DE3521195A1

DE3521195A1 - Verfahren und anordnung zur optimalen ausnutzung von abwaerme in einem abwaermetransformator

Info

Publication number: DE3521195A1
Application number: DE19853521195
Authority: DE
Inventors: Harald Dr. 6246 Glashütten Böhm; Robert Dr. 8752 Laufach Fleischmann; Uwe 8501 Pyrbaum Ploetz; Wolfgang Dr. 6056 Heusenstamm Schaper
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1985-06-13
Filing date: 1985-06-13
Publication date: 1986-12-18

Description

L i c e η t i a

Patent-Verwaltungs-QnbH

Theodor-Stern-Kai 1

6000 Frankfurt/Main

F 85/26 11.6.1985

Verfahren und Anordnung zur optimalen Ausnutzung von Abwärme in einem Abwärmetransformator

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Abwärmetransformatoren können ungenutzte Abwärmeströme in Nutzwärme bei höheren Temperaturen und Kondensationswärme des Wärmeüberträgers bei tieferen Temperaturen aufteilen. Mit Hilfe des Satzes der Energieerhaltung und der reduzierten Wärme (Entropiesatz) ist die ideale Abwärmenutzung festgelegt. Unterschiedliche technische Ausführungen lassen hierbei verschiedene reale Temperaturhübe und Abwärmeumsetzungen erwarten.

Physikalische und chemische Adsorption bzw. Absorption und reversible chemische Reaktionen lassen sich zur Abwärmetransformation mit hohem Primärenergiewirkungsgrad heranziehen. Dabei muß ein Reaktionspartner, der sogenannte Wärmeüberträger, über die Gasphase reagieren, d. h. der Abwärme Energie durch Verdampfung entziehen.

Reaktion und Kondensation des Energieüberträgers an und mit einem Reaktionspartner führen, entsprechend der Dampfdruck/Temperaturabhängigkeit, zu einer Energieabgabe bei höheren Temperaturen.

Aus einer Vielzahl möglicher Reaktionstypen haben sich zum Betrieb

eines Abwärmetransformators unter anderem einige beispielhafte Modell systeme herauskristallisiert:
Lithiumbromid/Wasser
Schwefelsäure/Wasser
Wasser /Ammoniak
Glykol /Frigen

Es hat sich gezeigt, daß der Wärmeträger Wasser aufgrund seiner hohen Verdampfungsenthalpie einen entscheidenden Vorteil gegenüber Ammoniak und Frigen aufweist. Lithiumbromidlösungen als Absorbens sind durch Auskristallisation bei Konzentrationen über 65 % auf bestimmte Temperaturbereiche beschränkt. Der Einsatz von Lithiumbromidlösungen ist gerade dort kritisch, wo der Wärmetransformator bei großen Temperaturdifferenzen zwischen dem Kühlwasser und der verfügbaren Abwärme besonders hohe Nutztemperaturen erzeugen könnte. Insbesondere die Abstell- und Wiederinbetriebnahmeph.ase sind dabei problematisch.

Abwärmetransformation ist daher am günstigsten mit dem Reaktionspaar Schwefelsäure und Wasser zu betreiben.

Aus der Zeitschrift "Chemie, Anlagen und Verfahren", Dezember 1984, S. 72 - 78, ist ein Abwärmetransformator mit diesem Reaktionspaar bekannt, der aus einem Lösungs- (Säure-) und einem Arbeitsstoff--(Wasser-)Kreislauf besteht. Der Lösungs-Kreislauf besteht aus einem Austreiber, einer Lösungspumpe, einem Absorber und einem Drosselventil. Durch Wärmezufuhr und Druckabsenkung in dem vorgeschalteten Drosselventil wird Wasser aus der "wasserreichen" HpSG^-Lösung im Austreiber ausgedampft. Im Absorber nimmt die Schwefelsäure den aus dem Verdampfer kommenden Wasserdampf in einer exothermen Reaktion auf und gibt damit nutzbare Wärme ab, deren Temperatur über dem Abwärmeniveau liegt. Nachteilig bei diesem Abwärmetransformator ist die Tatsache, daß aufgrund vorgegebener Betriebsparameter (Kondensationsdruck durch Wassermenge und -temperatur und eingebrachte Wärmemenge und Abwärmetemperatur im Austreiber) nur eine Säurekonzentration möglich ist. Negative Auswirkungen auf die Nutzwärmemenge und die Temperaturanhebung sind bei Änderung nur eines Parameters (beispielsweise geringere Abwärmemenge oder weniger Nutzwärme-

