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Verfahren und Rektifizierapparat zum Rektifizieren
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eines Kältemittel-Lösungsmittel-Dampfgemisches Die Erfindung betrifft
ein Verfahrem zum Rektifizieren eines Kältemittel-Lösungsmittel-Dampfgemisches in
einer nach dem Absorptionsprinzip arbeitenden Heizanlage, in der ein Heizmittel
erwärmt wird, sowie einen Rektifizierapparat zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei einer derartigen Heizanlage wird in einem Kältemittelkreislauf
unter Zufuhr von Brennstoffwärme ein Kältemittel aus einem damit angereicherten
Lösungsmittel ausgetrieben, verflüssigt, durch Wärmezufuhr aus der Umgebung verdampft
und von kältemittelarmern Lösungsmittel absorbiert. Ein Heizmittel wird durch Aufnahmen
von Absorptionswärme erwärmt und gibt seine Wärme an Wärmeverbraucher, beispielsweise
Raumheizkörper, ab. Aus dem kältemittelreichen Lösungsmittel wird in einem Austreiber
ein Zweiphasengemisch gewonnen, das eine im wesentlichen aus Lösungsmittel bestehende
Flüssigkeit und ein Gas enthält, welches aus einem Gemisch von Kältemittel und Lösungsmittel
besteht.
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Diese gasförmige Phase wird rektifiziert, wobei am Kopf des Rektifizierapparates
Kältemittel von einer relativ hohen Reinheit und am Sumpf des Rektifizierapparates
kälte-
mittelreiches Lösungsmittel erhalten wird, das erneut dem
Austreiber zugeführt wird.
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Um eine derartige, nach dem Prinzip der Wärmepumpe arbeitende Heizanlage
konkurrenzfähig gegenüber konventionellen Heizsystemen zu machen, liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art in seinem
Wirkungsgrad zu erhöhen oder, bei gleichbleibendem Wirkungsgrad, den Energieeinsatz
zu verringern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Heizmittel
zur Kondensation von Rücklaufflüssigkeit verwendet wird.
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Bei der Rektifikation strömt das zu rektifizierende Dampfgemisch im
Rektifizierapparat von unten nach oben, während im Gegenstrom dazu ein mit Kältemittel
angereicherter Lösungsmittelstrom nach unten fließt. Dabei steigt im Dampf nach
oben hin der Anteil des Kältemittels, wohingegen das Lösungsmittel unter Abgabe
von Kältemitteldampf auf seinem Weg nah unten wärmer und kältemittelärmer wird.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr ein Teil des kältemittelreichen Dampfgemisches
im oberen Abschnitt des Rektifikators durch Wärmetausch mit dem Heizmittel kondensiert
und fließt als Rücklaufflüssigkeit im Rektifizierapparat nach unten.
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Durch den Erfindungsgegenstand wird erreicht, daß sich unter Wärmeabgabe
an das Heizmittel ein Kondensat von hohem Kältemittelgehalt im Rektifizierapparat
bildet. Daraus ergeben sich als Vorteile ein zusätzlicher Wärme- und Stoffaustausch
zwischen Dampf und Kondensat, was zu einer Steigerung der Ammoniak-Konzentration
im abziehenden Dampf führt, sowie eine gleichzeitige Erwärmung des Heizmittels.
Beide Effekte führen zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der
Heizanlage.
Auch bei einem kleinen Siedepunktabstand der beiden Komponenten des zu rektifizierenden
Dampfgemisches wird an der Austrittsseite ein hinreichend hoher Gehalt des Gemisches
an der leichtersiedenden Komponente erreicht. Uberdies werden die bei der Rektifikation
freiwerdenden Wärmemengen voll zur Unterstützung des Prozesses genutzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für eine mit
dem Stoffpaar Ammoniak-Wasser arbeitende Absorptionsanlage kleiner Leistung, z.B.
eine Absorptions-Wärmepumpe für EinZ und Zweifamilienhäuser.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird
das Heizmittel vor der Kondensation von Rücklaufflüssigkeit in einem Absorber der
Heizanlage angewärmt.
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Wie bereits beschrieben worden ist, wird in dem Absorber ein Kältemittel
von Lösungsmittel absorbiert. Dabei entsteht Absorptionswärme, die auf das Heizmittel
übertragen wird.
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Die Wärmeübertragung findet gemäß dem erfindungsgemäßen Vorschlag
statt, noch bevor das Heizmittel zur Erzeugung von Rücklaufflüssigkeit dem Rektifizierapparat
zugeführt wird.
