETFE haben, um ein Gleichgewicht zu bekommen. "Trockenes" Kältemittel bewirkt Verdampfung von ETFE und Kühlung auf einen Gleichgewichtspunkt wesentlich links von dem Punkt F. Dies führt zu einer niedrigeren Spitzenabsorbertemperatur.

Bei der Kühlmethode (wie beispielsweise bei 35 C Umgebungstemperatur) liegt der Temperaturunterschied in dem Absorber bei etwa 43 C am unteren Ende bis etwa 88 C am oberen Ende. Die angereicherte Flüssigkeit wird von etwa 43° C auf etwa 49 C in dem ersten Austauscher 31 und dann auf etwa 60 C in dem vierten Austauscher 32 erhitzt. Kühlmittel tritt in das System von einem Umgebungsluft-Wärmeaustauscher mit einer Temperatur oberhalb oder gleich der umgebenden Lufttemperatur ein, die mit etwa 35° C angenommen werden soll. Kühlmittel wird in dem zweiten Austauscher 34 auf etwa 44 C, in dem Kondensator auf etwa 51 C und in dem dritten Austauscher 35 auf etwa 57 C erhitzt. Wenn eine Rückflußschlange verwendet wird, wird dann das Kühlmittel auf etwa 58° C erhitzt. Heißes Kühlmittel wird (durch das Achtwegeventil) zu einem Umgebungsluft-Wärmeaustauscher oder einer anderen Wärmesenke geschickt.

Die oberen Temperaturen zeigen den typischen erwarteten Betrieb eins Absorptionswärmepumpsystems unter Verwendung des Absorptionspaares R21-ETFE. Die Kondensator- und Verdampfertemperaturen, die hohen und niederen Drücke, die Konzentrationen des

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angereicherten und- schwachen flüssigen Kältemittels und die Kühlmitteltemperaturen am Einlaß des Kühlmittelweges repräsentieren Werte, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 796 773 als typisch für das gesamte System gezeigt sind, und sie sind auch etwas repräsentativ für tatsächliche Betriebsbedingungen.

Ein Absorber gemäß dieser ersten Ausführungsform wird optimal zugeschnitten, um die Absorptionswärme in optimaler Weise auszunutzen, um die zu dem Kocher gehende angereicherte Flüssigkeit vorzuerhitzen und um das Kältemittel für die Wärmezufuhr zu dem Raum, der in der Erhitzungsmethode zu erhitzen ist, und für die Wärmeabweisung an die Atmosphäre oder eine andere Wärmesenke in der Kühlungsvariante zu erhitzen. Die Anordnung und die Größen der Austauscher 31, 32, 34 und 35 werden so eingestellt, daß man gestattet, daß ein allmählicher Temperaturunterschied in dem gesamten Absorber 13 aufrechterhalten wird, daß die Wärmeabsorption in jedem der Kühlmittel und der angereicherten Flüssigkeiten ein erwünschtes Verhältnis hat und daß der Kondensator bei einer ausgewählten Temperatur zwischen den Temperaturunterschiedextremen in dem Absorber arbeitet.

Die relativen Größen (besonders Höhen) der Austauscher 34, 31, 35 und 32 werden auf Grund der Wärme- und Überführungskoeffizienten des Absorptionsverfahrens, der Kühlfließmittel und der angereicherten Flüssigkeit sowie der Antriebskraft für die Absorption (Druckunterschied zwischen den tatsächlichen Partialdrücken in dem Dampf und dem theoretischen Gleichgewichtspartialdruck von Kältemittel und Absorbens über der tatsächlichen Flüssigkeitszusammensetzung bei der tatsächlichen Temperatur und dem tatsächlichen Druck) in den verschiedenen Höhen des Ab-

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sorbers bestimmt. Die Absicht ist es, ein Gleichgewicht nahe dem Boden des Absorptionsraumes zu errreichen, während einige Temperatur-, Druck- und Konζentrationsabweichungen von dem Gleichgewicht nahe dem oberen Ende des Absorbers zugelassen werden können.

