DE3808209A1 - Absorptions-waermetauscher-einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung mit einer Verdampfereinheit, einer Absorbereinheit, einem Austreiber und einer Kondensatorein­ heit.

Derartige Einrichtungen haben als Absorptions-Wärmepumpen und Absorptions-Kältemaschinen weite Verbreitung gefunden. Die dabei verwendete Kältemittel Absorptionsmittel-Flüssigkeit besteht im allgemeinen aus Wasser und LiBr oder aus NH3 und Wasser.

Wasser und NH3, welche Kältemittel darstellen, haben eine hohe latente Verdampfungswärme und werden deshalb bevorzugt, weil die Menge der zirkulierenden Flüssigkeit, die für die gleiche Kälteleistung erforderlich ist, verhältnismäßig klein ist. Da die Absorptions-Flüssigkeit zwischen dem Austreiber und der Absorptionseinheit zirkuliert, deren Drücke im wesentlichen gleich den Sättigungsdrücken sind, die der Verdampfungstemperatur bzw. der Kondensationstemperatur des Kältemittels entsprechen, wird die Absorptions-Flüssigkeit auf die Seite des höheren Druckes überführt, nachdem ihr Druck durch eine Pumpe erhöht wurde, während sie durch ein Drosselventil auf die Seite niedrigeren Drucks überführt wird. Die für die Zirkulation der Flüssigkeit erforderliche Leistung ist sehr gering.

In neuer Zeit wird die Verwendung von Freon-Kältemitteln (polyhalogenisierte Kohlenwasserstoffe mit Fluor und Chlor) erwogen, da sie Vorteile hinsichtlich der Sicherheit haben und eine Verringerung der Größe der Vorrichtung ermöglichen. Da jedoch Freon allgemein eine niedrige latente Verdampfungs­ wärme hat, muß eine größere Menge als bei der Verwendung von Wasser oder NH3 zirkuliert werden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß, wenn vorbestimmte Temperaturdifferenzen erzielt werden sollen, dies einen größeren Unterschied zwischen den Drücken bei der Verdampfung und den Kondensations-Temperaturen mit sich bringt als bei der Verwendung von Wasser. Dadurch steigt auch die Antriebsleistung der Pumpe, mit der die Absorptions-Flüssigkeit (beispielsweise eine Lösung aus Freon 22 in Diäthylenglykoldimethyläther) von der Niederdruckseite auf die Hochdruckseite befördert wird, wodurch der Vorteil der geringeren benötigten Leistung der Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung gegenüber einer Kompressions-Wärmepumpe oder einer Kompressions-Kälteanlage verlorengeht.

Die benötigte theoretische Pumpenleistung der Kältemaschine hinsichtlich der oben genannten Kombinationen von Kältemittel und Absorptionsmittel-Flüssigkeit ist in Tabelle 1 dar­ gestellt.

Tabelle 1

Die Berechnungen in Tabelle 1 sind unter der Annahme erfolgt, daß die Kondensations-Temperatur des Kältemittels 40°C und seine Verdampfungs-Temperatur 7°C beträgt. Es ist ferner angenommen, daß die Austritts-Temperatur des Kältemittels am Austreiber 90°C und an der Absorptions-Einheit 40°C beträgt.

Aus Tabelle 1 ergibt sich, daß das Freon-Kältemittel 3600mal soviel Pumpenleistung wie Wasser und 8mal soviel wie NH3 erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorstehend geschilderte Problem zu lösen und eine Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche keine hohe Pumpenleistung erfordert, auch wenn ein Freon-Kältemittel verwendet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird in dem Fall, in welchem der Druck im Austreiber höher ist als in der Absorptionseinheit, die Pumpe in der die verdünnte Absorberflüssigkeit übertragenden Leitung und die Kraftmaschine in der die konzentrierte Absorptions-Flüssigkeit übertragenden Leitung angeordnet. Der Druck der verdünnten Absorptions-Flüssigkeit wird durch die Pumpe erhöht und diese wird unter höherem Druck dem Austreiber zugeführt. Die konzentrierte Absorptions-Flüssigkeit im Austreiber wird aufgrund des genannten Druckunterschiedes durch die zweite Übertragungsleitung der Absorptionseinheit zugeführt. Dabei wird die Kraftmaschine durch die Energie angetrieben, die auf der Differenz zwischen den Drücken in dem Austreiber und der Absorptionseinheit beruht, und diese Antriebsleistung wird auf die Pumpe übertragen. Damit wird eine Verringerung der fremden Pumpenantriebsleistung erreicht und die Wirtschaftlichkeit des Betriebes erhöht.