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Es wurde nämlich gefunden, daß durch die vorherige Anwärmung des Heizmittels
solche Heizmitteltemperaturen erreicht werden, daß mit einem richtig bemessenen
Rücklaufkondensator bei allen auftretenden Betriebsbedingungen gerade die zur Einstellung
der gewünschten Ammoniak-Konzentration benötigte Dampfmenge kondensiert. Gegenüber
alternativen Möglichkeiten der Rücklaufkühlung, z.B. durch Verdampfung eines Ammoniak-Kondensatstroms
oder durch Kühlung mit kaltem kältemittelreichem Lösungsmittel, kann hier auf eine
Steuerung des Vorgangs verzichtet werden.
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In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen,
daß das Heizmittel anschließend an die Kon-
densation von Rücklaufflüssigkeit
in Wärmetausch mit Rauchgas aus einem Wärmegenerator der Heizanlage weiter angewärmt
wird.
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Mit diesem Verfahrensschritt wird eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades
der Heizanlage erreicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Standhöhe der bei der Rektifikation gesammelten Sumpfflüssigkeit durch
eine standhöhenabhängige Steuerung der für den Abfluß der Sumpfflüssigkeit wirksamen
Druckdifferenz zwischen Austreiber und Absorber reguliert.
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Aus verfahrenstechnischen Gründen ist es notwendig, daß im Sumpf des
Rektifizierapparates eine bestimmte Standhöhe der an Lösungsmittel reichen Sumpfflüssigkeit
eingehalten wird. Da die Sumpfflüssigkeit in den Austreiber geleitet wird und anschließend,
nach Abtrennung von der im Austreiber gebildeten gasförmigen Phase, entspannt und
dem Absorber zugeführt wird, erfolgt die Regulierung der Standhöhe der Sumpfflüssigkeit
durch Veränderung der für die Menge des aus dem Rektifizierapparat abfließenden
Lösungsmittel verantwortlichen Druckdifferenz zwischen Austreiber und Absorber.
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Ein Rektifizierapparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist gekennzeichnet durch einen im Heizmittel-Strömungsweg angeordneten Rücklaufkondensator.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Rücklaufkondensator einerseits
mit einem in einem Absorber der Heizanlage befindlichen Wärmetauscher und andererseits
mit einem im Rauchgasstrom eines Wärmegenerators der Heizanlage angeordneten Rauchgas-Nachkühler
in Verbindung steht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rektifizierapparates
ist der Rücklaufkondensator als schrau-
benförmig gewickelte Rohrschlange
ausgebildet, deren Kern an der Oberseite abgedeckt ist.
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Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Rektifizierapparates der Rücklaufkondensator zusammen mit
einem Abtriebsteil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.
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Durch die Zusammenfassung mehrerer Funktionen lassen sich Bauvolumen
und Gewicht, und damit auch die Herstellungskosten, optimieren.
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Es ist von Vorteil, wenn entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Rektifizierapparates ein im unteren Teil des Rektifizierapparates angeordneter Schwimmerregler
mit einem Schwimmkörper, der über einen Hebelarm mit einem Verstellelement für den
Drosselquerschnitt eines Drosselelements in der Lösungsmittelleitung verbunden ist,
vorgesehen ist.
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Der Schwimmerregler ist so ausgeführt, daß der Schwimmkörper auf der
Sumpfflüssigkeit schwimmt. Sobald sich der Flüssigkeitsstand ändert, wird durch
die daraus resultierende Auf-oder Abwärtsbewegung des Schwimmers, über den Hebelarm
beispielsweise ein Drehschieber betätigt, der als Drosselelement in der Lösungsmittelleitung
zwischen Austreiber und Absorber angeordnet ist. Der Drosselquerschnitt wird bei
einem Absinken des Flüssigkeitsstandes verkleinert und bei einem Ansteigen vergrößert.
Durch diesen Mechanismus wird die aufgrund der zwischen Austreiber und Absorber
herrschenden Druckdifferenz aus dem Rektifizierapparat abfließende Lösungsmittelmenge
reguliert.
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Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand
von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Hierbei zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer als Absorptionswärmepumpe
ausgebildeten Heizanlage, Figur 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rektifizierapparates
in Längsschnittdarstellung Figur 3 ein Druck-Temperatur-Diagramm für den Kältemitteldampf
am Rücklaufkondensator.