Eine bevorzugte Anordnung und Form der übereinander gestapelten Spiralwicklungen 34e ist in Fig. 5 gezeigt. Diese Ausführungsform ist besonders gut geeignet sowohl für vollständige Absorption als auch für maximalen Wärmeaustausch. Die Spiralröhren 34e besitzen länglichen Querschnitt mit abgerundeten oberen und unteren Abschnitten. Der Teil des Absorptionsraumes 13c zwischen einander benachbarten Windungen der Spiralwicklungen 34e bildet Durchgänge oder Absorptionszonen für die Aufwärtsbewegung des Kältemitteldampfes. Die absorbierende Flüssigkeit fließt abwärts an der Außenseite der Seitenwände der Spiralröhren 34e in einem dünnen Film und gestattet die Absorption von Kältemitteldampf in der absorbierenden Flüssigkeit. Das Vorhandensein von Einkerbungen 34j, die von einander benachbarten abgerundeten oberen und unteren Abschnitten einander benachbarter Spiralwicklungen 34e gebildet werden, bewirkt, daß der absorbierende Flüssigkeitsfilm sich vermischt und besonders turbulent wird und somit besonders geneigt ist, Kältemittel zu absorbieren. Genügend Turbulenz kann auch erreicht werden, ohne daß jede Spiralröhre äußere Einkerbungen (die auch andere Formen haben können) bilden, vielmehr brauchen nur bestimmte Röhren Einkerbungen zu haben. Beispielsweise können Absorber erfolgreich mit R21-ETFE verwendet werden, bei denen jede dritte, fünfte oder siebente Röhre einen abgerundeten Bodenabschnitt

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besitzt. Es sei bemerkt, daß mit einem solchen System ein Gleichgewicht bei zahlreichen Punkten innerhalb des Absorptionsraumes zwischen Kältemittel und absorbierender Flüssigkeit erreicht wird, was in Gegenwart von genügend Kältemittel bewirkt, daß jeder solche Punkt im wesentlichen die Sättigungsmenge an Kältemittel bei der Temperatur im Gleichgewicht mit im wesentlichen dem Dampfdruck des Kältemittels für die Temperatur in der Dampfphase hat. Während des Betriebs findet man in dem Absorber 13 eine optimale konstante Betriebsbedingung von Absorption und Wärmeaustausch. Die gleiche Struktur, wie sie in Fig. gezeigt ist, sollte an einem oder an mehreren Punkten in jeder der Wicklungseinheiten einschließlich der Kühlmittelwicklungen und der Wicklungen für angereicherte Flüssigkeit vorliegen.

Nach einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung, die in Fig. durch einen Absorber 113 erläutert ist, ist eine zylindrische Absorberwand 113a vorgesehen, die einen inneren oder Absorptionsraum 113c begrenzt. Innerhalb der Absorberwand 113a sind ein erster Austauscher 131 mit einer unteren Wicklungseinheit 131b und einer oberen Wicklungseinheit 131d, ein zweiter Austauscher 134 unterhalb des ersten Austauschers 131 und ein dritter Austauscher 135 oberhalb des ersten Austauschers 131. Schwache Flüssigkeit, die von dem Generator durch den Einlaß 129 kommt und durch den Verteiler 129a verteilt oder ausgebreitet wird, vermischt sich in dem Absorptionsraum 113c mit Kältemittel, das von dem Einlaß 128 kommt. Kältemittel aus dem Achtwegeventil wird durch den ersten Austauscher 134 in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Teil des Absorptionsraumes 113c nahe dem zweiten oder unteren Ende des Absorbers 113 und dann zu

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Kondensatorkältemitteleinlaß gepumpt. Kältemittel aus dem Kondensatorkältemittelauslaß geht durch den dritten Wärmeaustauscher 135 in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Teil des Absorptionsraumes 113c nahe dem oberen oder ersten Ende des Absorbers 113 und dann zu dem Achtwegeventil.

Angereicherte Flüssigkeit wird vom Boden des Absorbers 113 durch die Lösungspumpe 130 abgezogen, welche letztere über Magnete nahe einer Ausnehmung 113b durch einen Motor angetrieben wird, und durch die Leitung 131a zu dem ersten Austauscher 131 gepumpt. In der unteren Wicklungseinheit 131a des ersten Austauschers 131 geht die angereicherte Flüssigkeit nach innen durch Spiralwicklungen in Wärmeaustauschbeziehung mit einem Teil des Absorptionsraumes 112c zu einer inneren Sammelleitung 131c. Angereicherte Flüssigkeit geht aufwärts durch die Sammel- bzw. Verteilerröhre 131c auswärts durch Spiralröhren in dem oberen Teil 131d des ersten Austauschers und aus einer Röhre 131e durch die Absorberwand 113a. Ein isolierter Teil der Röhre 131e für angereicherte Flüssigkeit führt die angereicherte Flüssigkeit aus dem Absorber 113 zu dem Generator.