abnähme) die Folge. Ein weiterer Nachteil des bekannten Abwärmetransformators besteht darin, daß durch einen Säureübertrag in den Wasserkreislauf für diesen erhöhte Korrosionsschutzmaßnahmen notwendig sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur optimalen Ausnutzung von Abwärme unter Verwendung eines Abwärmetransformators zu schaffen, durch das eine Steuerung unterschiedlicher Betriebsparameter (Abwärmemenge, Kühlwassertemperatur und -menge, abgenommene Nutzwärmemenge) erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt: Der Wasserverdampfungs- und Kondensationsteil kann technisch einfacher aus Materialien, die eine geringere Korrosionsstabilität aufweisen, gefertigt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Erhöhung des Temperaturhubs zwischen Abwärme und Nutzwärme durch eine Bemessung des Wasserdampfes im Absorber und eine Steuerung der Säurekonzentration erzielt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau des chemischen Abwärmetransformators

Fig. 2 eine Schnittansicht des Überganges Austreiber/Kondensator.

Der in Fig. 1 dargestellte Abwärmetransformator besteht wegen des Einsatzes eines Stoffpaares aus zwei zusammengeschalteten Kreisläufen: einem Lösungs- und einem Arbeitsmittel-Kreislauf. Der Lö-

sungskreislauf ist schwarz gekennzeichnet. Als Lösung kann beispielsweise Schwefelsäure in unterschiedlichen Konzentrationen eingesetzt werden. Arbeitsmittel ist in diesem Fall Wasser. Der Lösungskreislauf besteht in der einfachsten Form aus einem Austreiber 3, einer Lösungspumpe P₁, einem Absorber 8 und einem Drosselventil 5", das beispielhaft als Einspritzdüse dargestellt ist. Im Austreiber 3 wird die Säure aufkonzentriert und durch einen Wärmetauscher 4', der mit Abwärme (QmJ betrieben wird und vorzugsweise in den Austreiber 3 integriert ist, auf das Temperaturniveau der Abwärme - abzüglich der Grädigkeit des Wärmetauschers 4¹ - angehoben. Die konzentrierte Säure fließt durch den Säureablauf 6¹ und die Seureleitung 13' über die Pumpe P. und das Drosselventil 5" in der. Abscrber 8. In diesem wird die Säure rrit Wasserdampf, der durch das bogenförmige Rohr 14 entsprechend der Pfeilrichtung in den Absorber 8 eintritt,verdünrt. Vorzugsweise ist in den Absorber ein Wärmetauscher 12 integriert, durch den die entstehende Nutzwärme Q_n abgeführt werden kc.r.n. Absorber 8 und Wärmetauscher 12 können alternativ - ebenso wie Austreiber 3 und Wärmetauscher 4' - getrennt ausgeführt werden. Die verdünnte Süure gelangt aus dem Absorber 8 über den Säureablauf 6, die Säureleitung 13 und die Einspritzdüsen 5, 5' wieder in den Austreiber 3. Die Anz&hl der Einspritzdüsen kenn sowohl im Austreiber 3 als auch im Absorber 8 variiert werden.

Der Arbeitsmittelkreislauf besteht aus einem Kondensator 1, einer Wasserdosierpumpe Pg und einem Verdampferkreislauf 10 mit einem Wärmetauscher 9 und einer Umwälzpumpe P?'

Der Wasserdampf, der bei der Aufkonzentrat ion freigesetzt wird, gelangt über Tröpfchenabscheider 2, 2', 2" und gewinkelte Rohrleitungen 2a, 2'a, 2"a entsprechend der Pfeilrichtung in den Kondensator 1 mit Wärmetauscher 4. In diesem wird das Wasser kondensiert und die Kondensationsenergie Q_K durch Kühlwasser abgeführt. Es fließt dann über den Wasserablauf 7, die Wasserleitung 15, den Wasserzulauf und die Wasserdosierpumpe P₃ in den Verdampferkreislauf 10, der durch die Wasserverdampferumlaufpumpe P2 umgewälzt wird. Alternativ kann der Verdampferkreislauf 10 im Naturumlauf betrieben werden. Der Wärmetauscher 4" im Verdampfer 9 wird durch Abwärme Q.. erhitzt.

BAD ORSQlNAU

Über die bogenförmige Dampfleitung 14 wird der Wasserdampf wieder in den Absorber 8 geführt.

Der anfallende Abwärmedampf kann auch··-direkt mit der Lösung zur Reaktion gebracht werden; in diesem Fall wird das am Wasserablauf 7 anfallende Kondensat aus dem System entfernt. Der Verdampfer 9 und der Verdampferkreislauf 10 einschließlich dem Wasserzulauf 11 und der Pumpen P^, P₃ entfallen dann.

Die Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht durch den Niederdruckbereich, bestehend aus Austreiber 3 und Kondensator1. Der Austreiber 3 ist durch ein gewinkeltes Rohr 2a mit dem Kondensator 1 verbunden. Die aufkonzentrierte Säure fließt am Säureablauf 6 zum Absorber. Die vom Dämpf mitgerissenen Tröpfchen werden am,Tröpfchenabscheider 2 ent- ^ fernt. Vorzugsweise besteht dieser aus einer PTFE-Textilmembran. Durch diese- Maßnahme ist eine optimale Differenzdruckeinstellung gewährleistet und ein übertrag von, Lösungsteilchen in den Arbeitsmittel kreislauf weitgehend verhindert. Dieser kann daher technisch einfacher ohne aufwendige Korrosionsschutzmaßnahmen ausgeführt werden.

Die im Abwärmetransformator durchgeführten Reaktionen müssen im Gleichgewicht stehen, d. h. bei vorgegebenen Betriebsparametern stellt sich eine bestimmte Konzentration ein. Diese ist vor allem von dem Druckunterschied zwischen Austreiber 3 und Absorber 8 abhängig. Der Druck im Austreiber 3 wird durch die Kühlwassermenge und -temperatur im Kondensator 1, der im Absorber 8 durch die Abwärmemenge und -temperatur bestimmt wird. Wird nur einer dieser Parameter verändert (es steht beispielsweise weniger Abwärme zur Verfügung oder es wird weniger Nutzwärme benötigt), so stellen sich willkürliche Verhältnisse ein. Erfindungsgemäß werden daher die beiden Drücke über die Mengenströme von Kühlwasser und Abwärme beispielsweise mittels nicht weiter dargestellter, an den Eingängen der Wärmetauscher 4, 4' und 4" angeordneter Pumpen derart gesteuert, daß die größtmöglichste Druckdifferenz erreicht wird. Auf diese Art kann unter allen Betriebsbedingungen der jeweils günstigste Temperaturhub zwischen Ab- und Nutzwärme gewährleistet werden.

I \

Die konzentrierte Lösung wird vorteilhaft über die Düsen 5 in- den Absorber 8 eingespritzt. Durch die Anzahl und Größe dieser Düsen ' wird die Lösung gleichmäßig verteilt und in Form kleiher Tropfchen versprüht. Die zur Reaktion bereitgestellte Was^;s^fdämp^m%n|er"wird derart bemessen, daß es im gesamten Bereich des- Wärmetauschers 12 zu keiner Temperaturabsenkung kommt. Die Wasserdampfmehge- kann beispielsweise durch Änderung der Umwälzgeschwindigkeit dir· Pumpe' P_? im Wasserverdampferkreislauf variiert werden. Eine- Temperaturabsenkung hätte zur Folge, daß auch die Nutztemperatur sinken würde.

Beim bekannten Abwärmetrarisformator werden gung durch Variation der Wassermengen ah Wärmetälisenefh fe'güriert. Im vorliegenden Fall wenden die EnefgiestPöme ■vöirtelliiafi-äürtii eine Änderung der Ural auf geschwihdigkeiten in döh-intirhehfWiisiluferi mittels der Säureumlaufputiipe P₁ und der^Wassofufrilaufplimp^Pl*gesteuert. Eine veränderte DmIauf^gilehwlndigRlil^iDiwiPRt^iBwofl^ fm^tt Säure- als auch im Verdampfer-Kreislauf eine Änderung der Energieaufnahme bzw. -abgabe.

BAD

Claims

L i c e η t i a
Patent-Verwaltungs-GnbH
Theodor-Stern-Kai 1
Frankfurt/Main

F 85/26 11.6.1985

Verfahren und Anordnung zur optimalen Ausnutzung von Abwärme in einem Abwärmetransformator

Patentansprüche

Verfahren zur optimalen Ausnutzung von Abwärme in einem aus einem Austreiber, einem Kondensator, einem Verdampfer, einem Absorber, einem Drosselventil, einer Lösungspumpe und einer Kondensatorpumpe bestehenden Abwärmetransformator unter Heranziehung von Druckdifferenzen zwischen Absorption und Kondensation,

dadurch' '"gekennzeichnet, daß die verdünnte Lösung durch Entspannungsverdampfung eine erste Aufkonzentration und durch Anhebung der Temperatur auf Abwärmeniveau eine zweite Aufkonzentration durchführt und daß die Kühlwassermenge im Kondensator (1) und Abwärmemenge im Austreiber (3) derart gesteuert werden, daß eine vorgegebene Säurekonzentration nicht unterschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die zur Absorption bereitgestellte Wasserdampfmenge derart bemessen wird, daß es im gesamten Bereich des Wärmetauscher (12) gegenüber der Lösungseintrittstemperatur zu keiner Temperaturabsenkung der Lösung im Absorber (8) kommt.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß zur optimalen Differenzdruckeinstellung und zur Verhinderung von Korrosion rritgerissene Lesungsteilchen von¹ Arbeitsmitte !dampf getrennt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 zur optimalen Peaktion im Absorber (8) zwischen konzentrierter Lösung und Wasserdampf, · dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung gesteuert in den Dampfraum eingespritzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch .1 zur Vermeidung von Säurerückschlägen und Dampfdruckverlusten,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischer Absorber (8) und Wasserverdampfer (10) mittels eines bogenförmigen Rohres (14) gebildet wird, dessen Querschnitt derart bemessen ist, daß nur geringe Dampfgeschwindigkeiten auftreten («d 2m/sec).
6. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Aufkonzentration bei gleichzeitiger Einkopplung von Abwärme in einer apparativen Stufe durchgeführt werden (Fig. 1).
7. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Aufkonzentration getrennt durchgeführt werden, wobei Abwärme während der zweiten Aufkonzentration eingekoppelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, ' dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion zwischen Sorptionsmittel und Wasserdampf derart geführt wird, daß Wasserdampf und Sorptionsmittel innerhalb des Absorbers (8) in gleicher Richtung strömen.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieaus- und -einbringung (Qn_b, Q_n) durch eine Säureumlaufpumpe (P.) und eine Wasserumlaufpumpe (P₂) gesteuert wird.