DE3115031A1 - Stoffsysteme fuer sorptionswaermepumpen - Google Patents

Description

• Stoffsysteme für Sorptionswärmepumpen
• Die Erfindung betrifft Mehrstoffsysteme für den Einsatz in Sorptionswärmepumpen (mcl. Kühlanlagen und Wärmetransformatoren).
• Stand der Technik: Heute werden fast ausschließlich die Stoffpaare Ammoniak/Wasser und Wass er/lithiumbromid eingesetzt. Anlagen mit Methanol/Lithiumbromid und R22/Tetraethylenglycoldimethylether befinden sich in der Erprobungsphase. Obwohl sehr viele Stoffkombinationen vorgeschlagen wurden, verdienen nur sehr wenige wirklich Aufmerksamkeit: Zu geringer Siedepunktabstand führt zu Rektifikationsverlusten, zu geringe Möslichkeit begrenzt den Einsatz usw. Sehr gute Chancen muß man dem Stoffpaar Ammoniak/Natriumthiocyanat (NH3/NaSCN) zubilligen. Das von Blytas und Daniels (Concentrated Solutions of NaSCN in Liquid Ammonia, J. Am. Chem. Soc. 84 (1962), S. 1075ff) vorgeschlagene bzw. vermessende Stoffpaar zeichnet sich durch weite Einsatzgrenzen, Stabilität und Nicht-Korrosivität aus.
• Aufgabe der Erfindung ist, eine Steigerung des COP (coefficient of performance: das Verhältnis Kälteleistung zu Kocherleistuna und damit der Wirtschaftlichkeit von Sorptionswärmepumpen zu erzielen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere in Ammoniak gut lösliche Salze kombiniert werden, so daß sich ein Mehrstoffsystem ergibt, das bessere Eigenschaften als das Zweistoffsystem aufweist.
• Betrachtet man einen idealisierten Kreibtrozeß einer Sorptionswärmepumpe, welcher gekennzeichnet ist durch - 10096gen Austausch im Rekuperator - gegen Null gehende Entgasungsbreite - Kondensatordruck weit unter kritischem Druck - Kondensationstemperatur gleich Absorptionstempeatur - Kondensatkühlung - Lösungsvorwärmung mit dem vom Kocher kommenden Dampf, so erkennt man, daß der weit überwiegende Teil der zu- oder abzuführenden Wärmemengen auf den drei Temperaturniveaus von Verdampf er, Kondensator/Absorber und Kocher zu- bzw. abgeführt wird.
• Da der Wärmeaustausch der Lösung im Rekuperator als reversibel betrachtet werden kann und da Reibung im Idealprozeß nicht auftaucht, muß es sich zwangsläufig um einen Drei-Temperaturen-Kreisprozeß handeln, dessen thermodynamischer Gütegrad bezogen auf den doppelten Carnot-Prozeß im Idealfall gleich eins ist.
• Diese Überlegungen führen zu dem Schluß, daß der mit einem gegebenen Stoffsystem erzielbare COP gleich dem Verhältnis der B-Eoeffizienten von Arbeitsmittel und Lösung ist (B-Koeffizient aus: lg p = A - B/), bezogen auf einen durch Verdampfungs- und Kondensations-/Absorptionstemperatur festgelegten Betriebszustand.
• Das Lösungsfeld eines Stoffsystems liefert damit klare Hinweise auf den zu erwartenden COP. Das Stoffpaar NH3/NaSCN schneidet hierbei besser ab als Stoffpaare wie z. B. Methanol/LiBr und NH3/Wasser. Noch bessere COPs lassen sich erreichen, wenn Arbeitsmittel und Lösung sich im flüssigen Zustand endotherm mischen.
• Bei diesen Stoffsystemen ist der B-Koeffizient der Lösung kleiner als der des Arbeitsmittels, so daß sich COPs über 1 errechnen lassen.
• In Frage kommen für die Lösung praktisch nur die Nitrate und Nitrite der Alkalimetalle. Deren molare Löslichkeit ist in Ammoniak recht hoch, bei Natriumnitrat/-nitrit beträgt sie ca. 20/19%, für den Einsatz in Sorptionswärmepumpen ist jedoch die dabei erzielte Siedepunktserhöhung von 18 bzw. 11 K (im Bereich üblicher Absorbertemperaturen) zu gering.
• Eine Analyse der Arbeiten von Aker, Squires, Albright (An Evaluation of Alcohol-Salt Mixtures, AHRAB-J., May 1965) zeigt jedoch, daß durch Kombination mehrerer Salze die Einsatzgrenzen des Systems sehr weit ausgedelmt werden können. Die B-Koeffizienten der erhaltenen Lösung liegen dabei nahe beim arithmetischen Mittel der betreffenden B-Koeffizienten der reinen Zweistoffsysteme.
• Eine erste Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht daher darin, mehrere sich endotherm mischende Salze so zu kombinieren, daß sich eine ausreichende Siedepunktserhöhung ergibt. Für diese Kombination werden vorgeschlagen: Lithiumnitrit, Lithiumnitrat, Natriumnitrit, Natriumnitrat, Kaliumnitrit und Kaliumnitrat.
• Die zweite Lösung besteht darin, ein oder mehrere der obigen Salze zu einer NX/NaSCN-Lösung zuzugeben, um die (ohnehin recht flache) Dampfdruckkurve dieser Lösung weiter abzuflachen, was zu einer erhöhung des Wärmeverhältnisses führt, ohne daß die Einsatzgrenzen dieses Stoffsystems unzulässig eingeengt werden. Zusätzlich können noch Lithium und Kaliumthiocyanat zugegeben werden, so daß sich die Zusammensetzung auf die vereinfachte Beschreibung "Lösung von Nitriten, Nitraten und Thiocyanaten derAlkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium" reduziert. Die Anteile der einzelnen Anionen und Kationen müssen von Fall zu Fall festgelegt werden. So ist z. B. zu beachten, daß Lithiumnitrit über 200 OC zur Zersetzung neigt und Lithiumnitrat mit NH3 reagieren kann. Andererseits ist gerade Lithiumnitrit mit seiner geringen Molmasse von 53 prädestiniert für einen hohen thermodynamischen Gütegrad, da sich bei kleiner Molmasse der Lösung hohe Entgasungsbreiten besser realisieren lassen.
• Die Korrosivität aller vorgeschlagenen Stuffsysteme dürfte vernachlässigbar sein, da es sich um nicht-wässrige Lösungen handelt und außerdem keine Halogene beteiligt sind.

Claims (3)

1. Schutzansprüche: S Stoffsystem für Sorptionswärmepumpen, dadurch gekennzeichnet.

   daß als Arbeitsmittel Ammoniak verwendet wird und die Lösung aus Ammoniak und Nitriten, Nitraten und Thiocyanaten der Alkalimetalle Lithium, Natrium und Kalium zusammengesetzt ist.
2. 2. Stoffsystem für Sorptionswärmepumpen, dadurch gekennzeichnet.

   daß als Arbeitsmittel Ammoniak verwendet wird und die Lösung aus Ammoniak, Natriumcyanat (NaSON) und Natriumnitrit zusammengesetzt ist.
3. 3. Stoffsystem für Sorptionswärmepumpen, dadurch gekennzeichnet.

   daß als Arbeitsmittel Ammoniak verwendet wird und die Lösung aus Ammoniak, Natriumthiocyanat und Natriumnitrat zusammengesetzt ist.