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Die Heizanlage gemäß Figur 1 enthält einen Wärmegenerator 1, der mit
einem atmosphärischen Gasbrenner 2 ausgestattet ist.
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Ein mit Kältemittel, z.B. Ammoniak, angereichertes Lösungsmittel,
z.B. Wasser, wird von einer Umwälzpumpe 3 einem Wärmetauscner 4 zugeführt, in dem
es in Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel angewärmt und anschließend
über ein Rückschlagventil auf einen Rektifizierapparat 5 aufgegeben wird.
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In dem Rektifizierapparat 5 findet eine Zerlegung des kältemittelreichen
Lösungsmittels in eine aus kältemittelreichem Lösungsmittel bestehende Flüssigkeit,
die sich im Sumpf des Rektifizierapparates 5 ansammelt, und ein im wesentlichen
reines Kältemittel enthaltendes Gas, das sich im Kopf des Rektifizierapparates 5
sammelt, statt.
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Die kältemittelreiche Flüssigkeit wird aus dem Sumpf entnommen und
gelangt in einen im Wärmegenerator 1 befindlichen Austreiber 6, dem Wärme von dem
Brenner 2 zugeführt wird.
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Dabei verdampft das leichtersiedende Kältemittel aus dem Lösungsmittel.
Das entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird einem Abscheider 7 zugeführt, in
dem eine Phasentrennung durchgeführt wird.
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Die dampfförmige Phase, die ein Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch
enthält, wird in den unteren Teil des Rektifizierapparates 5 eingeleitet, während
das verbleibende flüssige
kältemittelarme Lösungsmittel im Wärmetauscher
4 gegen kältemittelreiches Lösungsmittel abgekühlt und über einen Schwimmerregler
18 in einen Adsorber 8 eingesprüht wird.
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Der Schwimmerregler 18 enthält einen Schwimmkörper 19, der auf der
im Sumpf des Rektifizierapparates 5 befindlichen Sumpfflüssigkeit schwimmt. Der
Schwimmkörper 19 ist über einen Hebelarm mit dem Verstellelement für den Drosselquerschnitt
verbunden. Das Drosselelement 20 ist im Leitungsquerschnitt der Lösungsmittelleitung
zwischen Austreiber 6 und Adsorber 8 angeordnet. In Abhängigkeit von der Standhöhe
der Sumpfflüssigkeit im Rektifizierapparat 5 wird durch den Schwimmerregler 18 der
Leitungsquerschnitt für das Lösungsmittel im Drosselelement 20 mehr oder weniger
geöffnet, wodurch die aufgrund der zwischen Austreiber 6 und Absorber 8 herrschenden
Druckdifferenz aus dem Sumpf des Rektifizierapparates 5 abfließende Lösungsmittelmenge
so eingestellt wird, daß stets eine ausreichende Flüssigkeitsvorlage im Sumpf des
Rektifizierapparates 5 vorhanden ist.
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Vom Kopf des Rektifizierapparates 5 wird dampfförmiges Kältemittel
entnommen und in einem Verflüssiger 10 verflüssigt.
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Das verflüssigte Kältemittel wird dann auf Verdampfungsdruck entspannt
und in einem Verdampfer 11 durch Zuführung von Wärme, beispielsweise aus der Umgebungsluft,
die von einem Ventilator 17 angesaugt wird, verdampft. Anschließend wird das gasförmige
Kältemittel dem Absorber 8 zugeführt.
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Im Absorber 8 wird das gasförmige Kältemittel durch das Lösungsmittel
absorbiert. Im Sumpf des Absorbers 8 sammelt sich kältemittelreiches Lösungsmittel,
das der Lösungsmittelpumpe 3 zugeführt wird.
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Die Absorptions-Heizanlage umfaßt ferner einen Heizmittelkreislauf,
in dem ein Wärmeträger, z.B. Wasser, über eine Umwälzpumpe 12 einer Verbrauchergruppe
13, beispielsweise
mehreren Raumheizkörpern, zugeführt wird. Das
Heizmittel gibt in der Verbrauchergruppe Wärme ab. Es gelangt anschließend in eine
Rohrschlange 14 im Verflüssiger 10, in der es erwärmt wird. In einem nachfolgenden
Wärmetauscher 15 im Absorber 8 wird das Heizmittel durch Aufnahme von Absorptionswärme
weiter erwärmt. Anschließend gelangt das Heizmittel erfindungsgemäß in einen im
Kopf des Rektifizierapparates 5 befindlichen Rücklaufkondensator 9, in dem es unter
teilweiser Kondensation des im Kopf des Rektifizierapparates 5 befindlichen Dampfes
weiter erwärmt wird. Schließlich wird das Heizmittel in einem Rauchgas-Nachkühler
16, der im Rauchgasstrom des Wärmegenerators 1 angeordnet ist, weiter angewärmt,bevor
es der Umwälzpumpe 12 wieder zugeführt wird.
