DE3246554A1

DE3246554A1 - Arbeitsgemische fuer sorptionswaermepumpen, sorptionskaeltemaschinen und sorptionswaermetransformatoren

Info

Publication number: DE3246554A1
Application number: DE19823246554
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Seher; Karl Prof.Dr.-Ing. Stephan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-12-16
Filing date: 1982-12-16
Publication date: 1984-06-20
Also published as: DE3246554C2

Description

Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskälte-
maschinen und Sorptionswärmetransformatoren Bei der Sorptionswärmepumpe und Sorptionskältemaschine wird mit Hilfe von Wärme bei hoher Temperatur, die dem Prozeß als Antriebswärme dient, Wärme von niedriger Temperatur auf ein mittleres Temperaturniveau angehoben. Im Falle der Sorptionswärmepumpe wird diese, bei der mittleren Temperatur frei werdende Wärme, als Nutzwärme an einen Verbraucher abgegeben. Dem Sorptionswärmetransformator dient als Antriebsenergie Wärme bei einer mittleren Temperatur, von der ein Teil bei einer hohen Temperatur als Nutzwärme, der andere Teil bei einer niedrigen Temperatur als Abwärme frei wird. Als Arbeitsmedien für diese Sorptionsprozesse finden Gemische Anwendung, die im allgemeinsten Fall aus einer oder mehreren leichtersiedenden Komponenten, den A r b e t t s 5 t o f f e n , und aus einem oder mehreren schwerer siedenden Stoffen, den A b 5 o r p t i o n s m i t t e 1 bestehen.
Die aus der Kältetechnik bekannten Arbeitsmedien, von denen Ammoniak - Wasser und Wasser - Lithiumbromid am häufigsten Anwendung finden, lassen sich nur bedingt in Wärmepumpen oder Wärmetransformatoren verwenden. Das Arbeitsstoffpaar Wasser -Lithiumbromid eignet sich deshalb nicht für Wärmepumpen, weil der Schmelzpunkt des Arbeitsstoffs Wasser mit OOC zu hoch liegt, und somit der Verdampfer innen einfrieren würde. Für eine Anwendung in Wärmetransformatoren ist das Lösungsfeld der Salzlösung wegen der Kristallisationsgrenze für viele Einsatzfälle zu schmal. Die Verwendung von Ammoniak - Wasser ist wegen der zu hohen Anlagendrücke und der Giftigkeit des Ammoniaks bedenklich.
Außerdem wird im Austreiber eine Rektifikationseinrichtung benötigt, die das Wärmeverhältnis und den Wirkungsgrad einer Anlage stark herabsetzt.
Die Erfindung soll dem Ziel dienen, neue Arb.eits-gemische zu verwenden, die sich für Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren besser eignen als die bisher verwendeten. Insbesondere sind die Nachteile der oben erwähnten Arbeitsstoffpaare zu vermeiden.
Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß halogenierte Alkohole, insbesondere Trifluorethanol, als Arbeitsstoff vorgeschlagen werden, für die hochsiedende organische Stoffe aus der Gruppe der Glykolether, Phthalate, Sebacate, Naphthalin-Derivate, Phenolderivate und Amine als Absorptionsmittel verwendet werden.
Gegenüber den bisher verwendeten Arbeitsstoffen zeichnet sich Trifluorethanol durch einige wichtige Vorteile aus: Sein Schmelzpunkt, -45°C, -liegt hinreichend weit unter der niedrigsten, für Sorptionswärmepumpen und -transformatoren infrage kommenden Arbeitstemperatur. Mit 73,60C besitzt Trifluorethanol einen sehr günstig gelegenen Normalsiedepunkt, so daß der höchste, in einer Anlage vorkommende Druck nur wenig größer als der Umgebungsdruck ist. Dadurch verbilligt sich die Herstellung einer Anlage erheblich, da einerseits geringere Wanddicken in den einzelnen Apparaten erforderlich sind und andererseits einfachere Konstruktionen für die Lösungspumpe verwendet werden können.
Weiterhin ist Trifluorethanol im Bereich der Arbeitstemperaturen von Sorptionswärmepumpen und -transformatoren thermisch stabil (J.G. Davoud: Proof-of-Priciple study of the D-cycle.
AD-782 904 U.S. Nat. Techn. Inf. Serv. (1974)).
Als Absorptionsmittel eignen sich vor allem Stoffe, deren Siedepunkt um mindestens 200 K höher liegt als der des Arbeitsstoffs, weil man dann keine Rektifiziersäule benötigt, die sich negativ auf das Wärmeverhältnis und den Wirkungsgrad eines Prozesses auswirkt. Als besonders günstig erweisen sich die in Tabelle 1 aufgeführten Stoffe.
Tabelle 1: Absorptionsmittel für halogenierte Alkohole chem. Schmelz- Siede-Formel punkt punkt [001 [°C] Tetraethylenglykol- C 10H -28 275 dimethylether (E181) C10H22O5 Dimethylphthalat C10H1oO4 1 284 Diethylphthalat C12H1404 298 Dibutylphthalat 016H2204 3411) Dimethylsebacat C12B22°4 28 294 Diethylsebacat C14H26°4 3 3042) Dibutylsebacat C18H34O4 1 349 1-Naphthol C1oH8 0 96 288 2-Naphthol 01oH8 0 123 295 1-Naphthylamin 010H9 N 49 300 Tetraethylenpentamin 23H9 N5 Benzophenon C13H10O 48 306 2-Hydroxybiphenyl 0 12H100 59 287 Diphenylamin C24H22N2 53 302 Wie man aus der Zusammenstellung erkennen kann, liegen die Siedepunkte der vorgeschlagenen Absorptionsmittel in den meisten Fällen um weit mehr als 200 K über dem Siedepunkt des Arbeitsstoffes Trifluorethanol. Eine Rektifiziersäule ist daher nicht notwendig. Eine Kristallisationsgefahr in breiten Arbeitstemperaturbereichen ist nicht gegeben; da die Schmelzpunkte der Absorptionsmittel niedrig liegen, vergleicht man sie insbesondere mit den Schmelztemperaturen von Salzen.
1) bei 763 Torr 2) bei 73c Torr Als Beispiele für die Konzentrationsbereiche, bei denen eine Absorptionswärmepumpe arbeiten soll, werden die folgenden drei Gemische betrachtet: a) Trifluorethanol - E181 b) Trifluorethanol - Dimethylsebacat c) Trifluorethanol - Dimethylphthalat Beim,Gemisch a) bewegt sich der Massenanteil der armen Lösung zwischen 0.08 und 0.25. Der kleine Wert gilt dabei für Austreibertemperaturen bei 1800C, der hohe Wert bei 1500C. Der Massen anteil der reichen Lösung liegt zwischen 0.15 und 0.30, wobei der Wert 0.30 für Niedertemperaturheizungen zutrifft.
Das Absorptionsmittel des Gemisches b) besitzt einen höheren Siedepunkt als E181. Daher verschieben sich die Konzentratione zu höheren Werten. Die arme Lösung nimmt für den Massenanteil Werte zwischen 0.12 und 0.3, die reiche Lösung zwischen 0.2 und 0.35 an.
Beim Gemisch c) liegen die Konzentrationen wegen des hohen Siedepunkts des Absorptionsmittels von 3410C am höchsten. Der Massenanteil der armen Lösung bewegt sich zwischen 0.15 und 0.35, der der reichen Lösung zwischen 0.25 und 0.4.

