DE3246554C2 - Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren - Google Patents

Abstract

In der Patentanmeldung werden verschiedene Arbeitsgemische bestehend aus dem leichter siedenden Arbeitsstoff und dem schwerer siedenden Absorptionsmittel für den Einsatz in Sorptionskältemaschinen, Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren vorgeschlagen. Die aus der Kältetechnik bekannten Gemische, von denen Ammoniak-Wasser und Wasser-Lithiumbromid am häufigsten Anwendung finden, lassen sich nur bedingt in den bei höheren Temperaturen arbeitenden Wärmepumpen oder Wärmetransformatoren verwenden. Als Arbeitsstoff werden halogenierte Alkohole und aus dieser Stoffgruppe insbesondere Trifuorethanol genannt. Diese Stoffe zeichnen sich vor allem durch die mäßigen Dampfdrücke und die thermische Stabilität bei den in Wärmepumpen vorkommenden Temperaturen aus. Als Absorptionsmittel eignen sich bei hohen Temperaturen beständige organische Lösungsmittel, deren Siedepunkt über 260°C liegt. Die folgenden Stoffe und Stoffgruppen werden im einzelnen als Absorptionsmittel für Trifluorethanol vorgeschlagen: Glykolether, insbesondere Tetraethylenglykoldimethylether (E181), Phthalate, Sebacate, Naphthole, Naphthylamin, Tetraethylenpentamin, Diphenylamin, Benzophenon und 2-Hydroxybiphenyl. Weiterhin werden die Temperaturbereiche angegeben, in denen Sorptionsprozesse mit den genannten Arbeitsgemischen betrieben werden können.

Description

a) Sorptionswärmepumpe Umgebung: von-30°C bis 20°C
Nutzwärme: von 30° C bis 100⁰C
Antriebswärme: unterhalb 250°C,

wobei der Prozeß entweder als einstufige Sorptionswärmepumpe oder als Niedertemperaturstufe einer mehrstufigen Anlage realisiert ist:

b) Sorptionskältemaschine
Nutzkälte: oberhalb -40⁰C
Abwärme: unterhalb 50°C
Antriebswärme: unterhalb 250⁰C;

c) Sorptionswärme transformator
Umgebung: oberhalb 0°C
Antriebswärme: von 40⁰C bis 150⁰C
Nutzwärme: unterhalb 250⁰C,

wobei der Sorptionswärmetransformator als ein- und mehrstufiger Prozeß realisiert ist.

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Bei der Sorptionswärmepumpe und bei der Sorptionskältemaschine wird mit Hilfe von Wärme hoher Temperatur, die dem Prozeß als Antriebswärme dient, 4^r, Wärme von niedriger Temperatur auf ein mittleres Teniperaturniveau angehoben. Im Falle der Sorptionswärmepumpe wird diese, bei der mittleren Temperatur frei werdende Wärme als Nulzwärme an einen Verbraucher abgegeben. Dem Sorptionswärmctransformator 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 Arbeitsstoffen, und aus einem oder mehreren schwerer siedenden Stofien. den Absorptionsmitteln, bestehen.

Die aus der Kältetechnik bekannten Arbeitsmedien, e,o von denen Ammoniak — Wasser und Wasser — Lithiumbromid am häufigsten Anwendung finden, lassen sich nur bedingt in Wärmepumpen oder Wärmctransformaloren verwenden. Das Arbeitsstoff paar Wasser — Lithiumbromid eignet sich deshalb nicht für Wärmepumpen, tv, weil der Schmelzpunkt des Arbeitsstoffs Wasser mit 0 C /u hoch liegt, und somit der Verdampfer innen einliieren würde. Für eine Anwendung in Wärmctransformatoren 5st 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 dient dem Ziel, "eue Arbeitsgemische anzugeben, die sich für Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren besser eignen als die bisher verwendeten; insbesondere sollen die Nachteile der oben erwähnten Arbeitsstoffpaare vermieden werden.

Aus der GB-PS 20 80 821 ist es bekannt, zu diesem Zweck Arbeitsgemische zu verwenden, die aus Trifluorethanol als Arbeitsstoff und mindestens einem Absorptionsmittel der Gruppe der Glykolether und/oder der Gruppe der Phthalate bestehen.

Gegenüber den bisher verwendeten Arbeiisstoffen zeichnet sich Trifluorethanol durch einige wichtige Vorteile aus: Sein Schmelzpunkt von —45°C liegt hinreichend weit unter der niedrigsten für Sorptionswärmepumpen und -transformatoren infrage kommenden Arbeitstemperatur. Mit 73,6°C besitzt Trifluorethanol einen sehr günstig gelegenen Normalsiedepunkt, so daß der höchste in der 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. Ferner ist Trifluorethanol im Bereich der Arbeitstemperaturen von Sorptionswärmepumpen und -transformatoren thermisch stabil (J. G. Davoud: Proofof-Principle study of the D-cycle. AD-782 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.

Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn gemäß der Erfindung mindestens ein Absorptionsmittel Tetracthylenglykoldimethylether(E 181) und/oder mindestens ein Absorptionsmittel Dimelhylphthalat, Diethylphthalat oder Dibutylphthalat ist.

Als Beispiele für die Konzentrationsbereiche, bei denen eine Absorptionswärmepumpe arbeiten soll, werden die folgenden beiden Gemische betrachtet:

a) Trifluorethanol - E !8!

b) 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 150°C. Der Massenanteil der reichen Lösung liegt zwischen 0.15 und 0.30, wobei der Wert 0.30 für Niedertemperaturheizungen zutrifft.

Beim Gemisch b) liegen die Konzentrationen wegen des hohen Siedepunkts des Absorptionsmittels von 34!'C 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.

Besonders vorteilhaft werden die Arbeitsgemische gemäß der Erfindung in Sorptionsprozessen verwendet, die in den folgenden Temperaturbereichen arbeiten:

a) Sorptionswärmepumpe

Umgebung: von —30⁰C bis 20⁰C

N utzwärme: von 30° C bis 100° C

Antriebswärme: unterhalb 250⁰C.

wobei der Prozeß entweder als einstufige Sorp- 5 tionswärmepumpe oder als Niedertemperaturstufe einer mehrstufigen Anlage realisiert ist;

b) Sorptionskältemaschine
Nutzkälte: oberhalb -40⁰C

Abwärme: unterhalb 50⁰C io

Antriebswärme: unterhalb 250⁰C;

c) Sorptionswärmetransformator
Umgebung: oberhalb 0⁰C Antriebswärme: von 40° C bis 150° C Nutzwärme: unterhalb 250° C, 15 wobei der Sorptionswärmetransformator als ein- und mehrstufiger Prozeß realisiert ist.

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Claims (2)

1. Patentansprüche:

   Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen. Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren, bestehend aus mindestens einem Arbeitsstoff und mindestens einem Absorptionsmittel, wobei der Arbeitsstoff Trifluorethanol ist und mindestens ein Absorptionsmittel der Gruppe der Glykolether und/oder der Gruppe der Phtalate zugehört, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylenglykoldimethylether (E 181) und/oder mindestens ein Absorptionsmittel Dimethylphthalat, Diallylphthalat oder Dibutylphthalat ist.
2. 2. Verwendung der Arbeitsgemische nach Anspruch 1 in Sorptionsprozessen, die in den folgenden Temperaturbereichen arbeiten: