DE3435630C1

DE3435630C1 - Periodische Absorptionskältemaschine

Info

Publication number: DE3435630C1
Application number: DE3435630A
Authority: DE
Inventors: Walter 7981 Horgenzell Jehle; Klaus Dipl.-Ing. 7996 Meckenbeuren Speidel
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier GmbH
Priority date: 1984-09-28
Filing date: 1984-09-28
Publication date: 1986-05-22

Description

Die Erfindung betrifft eine periodische Absorptionskältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannt sind periodische Absorptionskältemaschinen (Plank. R.: Handbuch der Kältetechnik, 7. Band, Sorptionskältemaschinen, Dr. W. Niebergall, Springer Verlag Berlin 1959, S. 445 bis 448), bei denen der das Absorptionsmittel enthaltende Generator/Absorver vom Kondensator getrennt ausgeführt ist.

Ferner ist aus der DE-PS 5 62 992 eine Vorrichtung zur Kühlung mittels Kühlwasser und zur Isolierung gegen Wärmestrahlung von Kocher-Absorbern periodisch arbeitender Absorptionskältemaschinen bekannt. Hierbei umgibt ein Blechmantel das Gehäuse des Kocher-Absorbers mit einem Zwischenraum, durch den während der Kühlperiode zum Kühlen des Kocher-Absorbers Wasser fließt, dessen Zufluß während der Heizperiode abgestellt wird, so daß der Zwischenraum leer läuft und dadurch eine Isolation bildet.

Im ersten Arbeitsschritt wird aus dem Absorptionsmittel durch Zuführung von Wärme ein Kältemittel ausgetrieben und in dem separaten Kondensator unter Wärmeabgabe wieder verflüssigt. Dabei sollte der Generator/Absorber möglichst gut isoliert sein, um beim Aufheizen Wärmeverluste zu vermeiden. Wärmeverluste durch Aufheizen von dickwandigen Behältern sind unvermeidbar, da der Generator druckfest ausgelegt sein muß.
Im zweiten Arbeitsschritt — während des Kühlvorgangs — arbeitet der Generator/Absorber der periodischen Kälteanlage als Absorber. Dieser ist dabei zu kühlen. Eine möglichst ungehinderte Wärmeabfuhr ist anzustreben. Die bedeutet, daß der Generator/Absorber möglichst nicht isoliert werden sollte. Da das Austreiben bei hohen Drücken erfolgt, ist der Druckbehälter entsprechend zu dimensionieren; wodurch die Wärmekapazität ansteigt.

Die bekannten Kältemaschinen haben somit den Nachteil, daß sie einmal isoliert werden müssen (während des Austreibens) und dann die Isolation entfernt werden muß, um Wärme abzuführen (während der Absorption). Weiterhin ist durch die getrennte Bauweise und die druckfeste Ausführung der beiden Behälter Ge-

nerator/Absorber und Kondensator ein erhöhter Bauaufwand verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine periodische Absorptionskältemaschine zu schaffen, die einfacher aufgebaut ist, die einfach zu bedienen und billig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen periodischen Absorptionskältemaschine durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung des Generators/ Absorbers im Inneren des druckfesten Kondensators hat den Vorteil, daß der Generator/Absorber leicht und dünn ausgelegt sein kann. Da Außen- und Innendruck gleich sind, kann er als dünnwandiger Metallkörper ausgeführt sein. Er hat damit eine relativ kleine Wärmekapazität, wodurch die Verluste beim Aufheizen und Abkühlen minimiert werden. Die integrierte Bauweise verringert den Bauaufwand, da nur noch ein druckfester Behälter (Kondensator) notwendig ist.

Die Wände dieses Behälters können zur besseren Wärmeabfuhr aus einem Material mit einer guten Wärmeleitung ausgeführt sein. Aus der erfindungsgemäßen integrierten Bauweise ergibt sich eine relativ große Kondensatoroberfläche, die zu einer guten Wärmeabfuhr führt.

Der Druckbehälter (Kondensator) kann in einen Wasserspeicher eingebettet werden, der während des Austreibens die Kondensationswärme schnell aufnimmt, da die Wärme gut von der Metalloberfläche in Übertragungsmedium gibt seine Wärme im zweiten Wärmetauscher (WT₂) ab, der im Generator/Absorber das eigentliche Kältemittel aus dem Absorptionsmittel austreibt. Für die Wärmeabfuhr aus dem Generator/ Absorber bei der Absorption ist der dritte Wärmetauscher (WT3) vorgesehen, der wie der erste Wärmetauscher in Verbindung mit dem zweiten Wärmetauscher (WT2) im Generator/Absorber gebracht werden kann.