Claims

Patentansprüche 1. Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren bestehend aus mindestens einem Arbeitsstoff und mindestens einem Absorptionsmittel d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Arbeitsstoff der Gruppe der halogenierten Alkohole zugehört und als Absorptionsmittel hochsiedende organische Stoffe verwendet werden.
2. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß der Arbeitsstoff Trifluorethanol ist.
3. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß mindestens ein Absorptionsmittel der Grupe der Glykolether zugehört.
4. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 dadur c hg eke nnz ei chne t daß mindestens ein Absorptionsmittel der Gruppe der Phthalate zugehört.
5. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Absorptionsmittel der Gruppe der Sebacate zugehört.
6. Arbeitsgemlsche nach.Anspruch g B.is 3 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylenglykoldimethylether (E181) ist.
7. Arbeitsgemische nach Anspruch 1, 2 und 4 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß mindestens ein Absorptionsmitttel Dimethylphthalat, Diethylphthalat oder Dibutylshthalat ist.
8. Arbeitsgemisch.e nach Anspruch 1 , 2 und 5 d a d u r c h g e k e n n z e t.c h n e t daß mindestens ein Absorptionsmittel Dimethylsebacat, Diethylsebacat oder Dibutylsebacat ist.
9. Arheitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h. g e k e n n z e i c h. n e t daß mindestens-ein Absorptionsmittel 1-Naphthol oder 2-Naphthol ist.
1o. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Absorptionsmittel 1-Naphthylamin ist.
11. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder -2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylenpentamin ist.
12. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h gekennzeichnet, daß mindestens ein Absorptionsmittel Benzophenon ist.
13. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens ein Absorptionsmittel 2-Hydroxybiphenyl ist.
14. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 d a d u r c h g e k e n n z e i c b n e t , daß mindestens ein Absorptionsmittel Diphenylamin ist.
55. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Stoffpaarungen als Arbeitsgemische vorgeschlagen werden: Trifluorethanol - Tetraethylenglykoldimethylether (E181), Trifluorethanol - Diinethyiphthalat, Trifluorethanol -Diethylphthalat, Trifluorethanol - Dibutylphthalat, Trifluorethanol - Dimethylsebacat, Trifluorethanol -Diethylsebacat, Trifluorethanol - Dibutylsebacat, Trifluorethanol - 1-Naphthol, Trifluorethanol - 2-Naphthol, Trifluorethanol - 1-Naphthylainin, Trifluorethanol -Tetraethylenpentamin, Trifluorethanol - Benzophenon, Trifluorethanol - 2-Hydroxybiphenyl, Trifluorethanol -Diphenylamin.
16. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß binäre und Mehrstoffgemische der in Anspruch 6 bis 14 genannten Substanzen Absorptionsmittel für den Arbeitsstoff Trifluorethanol sind.
17. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet daß die entsprechenden Sorptionsprozesse in den folgenden Temperaturbereichen arbeiten sollen: Sorptionswärmepumpe Umgebung: von - 300C bis 200C Nutzwärme: von 300C bis 1000C Antriebswärme: unterhalb 2500C Der Prozeß kann dabei entweder als einstufige Sorptionswärmepumpe oder als Niedertemperaturstufe einer mehrstufigen Anlage realisiert sein.

Sorptionskältemaschine Nutzkälte: oberhalb - 400C Abwärme: unterhalb 50°C Antriebswärme: unterhalb 2500C Sorptionswärmetransformator Umgebung: oberhalb oo 0 Antriebswärme: von 400C bis. 1500C Nutzwärme: unterhalb 2500C Der Sorptionswärmetransformator kann dabei als ein-und mehrstufiger Prozeß realisiert sein.