DE3514108A1

DE3514108A1 - Mehrstoffgemische fuer sorptionswaermepumpen, sorptionskaeltemaschinen und sorptionswaermetransformatoren

Info

Publication number: DE3514108A1
Application number: DE19853514108
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Ing. 7024 Filderstadt Seher; Karl Prof.Dr.-Ing. 7000 Stuttgart Stephan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-04-19
Filing date: 1985-04-19
Publication date: 1986-10-23
Also published as: DE3514108C2

Description

Bezeichnung: Mehrstoffgemische für Sorptionswärmepumpen,
Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren Mehrstoffgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren Durch Sorptionswärmeprozesse kann man W.irme, die bei einer bestimmten Temperatur zur Verfügung steht, bei einer anderen gewinnen. Dabei sind den entsprechenden Prozessen außer Warme keine merklichen Mengen anderer Energiearten insbesondere keine mechanische oder elektrische Energie zuzuführen. Die Sorptionswärmepumpe wird durch Wärme bei der höchsten Temperatur angetrieben und oibt die Nutzwärme bei der mittleren Temperatur ab. Dabei ist Wärme bei der niedrigsten Temperatur auezunehmen. Die Sorptionskältemaschine arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Die Wärmeaufnahme bei der niedrigsten Temperatur dient dabei zur Kälteerzeugung. Die Wärme bei der mittleren Temperatur wird als Abwärme frei. Der Sorptionswärmetransformator wird durch Wärme bei mittlerer Temperatur angetrieben und lietert die Nutzwärme bei der höchsten Temperatur, wobei Wärme bei der niedrigsten Temperatur an die Umgebung abzugeben ist. Er dient zur Nutzung und Vergütung von Abwärme. Als Arbeitsmedien für diese Prozesse werden Gemische verwendet, die im allgemeinsten Fall aus einer oder mehreren leichter siedenden Komponenten, den A r b e i t 5 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 5 m i t t e 1 n , bestehen.
Das in der Kältetechnik verwendeten Gemisch Ammoniak - Wasser eignet sich wenig für einen Einsatz in Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren. Wegen der im Vergleich zu Kälteanlagen höheren Verflüssigungstemperaturen werden die Drücke in Anlagen, die mit diesem Gemisch betrieben werden, groß. Dadurch erhöht sich di dem Prozeß zuzuführende elektrische Energie; sie kann beim Wärmetransformator über 10% der Nutzwärme betragen¹.
Bei einer Ammoniak - Wasser Absorptionswärmepumpe beträgt der obere Druck bei einer Verflüssigungstemperatur von 60°C mindestens 26 bar. Ein weiterer einschneidender Nachteil ist, daß zur Trennung des Gemisches im Austreiber eine Rektifiziersäule benötiqt wird, die das erreichbare Wärmeverhältnis verringert.
Das zweite in der Kältetechnik verwendete Gemisch ist Wasser -Lithiumbromid. Es ist für eine Wärmepumpe vor allem deshalb von Nachteil, weil bei Umgebungstemperaturen nahe 0°C die Gefahr besteht, daß der Arbeitsstoff Wasser einfriert und somit ein Wärmepumpenbetrieb unmöglich wird. Gegen die Anwendung dieses Gemisches in Wärmetransformatoren sprechen zwei Gründe: Wegen der Kristallisationsgrenze ist das Läsungsfeld für viele Einsatzfälle zu schmal. Weiterhin besitzt Wasserdapf im Vergleich zu anderen Arbeitsstoffen ein sehr großes spezifisches Volum. Dies führt zu hohen Dampfgeschwindigkeiten in den Apparaten und Leitungen, was starke Druckabfälle zur Folge hat. Diesen kann man zwar durch größere Leitungsquerschnitte und große Apparate begegnen, jedoch erhöhen diese Maßnahmen die Herstellungskosten einer Anlage er heblich.
Die Erfindung dient dem Ziel, neue Gemische für Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren anzugeben, die sich ester für diese Prozesse als die bisher verwendeten eignen.
Insbesondere sollen die Nachteile der oben erwähnten Gemische vermieden werden.
Die Verwendung von Trifluorethanol als Arbeitsstoff mit hochsiedenden organischen Lösungsmitteln als Absorptionsmittel bietet vor allem den Vorteil, daß die Anlagendrücke gering sind ein Einfrieren des Verdampfers in einer Sorptionswärmepumpe vermieden wird und zur Trennung des Gemisches im Austreiber keine Rektifikation erforderlich ist. Hauptnachteil des Trifluorehanols ist seine im Vergleich zu Ammoniak und Wasser geringe Verdampfundsenthalpie.