Während des Betriebs und des Durchganges des Kältemittels durch den Absorber 113 werden dem Kältemittel die in dem Absorber herrschenden Maximaltemperaturen erteilt, wobei die angereicherte Flüssigkeit in dem Austauscher 131 auf mittlere Temperaturen erhitzt wird. Dieses System ist im Vergleich mit der als Absorber 13 gezeigten ersten Ausführungsform etwas weniger vorteilhaft mit Absorptionspaaren, die eine höhere Generatormaximaltemperatur für die angereicherte Flüssigkeit be-

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stimmen. Mit Absorptionspaaren oder klimatischen Bedingungen, wo es erwünscht ist, Wärmeüberführung zu dem Kältemittel zu maximieren und wo etwas geringeres Vorerhitzen der angereicherten Flüssigkeit erwünscht ist, ist der Absorber 113 besser geeignet. Beispielsweise kann der Absorber 113 in kühleren Klimalagen verwendet werden, wo extreme Heizbedingungen auftreten, aber zusätzliche Kühlkapazität weniger wichtig ist. Der Absorber 113 kann auch mit Absorptionspaaren, wie Ammoniak-Wasser, verwendet werden.

Gemäß einer dritten Ausfuhrungsform der Erfindung, die in den Fig. 7 und 8 erläutert ist, ist ein Absorber 213 gezeigt. Der Einlaß oder die Röhre 229 für schwache Flüssigkeit, der Verteiler 229a, der Einlaß oder die Röhre 228 für verdampftes Kältemittel, der Kühlmitteleinlaß 232 und die Lösungspumpe 230 sind alle ähnlich den entsprechenden Elementen der Absorber und 113. Die Lösungspumpe 230 ist mit ihrem Auslaß mit einem Verteiler 23.1 für angereicherte Flüssigkeit verbunden, welche Auslässe besitzt, die mit einer Reihe von nach oben sich erstreckenden, kreisförmigen (oder zylindrischen) konzentrischen Ringen 235 verbunden sind. Die Ringe 235 sind an ihrer Basis verzweigt und haben Verbindungen zu einer ersten Anzahl mehrerer vertikal sich erstreckender im Umfang voneinander beabstandeter Durchgangsröhren, Rohrleitungen oder Strömungsräume 235b für angereicherte Flüssigkeit, die durch einander benachbarte Paare von Prallplatte 235a begrenzt werden. Radial alternierend mit den Ringen 235 findet sich eine Reihe von nach oben sich erstreckenden konzentrischen Ringen 234. Jeder Ring 234 ist an seiner Basis verzweigt und so mit dem Kühlmitteleinlaß 232 ver-

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bunden, daß eine Verbindung mit Kühlmitteldurchgängen, -röhren, -leitungen oder -Strömungsräumen 234b zwischen Prallplatten 234a in dem Kühlmittelkreislauf vorliegt. Wie in Fig. 8 erläutert ist, hat jeder Ring 234 Kühlmitteldurchange 234b, und jeder Ring 235 hat Durchgänge 235b für angereicherte Flüssigkeit. Alle der Röhren 235b für angereicherte Flüssigkeit sind an dem oberen Ende der Ringe 235 verzweigt und mit einem Auslaß oder einer Röhre 235c für angereicherte Flüssigkeit verbunden, die zu dem Generator führt. Alle Kühlmittelröhren 234b sind an ihrem oberen Ende verzweigt und mit einem Kühlmittelauslaß 234c verbunden. Absorption erfolgt in den Ringräumen oder Absorptionszonen 236 zwischen einander benachbarten Ringen 234 und 235, die zusammen einen Hauptteil des inneren oder Absorptionsraumes 213c bilden. Absorbierende Flüssigkeit fließt abwärts entlang den Wänden einander benachbarter Ringe 234 und 235 und absorbiert Kältemittel, das in der Mitte eines jeden Ringraumes 236 aufsteigt. Kühlmittel in den Röhren 234b und angereicherte Flüssigkeit in den Röhren 235b zieht die Absorptionswärme ab, bevor diese aus den Auslässen 234c und 235c austritt.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, erstrecken sich die Ringe 234 und die Ringe 235 von der benachbarten Pumpe 230 aus aufwärts. Kühlere Absorbermindesttemperaturen (und daher stärker angereicherte Flüssigkeit) können für einige Absorptionspaare erwünscht sein. Eine Kühlmittelwicklung ähnlich dem Austauscher 34 oder 134 kann oberhalb der Pumpe 230 eingesetzt und zwischen dem Einlaß 232 und den Röhren 234b verbunden sein. Die Ringe 234 und 235 wurden dann oberhalb der zusätzlichen Kühlwicklung beginnen.