Die umlaufenden Mengen der Kältemittel- und der Absorptions­ mittel-Flüssigkeit sollte stets im wesentlichen im Gleichgewicht sein. Dieses Gleichgewicht kann stets dadurch aufrechterhalten werden, daß die Pumpe und die Kraftmaschine volumetrisch arbeiten unabhängig von Schwankungen in den äußeren Bedingungen und von Veränderungen der Antriebsdrehzahl der Pumpe. Wenn die vorgeschlagene Wärmetauscher-Einrichtung in einem Fahrzeug oder dgl. angeordnet und die Pumpe vom Fahrzeugmotor angetrieben wird, ändert sich die Drehzahl beträchtlich, jedoch kann der nötige Förderdruck stets aufrechterhalten werden und gleichzeitig kann Leistung wirksam wiedergewonnen werden, und zwar unabhängig von der Dreh­ zahl.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist besonders wirksam in Verbindung mit einer Absorptionswärmepumpe, die Freon als Kältemittel verwendet, da die bei dieser Kombination erforderliche höhere Pumpenleistung größtenteils aus der wiedergewonnenen Energie stammt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Absorptions-Wärmepumpe, und

Fig. 2 ein Kreis-Diagramm der Kältemittel- und der Absorp­ tions-Flüssigkeit.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer Primär-Absorptions- Wärmepumpe. Die Primär-Absorptions-Wärmepumpe ist ein System, bei welchem Abwärme als Wärmequelle in einer Verdampfungseinheit verwendet wird, welche einen Wärme-Absorptions-Prozeß darstellt, und in welcher eine Wärmequelle in Form von Dampf oder dgl., deren Temperatur höher ist als diejenige der Abwärme, in einem Austreiber verwendet wird. Dieses Verfahren ist ähnlich auch bei einer Kältemaschine zu finden.

Die dargestellte Absorptions-Wärmepumpe enthält eine Ver­ dampfereinheit 1 zum Verdampfen eines Freon-Kältemittels wie Freon 22, eine Absorbereinheit 2, in welcher der in der Verdampfereinheit 1 erzeugte Kältemittel-Dampf von einer Absorptions-Flüssigkeit (Diäthylenglykoldimethyläther) absorbiert wird, einen Austreiber 3, in welchem die verdünnte Absorptions-Flüssigkeit, die durch das Absorbieren des Kältemittel-Dampfes in der Absorbereinheit 2 verdünnt wurde, überhitzt wird, um das darin enthaltene Kältemittel zu verdampfen und eine konzentrierte Absorptions-Flüssigkeit zu erhalten, eine Kondensatoreinheit 4, in welcher der im Austreiber 3 erzeugte Kältemitteldampf kondensiert wird, um eine Kältemittelflüssigkeit zu erhalten, eine erste Über­ tragungsleitung 5 zum Überführen der verdünnten Absorptions-Flüssigkeit aus der Absorptionseinheit zum Austreiber 3, eine zweite Übertragungsleitung 6 zur Überführung der konzentrierten Absorptionsflüssigkeit von dem Austreiber 3 zur Absorbereinheit 2, einen Wärmetauscher 7 zwischen den beiden Übertragungsleitungen 5 und 6, um eine Wärmewiedergewinnung zu erreichen, indem die Wärme der kondensierten Absorptionsflüssigkeit auf die verdünnte Absorptionsflüssigkeit übertragen wird, eine Verdrängerpumpe 9 (Flügelzellenpumpe, Zahnradpumpe oder dgl.), die in der die verdünnte Absorptionsflüssigkeit führenden Leitung 5 angeordnet und von einem Motor 8 (Elektromotor oder Brennkraftmaschine) angetrieben ist, eine volumetrische hydraulische Turbine 11 in der die kondensierte Absorptionsflüssigkeit führenden Leitung 6, deren Ausgangswelle 11 a mit der Antriebswelle 9 a der Pumpe 9 mittels einer Kupplungswelle 10 verbunden ist, eine Leitung 12 zur Überführung von Kältemitteldampf aus dem Austreiber 3 zur Kondensatoreinheit 4, und eine Leitung 13 zur Überführung von Kältemittel-Flüssigkeit von der Kondensatoreinheit 4 zur Verdampfereinheit 1. Die Bezugszeichen 14 und 15 bezeichnen Leitungen für Heizflüssigkeit in der Verdampfereinheit 1 und im Austreiber 3. Die Bezugszeichen 16 und 17 bezeichnen Leitungen für zu erhitzende Flüssigkeit, die in der Absorbereinheit 2 bzw. in der Kondensatoreinheit 4 angeordnet sind.