Bevorzugt ist ein gemeinsamer Kreislauf der drei Wärmetauscher mit einem gemeinsamen Wärmeübertragungsmedium vorgesehen. Als Wärmeübertragungsmedium kann ein bekanntes technisches, niedrigsiedendes Kältemittel wie Freon verwendet werden, das bei der Wärmeaufnahme verdampft und bei der Wärmeabgabe kondensiert. Mit vier Ventilen ist es möglich, die zwei Teilkreisläufe WT_i — WT₂ für den Austreibebetrieb und WT₂- WT₃ für den Absorptionsbetrieb voneinander zu trennen.

In einer bevorzugten Ausführung sind nur zwei Ventile vorgesehen, die jeweils einen Teilkreislauf schließen. Damit ist es möglich, mit einem Signal (Temperatur oder Druck) durch gleichzeitiges Betätigen beider Ventile die Betriebsart zu wechseln. Bei dieser Ausführung ist an beiden Ventilen je ein Speicher vorgesehen. Die vorgeschalteten Speicher dienen dazu, die notwendige Wärmeträgerflüssigkeit für den Austreib- bzw. Absorptionsbetrieb bereit zu halten. Im Falle des Austreibens wird das Ventil am Speicher 1 geschlossen, so daß sich genügend Flüssigkeit dort ansammelt. Beim Austreiben

das Wasser übergeht. Die im umfassenden Wasserbe- 30 wird sie automatisch dort gelagert, da der Speicher auf halter gespeicherte Wärme wird im wesentlichen durch der kalten Seite liegt. Im Falle der Absorption wird

Ventil 1 geschlossen und Ventil 2 geöffnet. Damit gelangt die gespeicherte Flüssigkeit in den Wärmetauscher WT₂ und füllt ihn. Damit ist eine ausreichende Wärmeträgerfüllung gesichert.

Die Arbeitsweise einer Ausführungsform der Erfindung mit 2 Ventilen wird an Hand einer Figur beschrieben.

Die Figur zeigt den Druckbehälter D, dessen Wand Kondensationswärme kann nach dieser Ausführung 40 gleichzeitig als Kondensator dient. Zur besseren Wärüber einen längeren Zeitraum an die Umgebung abge- meableitung ist er von einem Wasserspeicher WS(WaS-

Konvektion und Strahlung an die Umgebung abgegeben. Der Wasserbehälter ist dabei bevorzugt mit einer selektiven Schicht nach außen versehen, die ein hohes Emissionsvermögen und ein niedriges Absorptionsvermögen aufweist. Der Emissionskoeffizient ε ist größer als der Absorptionskoeffizient χ der Schicht.

Durch den im Wasserbad liegenden Kondensator ist ein schnelles Austreiben des Kältemittels möglich. Die

geben werden, so daß in vielen Fällen eine Luftkühlung des Systems möglich ist. Diese Auslegung ist besonders bei solaren Kühlprozessen mit Austreiben während der Einstrahlperiode und Abkühlen während der Nachtzeit günstig.

Vorteilhaft ist es, zwischen Generator/Absorber und Druckbehälter eine Isolation anzubringen, um Wärmeverluste klein zu halten. Es kann ein gebräuchliches wärmedämmendes Material oder eine ein- oder mehrschichtige Strahlungsisolation aus Blechen (Strahlungsschilde) verwendet werden. Günstig ist ein schalenförmiges Kühlschild, das den Generator/Absorber allseitig umhüllt und nur von unten belüftet wird, da dann die erwärmte Luft unter der »Glocke« bleibt.

Die Eintritts- und Austrittsleitung für das gasförmige Kältemittel in den Generator/Absorber wird bevorzugt von unten her bis über die Oberfläche des Absorptionsmittels geführt, um so Wärmeverluste durch Konvektion zu vermeiden. Möglich ist ebenso die Einleitung durch ein Steigrohr von unten oder seitlich in das Absorptionsmittel.

Die Wärmeein- und -auskoppelung in das Absorptionsmedium erfolgt erfindungsgemäß über drei Wärmetauscher. Der erste Wärmetauscher ist für das Aufheizen vorgesehen und wird bevorzugt mit einer solaren oder einer regnerativen Wärmequelle gekoppelt. Das im ersten Wärmetauscher (WT\) erwärmte Wärmeserbehälter WB) umgeben. Der Wasserspeicher WS dient zur schnellen Wärmeaufnahme vom Druckbehälter D. Die Wärme wird über die Außenwand des Wasserbehälters WB durch Strahlung abgegeben. Am Boden des Druckbehälters D befindet sich der Ablauf AB mit dem Kondensatableiter K, durch den das kondensierte Kältemittel zum Verdampfer WT₄ im Kälteaggregat KA, in dem die eigentliche Kühlleistung abgegeben wird, fließt. In dieser Ausführung dient der Ablauf AB gleichzeitig als Zulauf ZU, was wegen der periodischen Arbeitsweise möglich ist. Möglich ist ebenso ein getrennter Zulauf ZU, der das verdunstete Kältemittel vom Verdampfer WT4 wieder zum Absorber führt.