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Der Absorber 213 ist etwas weniger bevorzugt als die Absorber 13 und 113 für Absorptionsppare, wie R21-ETFE, wenn die Oberflächen glatt sind. Wenn genügend Oberflächeneinkerbungen vorgesehen sind, um ausreichend Vermischung und Turbulenz zu erzeugen, wären diese Konstruktionen zufriedenstellend. Sonst können die Ringräume 236, die eine bloß fallende Filmzone bilden,
ungenügende Turbulenz und übermäßige Geschwindigkeit für gute Absorption von Kältemittel in absorbierender Flüssigkeit und
guten Wärmeaustausch von absorbierender Flüssigkeit mit angereicherter Flüssigkeit und Kühlmittel liefern. Außerdem muß der Kondensator entweder durch seinen Kühlmittelauslaß mit dem Absorberkühlmitteleinlaß 232 oder durch seinen Kühlmitteleinlaß mit dem Absorberkühlmittelauslaß 235c verbunden sein. Für viele Absorptionspaare ist die eine oder die andere dieser Verbindungen bevorzugt. Aber für R21-ETFE ist es bevorzugt, daß der
Kondensator bei einer Temperatur zwischen den Extremen in dem Absorber und innerhalb des erwünschten Temperaturbereiches in dem Kühlmittelweg arbeitet. Viele der obigen Nachteile gelten nicht für Systeme von Absorptionspaaren, wie Ammoniak-Wasser.

Eine weitere Konstruktion des Absorbers ist in den Fig. 9 und 10 erläutert.

In den Fig. 9 und 10 ist ein Absorber 313 mit der Absorberwand 313a mit einem Einlaß 329 für schwache Flüssigkeit an dem oberen Ende, einem Kältemitteldampfeinlaß 228 nahe dem unteren
Ende und einem Auslaß 23Oa für angereicherte Flüssigkeit an dem unteren Ende gezeigt. Eine Lösungspumpe 330 liegt außerhalb
(könnte aber auch innerhalb liegen) des Absorbers 313 und ist mit ihrem Einlaß mit dem Auslaß 33Oa und mit ihrem Auslaß mit

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einer Leitung 331 zurück zu dem Absorber verbunden. Eine Kühlmittelleitung 334 geht in den Absorber nahe dem unteren Ende, wo sie drei gleich voneinander beabstandete Wicklungen 334a, 334b und 334c von der Außenseite zur Innenseite bildet, wobei jede sich spiralförmig zum Inneren des Absorbers 313 hin erstreckt. Die Leitung 331 endet in der Wicklung 331a oberhalb und zwischen benachbarten Windungen der Wicklungen 334a und 334b und eine Wicklung 331b oberhalb und zwischen benachbarten Windungen von Wicklungen 334b und 334c. Wicklungen 331a und 331b beginnen verschiedene Windungen oberhalb der Böden der Wicklungen 334a, 334b und 334c. Die Wicklungen 334a, 334b, 334c, 331a und 331b teilen miteinander die Absorptionszone in mehrere gewundene Wege wegen der überlappenden Wicklungen, wie in Fig. 10 ersichtlich ist.