Die Arbeitsweise ist folgende:

Der in der Verdampfereinheit 1 erzeugte Freon-Dampf wird in der Absorbereinheit 3 von der Absorptionsflüssigkeit absorbiert, und die durch die Absorption erzeugte Wärme wird dazu benutzt, das durch die Leitung 16 strömende Fluid zu erwärmen. Die verdünnte Absorptionsflüssigkeit, welche den absorbierten Freon-Dampf enthält, wird dem Austreiber 3 durch die Pumpe 9 über die Leitung 5 zugeführt. Im Austreiber 3 wird die verdünnte Absorptionsflüssigkeit erhitzt, um Freon-Dampf zu erzeugen. Dieser Freon-Dampf wird in der Kondensatoreinheit 4 kondensiert und der Verdampfereinheit 1 zugeführt, wo er wieder verdampft wird. Andererseits wird die konzentrierte Absorptionsflüssigkeit, die im Austreiber 3 erzeugt wurde, über die Leitung 6 aufgrund des Unterschiedes zwischen dem Drücken in dem Austreiber 3 und in der Absorbereinheit 2 in letztere zurückgeführt, wobei die hydraulische Turbine 11, die in der Leitung 6 angeordnet ist, aufgrund des genannten Druckunterschiedes in Drehung versetzt wird und die Pumpe 9 (mit) antreibt. Dies bedeutet, daß die auf dem Druckunterschied zwischen dem Austreiber 3 und der Absorbereinheit 2 basierende Energie wirksam wiedergewonnen und zur Förderung der verdünnten Absorptionsflüssigkeit ausgenutzt wird.

Fig. 2 zeigt Beispiele von Kreisprozessen (Dühring-Kurven) für Freon 22 (R22) und Diäthylenglykoldimethyläther (DEGME). Es ist aus diesen Kurven ersichtlich, daß der Druckunterschied von Freon 22 in bezug auf Diäthylenglykoldimethyläther in einem vorbestimmten Temperaturbereich 1 MPa beträgt, was einen großen Wert darstellt.

Ein konkretes Beispiel der Größe der wiedergewonnenen Energie wird nun beschrieben. Die Berechnungen wurden unter Zugrundelegung der Bedingungen durchgeführt, die im Zusammenhang mit der Tabelle 1 beschrieben wurden, welche übliche Beispiele zeigt.

Die theoretisch benötigte Leistung zum Fördern von verdünnter Absorptionsflüssigkeit von der Absorbereinheit 2 zum Austreiber 3 beträgt 0,36 kW/Kt. Wenn ein Pumpen-Wirkungsgrad von 75% angenommen wird, ergibt sich die benötigte Pumpenleistung zu 0,36/0,075 = 0,48 kW.