Im Inneren des Druckbehälters D befindet sich der Generator/Absorber GA, der mit einem festen oder flüssigen Absorptionsmittel AM, bevorzugt Ca CI2, gefüllt ist. Von unten her führt das Austritts- und Eintrittsrohr A für das Kältemittel, bevorzugt NH3, in den Generator/Absorber GA. Um den Generator/Absorber GA ist als Isolation glockenförmig und unten mit Öffnungen versehen der Kühlschild KS angeordnet. Im Absorptionsmittel AM befindet sich der Wärmetauscher WT₂, der mit Rohrleitungen für ein Wärmeübertragungsmedium mit den Wärmetauschern WT\ und WTi außerhalb des Druckbehälters D verbunden ist. Der Wärmetauscher WT\ nimmt die zum Betrieb notwendige Energie von einer externen Wärmequelle, z. B. von der Sonne

55

oder von einem Biogasbrenner auf. Der Wärmetauscher W⁷T₃ gibt die während des Absorptionsvorganges freiwerdende Wärme an die Umgebung ab. Zwischen dem Wärmetauscher WT\ und der gemeinsamen Leitung zu den Wärmetauschern WT₂ und WT₃ sind das Ventil V_x und der Speicher 52 angeordnet. Zwischen Wärmetauscher W⁷T₃ und der gemeinsamen Leitung zu den Wärmetauschern WTi und W-T₂ sind das Ventil V₂ und der Speicher Si angeordnet. Die Zulaufleitungen W⁷Ti nach WT₂ und WT₂ nach WT3 sind isoliert, um Wärmeabgaben im Steigrohr, das sich beim Austreiben des Kühlmittels nicht mit Wärmeübertragungsmedium vollständig füllen kann, zu minimieren. Isoliert ist auch der Speicher 52. Nicht isoliert ist jedoch Speicher S\.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine hat zwei periodisch wechselnde Betriebsarten:

a) Austreiben des Kältemittels

b) Absorbieren des Kältemittels = Kühlen

sonders für Kühlaggregate oder Kühlhäuser und zur Eiserzeugung in tropischen Gebieten mit Solarbetrieb. Bevorzugt ist ein Betrieb im Tagesrhythmus mit Austreiben während des Tages und Absorbieren (Kühlen) während der Nacht.

a) zum Austreiben des Kältemittels aus dem Absorptionsmittel AM wird das Ventil Vi geöffnet, das Ventil V₂ geschlossen und der Wärmetauscher WT\ erwärmt. Das Wärmeübertragungsmedium im Wärmetauscher WTi verdampft. Am Anfang des Verdampfens gelangt Dampf in den Wärmetauscher WT₂ und in den Wärmetauscher IVT₃. Im Wärmetauscher WT3 wird solange Wärme an die Umgebung abgegeben, bis der Speicher Si und der Wärmetauscher WT₃ mit Wärmeübertragungsmedium gefüllt sind. Dann ist die Wärmeabgabe gestoppt. Die Zulaufleitung WT2 nach WT3 im Steigrohr kann sich nicht mit Wärmeübertragungsmedium füllen, es liegt dort dampfförmig und flüssig vor; wegen der Isolation /geht aber wenig Wärme nach außen verloren. Durch Wärmezufuhr an WTi wird jetzt Wärme lediglich dem Generator/Absorber GA zugeführt. Dabei wird Kältemittel aus dem Absorptionsmittel AM ausgetrieben. Das dampfförmige Kältemittel gelangt über das Austritts- Eintrittsrohr A aus dem Generator/Absorber GA zur Innenseite des Druckbehälters D, wo es kondensiert und die Wärme über die Wand des nicht isolierten Druckbehälters D und den konvektiven Wasserspeicher WS an die Umgebung abgibt. Das kondensierte Kältemittel wird am Ablauf AB zum Verdampfer WT₄ über den Kondensatableiter K dem Kälteprozeß zügeführt.

b) zum Kühlen muß das Kältemittel absorbiert werden. Dazu wird Ventil Vj geschlossen und Ventil V₂ geöffnet. Dadurch wird Wärmeübertragungsmedium aus dem Speicher Si in den Wärmetauscher WT₂ geleitet. Somit steht genügend Flüssigkeit im Wärmetauscher WT₂ zur Verfügung. Das niedrigsiedende Wärmeübertragungsmedium verdampft nun im Wärmetauscher WT₂ und gibt die Wärme über Wärmetauscher W⁷T₃ an die Umgebung ab. Das gekühlte Absorptionsmittel AM nimmt über die Leitungen K und A Kältemittel aus dem Verdampfer WT4 des Kälteaggregats KA auf.

