DE3514108C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Durch Sorptionswärmeprozesse kann man Wärme, die bei einer bestimmten Temperatur zur Verfügung steht, bei einer ande­ ren gewinnen. Dabei sind den entsprechenden Prozessen außer Wärme keine merklichen Mengen anderer Energiearten insbesondere keine mechanische oder elektrische Energie zuzuführen. Die Sorptionswärmepumpe wird durch Wärme bei der höchsten Temperatur angetrieben und gibt die Nutzwärme bei der mittleren Temperatur ab. Dabei ist Wärme bei der niedrigsten Temperatur aufzunehmen. Die Sorptionskältema­ schine arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Die Wärmeauf­ nahme 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 liefert die Nutzwärme bei der höchsten Temperatur, wobei Wärme bei der niedrigsten Temperatur an die Umgebung abzu­ geben ist. Er dient zur Nutzung und Vergütung von Abwärme. Als Arbeitsmedien für diese Prozesse werden Gemische ver­ wendet, die im allgemeinsten Fall aus einer oder mehre­ ren leichter siedenden Komponenten, den Arbeitsstof­ fen und aus einem oder mehreren schwerer siedenden Stof­ fen, den Absorptionsmitteln, bestehen.

Das in der Kältetechnik verwendete Gemisch Ammoniak - Wasser eignet sich wenig für einen Einsatz in Sorptions­ wärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren. Wegen der im Vergleich zu Kälteanlagen höheren Verflüssigungstempe­ raturen werden die Drücke in Anlagen, die mit diesem Ge­ misch betrieben werden, groß. Dadurch erhöht sich die dem Prozeß zuzuführende elektrische Energie; sie kann beim Wärmetransformator über 10% der Nutzwärme betragen. 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 benötigt wird, die das erreichbare Wärme­ verhältnis verringert.

Das zweite in der Kältetechnik verwendete Gemisch ist Wasser-Lithiumbromid. Es ist für eine Wärmepumpe vor allem deshalb von Nachteil, weil bei Umgebungstemperaturen nach 0°C die Gefahr besteht, daß der Arbeitsstoff Wasser ein­ friert und somit ein Wärmepumpenbetrieb unmöglich wird. Gegen die Anwendung dieses Gemisches in Wärmetransformato­ ren sprechen zwei Gründe: Wegen der Kristallisationsgrenze ist das Lösungsfeld für viele Einsatzfälle zu schmal. Weiterhin besitzt Wasserdampf im Vergleich zu anderen Arbeitsstoffen ein sehr großes spezifisches Volumen. 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 erheblich.

Es ist ferner in der DE-OS 33 15 530 oder der DE-OS 31 34 448 vorgeschlagen worden, Trifluorethanol als Arbeitsstoff zu verwenden. 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 Verdamp­ fers in einer Sorptionswärmepumpe vermieden wird und zur Trennung des Gemisches im Austreiber keine Rektifikation erforderlich ist. Hauptnachteil des Trifluorethanols ist seine im Vergleich zu Ammoniak und Wasser geringe Verdamp­ fungsenthalpie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Arbeitsge­ misch für Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Sorptionswärmetransformatoren anzugeben, das eine im Vergleich zu Trifluorethanol wesentlich größere Verdamp­ fungsenthalpie aufweist.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird als Arbeitsstoff ein Gemisch beste­ hend aus Trifluorethanol und Wasser vorgeschlagen. Dabei ist der Wasseranteil wesentlich größer als im Anspruch 17 der DE-OS 31 34 448 angegeben, da ein Wasserzusatz unter 1 Gew.-% nicht zu einer spürbaren Erhöhung der Verdampfungs­ enthalpie führt.

Der erfindungsgemäße Wasseranteil verbindet die Vorteile des Wassers, die in der hohen Verdampfungsenthalpie beste­ hen, mit denen des Trifluorethanols, nämlich der geringe­ ren Schmelztemperatur und dem kleineren spezifischen Volu­ men. 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. Ge­ genüber 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 200°K über dem der Arbeitsstoffe liegt, weil man dann zur Trennung des Gemisches im Austreiber keine Rektifiziersäule benötigt. Ein besonders günstiges Verhalten von Sorp­ tionswärmepumpen und Sorptionswärmetransformatoren wird erreicht, wenn gemäß der Erfindung mindestens ein Absorp­ tionsmittel Tetraethylenglykoldimethylether (E 181) und/oder mindestens ein Absorptionsmittel Tetraethylengly­ kol oder Tetraethylenpentamin ist. E 181 besitzt vor allem den Vorteil, daß seine Viskosität im Vergleich zu anderen Absorptionsmitteln gering ist. Damit werden kleine Flächen für die Wärme- und Stoffübertragung in den einzelnen Appa­ raten benötigt. Tetraethylenglykol weist eine bessere Löslichkeit des Trifluorthanols und des Wassers auf, so daß der Prozeß in einem größeren Temperaturbereich betrie­ ben werden kann. Weiterhin erhält man wegen seiner höheren Siedetemperatur im Austreiber reineren Dampf. Jedoch ist seine Viskosität größer. Das Tetraethylenpentamin ist hygroskopisch und besitzt für Wasser die beste Löslich­ keit. Dadurch sind ebenfalls größere Bereiche der Arbeits­ temperaturen möglich.

Claims (4)

1. Arbeitsgemische für Sorptionswärmepumpen, Sorptions­ kältemachinen und Sorptionswärmetransformatoren bestehend aus mindestens einem Arbeitsstoff und mindestens einem Absorptionsmittel, wobei als Arbeitsstoff Gemische aus halogenierten Alkoholen und Wasser und als Absorptionsmit­ tel hochsiedende organische Lösungsmittel verwendet wer­ den, wobei der Arbeitsstoff ein Gemisch aus Trifluoräthanol und Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenanteil des Wassers bis zu 70% beträgt.

2. Arbeitsgemische nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Absorptionsmit­ tel der Gruppe der Glykole, Glykolether oder Amine zuge­ hört.

3. Arbeitsgemische nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Absorptionsmit­ tel Tetraethylenglykoldimethylether, Tetraethylenglykol oder Tetraethylenpentamin ist.

4. Verwendung der Arbeitsgemische nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechenden Sorptions­ prozesse 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°CSorptionswärmepumpe im Hochtemperaturbereich:Untere Temperatur:von 20°C bis  80°C Nutzwärme:von 50°C bis 140°C Antriebswärme:unter 300°CSorptionskältemaschine:Nutzkälte:oberhalb -30°C Abwärme:unterhalb  40°C Antriebswärme:unterhalb 250°CSorptionswärmetransformator:Umgebungswärme:oberhalb 0°C Antriebswärme:von 50°C bis 150°C Nutzwärme:unterhalb 250°Cwobei diese Sorptionswärmeprozesse dabei als ein- und mehr­ stufige, sowie als eine Stufe eines mehrstufigen Prozesses ausgeführt sein können.