Wenn andererseits angenommen wird, daß die Strömungsgeschwindigkeit der konzentrierten Absorptionsflüssigkeit 90% derjenigen der verdünnten Absorptionsflüssigkeit ist, und daß der Wirkungsgrad der hydraulischen Turbine 11 70% beträgt, so ergibt sich die durch die hydraulische Turbine 11 wiedergewonnene Leistung zu (0,36 kW/Kt) × 0,9 × 0,7 = 0,23 kW.

Damit wird durch die Verwendung der hydraulischen Turbine 11 die Leistung des Elektromotors 8 zu 0,48-0,23 = 0,25 kW/Kt, ein Wert, der etwa 52% der beim Antrieb der Pumpe 9 benötigten Leistung darstellt. Somit werden durch die hydraulische Turbine 11 48% der Antriebsleistung gespart.

Wenn die erfindungsgemäße Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist, wird die Pumpe von der Fahrzeug-Brennkraftmaschine angetrieben und die Wärme des Kühlmittels für die Brennkraftmaschine, die Auspuffwärme und dgl. werden als Wärmequelle für den Austreiber ausgenutzt. Demzufolge sind die Drücke im Austreiber und in der Verdampfereinheit abhängig von den gerade herrschenden Temperaturverhältnissen. Andererseits ist die Drehzahl der Pumpe abhängig von der Drehzahl der Fahrzeugmaschine, während der Förderdruck der Pumpe von den vorgenannten Bedingungen abhängig ist, und zwar unabhängig von der Drehzahl. Demzufolge ist eine volumetrische Pumpe vorzuzie­ hen, bei der der Förderdruck nicht von der Drehzahl beeinflußt ist.

In manchen Fällen können die Pumpe und die Turbine nebeneinander angeordnet oder miteinander integriert werden, wobei die beiden Wellen zu einer Welle zusammengefaßt werden können.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Erfindung bei einer Primär-Absorptionswärmepumpe angewandt. Sie ist jedoch gleichermaßen für eine Sekundär-Absorptionswärmepumpe verwendbar. Die Sekundär-Absorptionswärmepumpe ist ein System, welches Abwärme als Wärmequelle für die Verdampfereinheit und den Austreiber verwendet, wobei ein endothermer Prozeß vorliegt, bei dem die in der Absorbereinheit erzeugte Wärme, die auf eine höhere Temperatur erhitzt wurde, ausgenutzt wird. Da in diesem Fall der Druck in der Absorbereinheit höher ist, ist die Pumpe in der die konzentrierte Absorptionsflüssigkeit führenden Leitung und die Turbine in der die verdünnte Absorptionsflüssigkeit führenden Leitung angeordnet.

Claims (5)

1. Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung mit

• - einer Verdampfereinheit (1),
• - einer Absorbereinheit (2),
• - einem Austreiber (3),
• - einer Kondensatoreinheit (4),
• - einer ersten Übertragungsleitung (5) zum Überführen einer verdünnten Flüssigkeit, die ein Kältemittel in der Absorbereinheit absorbiert hat, zu dem Austreiber (3),
• - einer zweiten Übertragungsleitung (6) zum Überführen einer konzentrierten Absorptionsflüssigkeit, aus der das Kältemittel in dem Austreiber (3) verdampft wurde, zu der Absorbereinheit (2),
• - einer Pumpe (9) in einer der beiden Übertragungsleitungen (5 oder 6) mit einer Antriebswelle (9 a), und
• -einem Antrieb (8) für die Pumpe (9),

dadurch gekennzeichnet, daß in der anderen Übertragungsleitung (6) eine Kraftmaschine (11) mit einer umlaufenden Welle (11 a) angeordnet ist, durch die durch diese Leitung (6) strömende Absorptionsflüssigkeit angetrieben wird und deren Welle (11 a) mit der Antriebswelle (9 a) der Pumpe (9) verbunden ist.

2. Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pumpe und die Kraftmaschine als Verdrängermaschinen ausgebildet sind.

3. Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kraftmaschine eine hydraulische Turbine ist.

4. Absorptions-Wärmetauscher-Einrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß als Kältemittel Freon verwendet ist.