Der Speicher 52 nimmt beim Öffnen des Ventils Vi (beim Umschalten von Absorption auf Austreiben) die überschüssige Flüssigkeit aus WT₂ auf, die sonst den Speicher sperrt. Beim ersten Erwärmen von WTi wird flüssiges Wärmeübertragungsmedium teilweise in Speicher Si befördert.

Die Steuerung der Ventile zum Wechsel der Betriebsarten kann entweder von Hand oder automatisch erfolgen. Dann werden Zeitsteuerungen oder Sensoren für Temperatur oder Druck verwendet.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine eignet sich be-Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Periodische Absorptionskältemaschine mit einem Generator/Absorber, der einen Feststoff oder eine Flüssigkeit als Absorptionsmittel enthält, mit einem Kondensator für das Kältemittel, mit einem oder zwei Anschlüssen an einen Verdampfer, mit Vorrichtungen zum Erwärmen oder Kühlen des Absorptionsmittels und mit einem Wärmetauscher im Generator/Absorber, der mit einem weiteren Wärmetauscher außerhalb des Generator/Absorbers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator/Absorber (GA) im Inneren eines als Kondensator dienenden Druckbehälters (D) angeordnet ist und daß im Generator/Absorber (GA) ein Wärmetauscher (WTt) vorgesehen ist, der mit zwei Wärmetauschern (WT\, WT₃) außerhalb des Druckbehälters (D) verbunden ist.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator/Absorber (GA) dünnwandig ist, eine geringe Wärmekapazität besitzt und/oder aus Metallblech besteht.

3. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Isolation zwischen Generator/ Absorber (GA) und Druckbehälter (D).

4. Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation durch ein oder mehrere dünne Kühlschilde (KS) gebildet wird.

5. Kältemaschine nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kühlschilde (KS) den Generator/Absorber (GA) allseitig umgeben und nur von unten belüftet sind.

6. Kältemaschine mit einer Ein- und Austrittsleitung im Generator/Absorber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus- und Eintrittsleitung (A) von unten aus dem Innenraum des Druckbehälters (D) in das Absorptionsmittel (AM) oder über dessen Oberfläche führt.

7. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand des Druckbehälters (D) eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und/oder von einem Wasserspeicher (WS) umgeben ist.

8. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Oberfläche des Druckbehälters (D) oder des Wasserspeichers (WS), deren Emissionsvermögen ihr Absorptionsvermögen übertrifft (ε > a).

9. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den zu einem gemeinsamen Kreislauf angeordneten und mit einem gemeinsamen Wärmeübertragungsmedium gefüllten Wärmetauschern (WTu WT₂, WT₃) Ventile (V\, V₂) vorgesehen sind, die ein Fließen des Wärmeübertragungsmediums durch den inneren Wärmetauscher (WT₂) und je einen oder beide äußeren Wärmetauscher (WTu WT₃) ermöglichen.

10. Kältemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium, ζ. B. Freon, bei Wärmeaufnahme im Wärmetauscher (WT\) verdampft und bei Wärmeabgabe im Wärmetauscher (WT₂) kondensiert.

11.. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Wärmetauscher (WT₁, W₃) und der gemeinsamen Leitung zu den Wärmetauschern (WT₂, WT₃) oder (WT_U WT₂) je eines der Ventile (V_u V₂) und je ein Speicher (S\, S₂) angeordnet sind.

12. Kältemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (S₂) und die außerhalb des Druckbehälters (D) angeordneten Rohrleitungen, in denen sich Wärmeübertragungsmedium dampf- oder gasförmig befindet, mit einer Isolation (I) versehen sind.

13. Kältemaschine nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Ventilsteuerung, die ein Ventil (V_h V₂) öffnet, wenn das andere Ventil (V₂, V,) geschlossen wird.

14. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch Druck- oder Temperatursensoren, welche die Ventile (V\, V₂) automatisch öffnen oder schließen.

15. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (WT\) in einem Solarkollektor integriert ist, in Wärmekontakt zu einem Solarkollektor steht oder von einer alternativen Energiequelle, wie Biogas, beheizt wird.