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Der erfindungsgemäße Rektifizierapparat 5 ist in Figur 2 dargestellt.
Er weist eine Zuführung 23 für das vom Abscheider kommende, zu rektifizierende Dampfgemisch,
sowie eine Zuführung 24 für kältemittelreiches Lösungsmittel auf. Der Rektifizierapparat
5 enthält einen Abtriebsteil mit Austauschböden 21, sowie einen über den Austauschböden
21 liegenden Verstärkungsteil, der einen Rücklaufkondensator 9 aufweist. Abtriebsteil
und Verstärkungsteil sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, wodurch sich
eine besonders kompakte Bauweise des Rektifizierapparates 5 ergibt.
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Der Rücklaufkondensator 9 ist als schraubenförmig gewickelte Rohrschlange
ausgebildet, deren Wickelachse vertikal verläuft.
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Das zu rektifizierende Dampfgemisch strömt in den Dampfraum zwischen
dem untersten Austauschboden 21 und dem Schwimmerregler 18 und bewegt sich unter
wiederholter Kondensation und Dampfbildung auf den Austauschböden im Gegenstrom
zum kältemittelreichen Lösungsmittel nach oben. Dabei steigt im Dampf der Anteil
des Kältemittels, während das Lösungsmittel auf dem Weg nach unten Ammoniakdampf
abgibt. Über
dem Zulaufboden des kältemittelreichen Lösungsmittels
trifft das Dampfgemisch auf die Rohrschlange des Rücklaufkondensators 9, durch die
im Gegenstrom zum Dampf vom Absorber kommendes Heizmittel fließt. Der Wickelkern
der Rohrschlange ist an seinem oberen Ende mit einer Abdeckung 22 versehen, damit
der im Rektifizierapparat 5 aufsteigende Dampfstrom zwangsweise einen guten Kontakt
zur Rohroberfläche erhält.
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Die Temperatur der Rohroberfläche liegt am Austrittsende deutlich
unter der dort herrschenden Dampftemperatur, während sie am Eintritt des Heizmittels
etwa der gewünschten Dampf-Austrittstemperatur entspricht.
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Das dem Abtriebsteil zugeführte Lösungsmittel sammelt sich zusammen
mit der Rücklaufflüssigkeit im Sumpf des Rektifizierapparates 5. Aus verfahrenstechnischen
Gründen ist es dabei erforderlich, eine bestimmte Standhöhe der Flüssigkeit einzuhalten.
Die Regulierung erfolgt durch den Schwimmerregler 18, der den Drosselquerschnitt
des Drosselelements 20 im Leitungsquerschnitt der vom Abscheider (Hochdruckseite)
zum Absorber (Niederdruckseite) führenden Leitung 25 in Abhängigkeit von der Standhöhe
variiert. Der Schwimmkörper 19, der auf der Sumpfflüssigkeit schwimmt, betätigt
hierzu über einen Hebel einen Drehschieber der als Drosselelement 20 eingesetzt
ist. Sinkt beispielsweise der Flüssigkeitsspiegel der Sumpfflüssigkeit, dann verkleinert
der Drehschieber den Drosselquerschnitt, so daß weniger Flüssigkeit aus dem Rektifizierapparat
5 abfließen kann, und umgekehrt.
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Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung der Dampftemperaturen im
Kopf des Rektifizierapparates 5 in Abhängigkeit vom Druck des Dampfes. Die Zusammenhänge
sind für vier verschiedene Ammoniakkonzentrationen zwischen 99,60 und 95,95 Gew.%
am Austritt des Rektifizierapparates 5 aufgetragen.
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Der strichpunktiert eingetragene Verlauf der Heizmitteltemperatur
liegt innerhalb des Temperaturfeldes im zulässigen
Konzentrationsbereich.
Damit ist sichergestellt, daß nicht mehr Kältemitteldampf kondensiert, als zur Einstellung
der gewünschten Ammoniak-Konzentration erforderlich ist.