Natürlich können zahlreiche Modifizierungen jeder dieser Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne daß man den Erfindungsgedanken verläßt. Beispielsweise kann eine Spirale oder Mehrfachspirale von Wicklungen für angereicherte Flüssigkeit (oder Kühlmittelwicklungen) jeweils die Ringe 235 (und 234) in dem Absorber 213 bilden. Die Leitung 331 kann vollständig innerhalb des Absorbers 313 liegen. Die mit Lösungspumpen 30, 130 und 230 verbundene Struktur kann variiert werden, indem man entweder eine geeignete lange Welle von dem Motor zu der Pumpe durch die Absorberwand (mit einer geeigneten Dichtung versehen) oder eine Leitung zur Führung angereicherter Flüssigkeit außerhalb der Absorberwand zu einer Pumpe und sodann zurück durch die Absorberwand zu dem ersten Austauscher oder aber einen hermetisch abgedichteten Motor innerhalb des Pumpengehäuses vorsieht. In

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dem Absorber 213 können die relativen Mengen an Wärme, die zu dem Kühlmittel und der angereicherten Flüssigkeit überführt wird, durch Veränderungen des Verteilers 231 und verschiedene Zweigleitungen variiert werden, indem so einige Durchgänge 235b für angereicherte Flüssigkeit zu Kühlmitteldurchgängen 234b oder umgekehrt umgewandelt werden, was durch die erwünschten Betriebsbedxngungen und die thermodynamisehen Eigenschaften spezieller Absorptionspaare diktiert werden kann.

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Claims

Patentansprüche

(V) Verfahren zur Durchführung eines Absorptionswärmeaustausches unter Erzeugung eines Kältemitteldampfes aus einer mit Kältemittel angereicherten Absorbenslösung, Kondensieren des Kältemitteldampfes, Verdampfung des kondensierten Kältemitteldamptes und Absorbieren des verdampften Kältemitteldampfes in einer an Kältemittel schwachen Absorbenslösung unter Bildung der an Kältemittel reichen Absorbenslösung, dadurch gekennzeichnet, daß man in der Absorptionsstufe einen fallenden Film von Absorbenslösung in einem Kessel auf Wärmeaustauschflächen von einem ersten oberen Ende des Kessels zu einem zweiten unteren Ende

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des Kessels bildet, einen Kältemitteldampf durch einen Einlaß nahe dem zweitem unteren Ende des Kessels in eine Zone nahe dem fallenden Film einführt, den Kältemitteldampf in dieser Zone in der Absorbenslösung absorbiert und Wärme aus dem fallenden Film durch die Wärmeaustauschflächen entfernt und so einen Temperatur- und Konzentrationsgradienten von dem Bereich nahe dem ersten oberen Ende zu dem zweiten unteren Ende erzeugt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die an Kältemittel schwache Absorbenslösung in eine erste Anzahl mehrerer Anteile aufteilt und so eine erste Anzahl mehrerer fallender Filmabschnitte bildet und das verdampfte Kältemittel

Anzahl
in eine zweite/mehrerer Dampfanteile aufteilt, von denen jeder nahe einem der mehreren ersten fallenden Filmanteile abgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man zwei der ersten Anzahl von mehreren fallenden Filmanteilen über einander zugekehrte Wärmeaustauschflächen führt und einen der zweiten Anzahl mehrerer Dampfanteile den Raum zwischen den beiden einander zugekehrten fallenden Filmanteile einnehmen läßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man an Kältemittel angereicherte Absorbenslösung aus der Nähe des zweiten unteren Endes abzieht und die an Kältemittel reiche Absorbenslösung durch eine Leitung für angereicherte Flüssigkeit befördert, deren Inneres in Wärmeautauschbeziehung mit dem fallenden Film, doch ohne direkte Verbindung mit dem fallenden Film steht, wobei die an Kältemittel reiche Absorbenslösung durch die Wärmeaustausch^lachen hindurch erwärmt, aber auf