Aus diesem Grund wird als Arbeitsstoff ein Gemisch bestehend aus Trifluorethanol und Wasser vorgeschlagen. Dieses verbindet die Vorteile des Wasser, die in der hohen Verdampfungsenthalpie bestehen mit denen des Trifluorethanols, nämLich der geringeren Schmelztemperatur und dem kleineren spezifischen Volum. Das Arbeitsstoffgemisch besitzt somit eine größere Verdampfungsenthalpie als das Trifluorethanol. Dadurch sind in einem Prozeß höhere Wärmeverhältnisse zu erwarten als mit Trifluorethanol als alleinigem Arbeitsstoff. Gegenüber Ammoniak als Arbeitsstoff bietet Trifluorethanol - Wasser den Vorteil der niedrigen Arbeitsdrücke. Dadurch verbilligen sich die Herstellungskosten einer Anlage. Weiterhin ist bedeutend weniger elektrische Energie zum Betrieb der Pumpen erforderlich, was die Betriebskosten erniedrigt Als Absorptionsmittel eignen sich vor allem hoch siedende organische Lösungsmittel, deren Siedepunkt um mindestens 200K über dem der Arbeitsstoffe liegt, weil man dann zur Trennung des Gemisches im Austreiber keine Rektifiziersäule benötigt. Ein besonders günstiges Verhalten von Sorptionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren wird erreicht, wenn gemäß der Erfindung mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylenglykoldimethylether (E181) und/oder mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylenglykol oder Tetraethylenpentamin ist. E181 besitzt vor allem den Vorteil, daß seine Viskosität im Vergleich zu anderen Absorptionsmitteln die gering ist. Damit werden kleine Flächen für die Wärme- und Stoffübertragung in den einzelnen Apparaten benötigt Tetraethylenglykol weist eine bessere Löslichkeit des Trifluorethanols und des Wassers auf, so daß der Prozeß in einem größeren Temperaturbereich betrieben werden kann. Weiterhin erhält man wegen seiner höheren Siedetemperatur im Austreiber reineren Dampf. Jedoch ist seine Viskosität größer. Das Tetraethylenpentamin ist hydroskopiesch und besitzt für Wasser die beste Löslichkeit. Dadurch sind ebenfalls größere Bereiche der Arbeitstemperaturen möglich.
1) Seher D.; Stephan, K.: VDI-Berichte 539 (1984) S. 133-143.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinken und Sorptionswärmetransformatoren bestehend all minder stens einem Arbeitsstoff und mindestens einem Absorptionsmittel, wobei als Arbeitsstoff Gemische aus halogenierten Alkoholen und Wasser und als Absorptionsmittel hochsiedcnde organische Lösungsmittel verwendet werden.
2. Arbeitsgemische nach Anspruch 1, wobei der Arbeitsstoff ein Gemisch aus Trifluorethanol und Wasser ist.
3. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Massenanteil des Wassers im Gemisch Trifluorethanol - Wasser zwischen ( und 70'. liest.
4. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 bis 3, wobei mindestens ein Absorptionsmittel der Gruppe der Glykole, Glykolether oder Amine zugehört.
5. Arbeitsgemische nach anspruch 1 bis 4, bei mindestens nin Absorptionsmittel Tetraethylenglykoldimethylether, Tetraethylenglykol oder Tetraethylenpentamin ist.
6. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 bis 5, wobei die entsprechenden Sorptionsprozesse in den folgenden Temperaturbereichen arbeiten sollen: Sorptionswärmepumpe im Niedertemperaturbereich: Umgebung: von -20°C bis 20°C Nutzwärme: von 25°C bis 70°C Antriebswärme unterhalb 250°C Sorptionswärmepumpe im Hochteperaturbereich: Untere Temperatur: von 20°C bis 80°C Nutzwärme: von 50°C bis 140°C Antriebswärme unter 300°C Sorptionskältemaschine: Nutzkälte: oberhalb -30°C Abwärme: unterhalb 40°C Antriebswärme: unterhalb 250°C Sorptionswärmetransformator: Umgebungswärme: oberhalb 0°C Antriebswärme: von 50°C bis 150°C Nutzwärme: unterhalb 250°C Diese Sorptionswärmeprozesse können dabei als ein- und mehrstufige, sowie als eine Stufe eines mehrstufigen Prozesses ausgeführt sein.