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dem hohen Kältemittelgehalt der Absorbenslösung nahe dem zweiten unteren Ende gehalten wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kältemittel in Wärmeaustauschbeziehung mit der Wärmeaustauschfläche so geführt wird, daß Wärme von dem fallenden Film der Absorbenslösung durch die Wärmeaustauschfläche hindurch abgezogen wird, und die an Kältemittel reiche Absorbenslösung aufwärts durch mehrere Durchgänge für angereicherte Flüssigkeit gepumpt und ein Kältemittel aufwärts durch mehrere Kältemitteldurchgänge gepumpt wird.
6. Absorbervorrichtung für ein Absorptionswärmepumpsystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein einen inneren Absorptionsraum begrenzendes Gehäuse mit einem ersten Ende, einem zweiten Ende, einem ersten Einlaß nahe dem ersten Ende, einem zweiten Einlaß nahe dem zweiten Ende und einem Auslaß nahe dem zweiten Ende und mehrere Wärmeaustauschelemente innerhalb des Gehäuses, die mehrere Wegabschnitte in Wärmeaustauschbeziehung mit dem inneren Absorptionsraum und mit dem Absorbergehäuse für ein Abziehen von Wärme aus dem inneren Absorptionsraum bei Absorption in diesem inneren Absorptionsraum bilden, wobei einige der mehreren Wegabschnitte zu einem ersten Weg für die Führung von Kältemittel verbindbar sind und der Rest der mehreren Wegabschnitte zu einem zweiten Weg zur Führung angereicherter Flüssigkeit verbindbar ist, dieser zweite Weg in Verbindung mit dem Auslaß und den mehreren Wegabschnitten, die den inneren Absorptionsraum in mehrere Absorptionszonen teilen, steht und jeder WegaL-schnitt ge gen eine benachbarte Absorptions zone abgedichtet und in Wärmeaustauschbe"iehung zu ihr ist.

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7. Absorbervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschelemente aus mehreren Wicklungseinheiten bestehen, von denen jede mehrere in einer Parallelanordnung übereinander gestapelte Spiralwicklungen hat, wobei diese Spiralwicklungen an ihrer Außenseite und Innenseite einen Verteiler- bzw. Sammlerraum aufweisen und jeder der Wegabschnitte der Verbindungszweig zwischen einem äußeren und einem inneren Verteiler- bzw. SammlerrauHi ist.
8. Absorbervorrichtung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Wärmeaustauschelemente ein erstes Wärmeaustauschelement, das mit dem ersten Weg verbunden ist, und ein zweites Wärmeaustauschelement, das mit dem zweiten Weg verbunden ist und zwischen dem ersten Wärmeaustauschelement und dem ersten Ende liegt, einschließen.
9. Absorbervorrichtung nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zwoite Wärmeaustauschelement einen Einlaß durch die Absorberwand hindurch in Verbindung mit einer Kühlmittelquelle und einen Auslaß durch diese Absorberwand hindurch in Verbindung mit dem Kühlmitteleinlaß des Kondensators des Wärmepumpsystems hat und daß die mehreren Wärmeaustauschelemente zusätzlich ein drittes Wärmeaustausehelement zwischen dem ersten Wärmeaustausehelernent und dem ersten Ende besitzen, wobei das dritte Wärmeaustauschelement einen Einlaß durch die Absorberwand besitzt und mit dem Kältemittelauslaß des Kondensators verbunden ist und einen Auslaß durch die Absorberwand besitzt.
10. Absorbervorrichtung nach Anspruch 6 bis 9, gekennzeichnet durch ein Gehäuse mit zwei Enden, das einen inneren Raum begrenzt und

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einen Einlaß für schwache Flüssigkeit am einen Ende und einen Einlaß für Kältemittel am anderen Ende besitzt, Einrichtungen zur Aufrechterhaltung eines Temperatur- und Konzentrationsgradienten der schwachen Flüssigkeit in dem inneren Raum, welche Kältemittel von einem niedrigsten Kältemittelgehalt aus und von höchster Temperatur aus nahe dem einen Ende zu einem höchsten Kältemittelgehalt und zu niedrigster Temperatur nahe dem anderen Ende absorbiert, Einrichtungen zum Abziehen von Lösung bei dem höchsten Kältemittelgehalt und der niedrigsten Temperatur in der Nähe des anderen Endes und Mittel zur überführung der Lösung in Wärmeaustauschbeziehung mit einem heißeren Teil des inneren Raumes und Mittel zum Abziehen von Wärme aus dem Absorptionsraum in einen Kältemittelkreislauf.
11. Absorbervorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Aufrechterhaltung eines Temperatur- und Konzentrationsgradienten mehrere Wegabschnitte enthalten, die den inneren Raum in mehrere Absorptionszonen unterteilen, die Einrichtungen zum Abziehen und Überführen von Lösung wenigstens einen dieser Wegabschnitte einschließen und die Einrichtungen zum Abziehen von Wärme wenigstens einen anderen dieser Wegabschnitteeinschließen, wobei jeder der Wegabschnitte gegen eine benachbarte Absorptionszone dicht abgeschlossen ist und in Wärmeaustauschbeziehung zu ihr steht.

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