DE3882229T2

DE3882229T2 - Von sonnenenergie betriebener kühlapparat mit intermittierendem ammoniak-absorptionskreislauf.

Info

Publication number: DE3882229T2
Application number: DE88907913T
Authority: DE
Inventors: Donald Charles Erickson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-07-27
Filing date: 1988-07-27
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2008-07-28
Also published as: US4744224A; EP0374179A4; EP0374179B1; WO1989001119A1; DE3882229D1; AU604565B2; ATE91341T1; OA09161A; BR8807637A; EP0374179A1; AU2309588A; JPH02504424A

Description

Die Erfindung betrifft einen Apparat zur Kälteerzeugung bei Temperaturen unter 0ºC und/oder zur Eiserzeugung durch Verwendung von Sonnenwärme. Im besonderen betrifft sie intermittierende Solar-Absorptionszyklen (bei Tage erhitzt, in der Nacht Eis erzeugen), welche NH&sub3; als Kältemittel und vorzugsweise flüssig-phasige Absorptionsmittellösung für das NH&sub3; verwenden.
Kälteerzeugung durch Sonnenenergie ist sehr vielversprechend für die Erweiterung der Vorteile der Kälteerzeugung auf Gebiete, die nicht von verläßlicher, von einer zentralen Station erzeugter Elektrizität versorgt werden. Jedoch hat, trotz eines über 30-jährigen starken Interesses an diesem Vorhaben, noch keine von Sonnenenergie betriebene Kältemaschine all die gewünschten Ziele in Bezug auf Einfachheit, Verläßlichkeit und geringe Kosten erfüllt. Einfachheit bedeutet Leichtigkeit sowohl der Bedienung als auch der Herstellung, im besonderen in weniger entwickelten Ländern. Die Kosten sind eine Funktion der Zykluseffektivität sowie der Designtechniken. Da niedrigere Effektivität größere Kollektorflächen erfordert, erzwingt extreme Einfachheit auf Kosten von sehr geringer Effektivität einen kostspieligen Kompromiß.
Drei fundamentale Anfangsbedingungen müssen bei der Kategorisierung solarthermal-betriebener Kälteerzeuger ausgewählt werden. Dies sind: Ob der Zyklus kontinuierlich (Absorption und Erzeugung finden gleichzeitig statt) oder intermittierend ist; welches Arbeitsfluid (d. h. Kältemittel) wird verwendet (z. B. NH&sub3;, MMA, halogenisierte Kohlenwasserstoffe, Methanol, Schwefeldioxid, oder H&sub2;O); und ob ein fest-phasiges oder flüssig-phasiges Absorptionsmittel verwendet wird.
Diese Offenbarung richtet sich auf Kälteerzeuger mit intermittierendem Zyklus (auch als periodisch bekannt) unter vorzugsweiser Verwendung von NH&sub3; als Arbeitsfluid und vorzugsweise flüssig-phasigen Absorptionsmitteln.
In dieser begrenzten Kategorie stößt man auf mehrere Probleme bei den verschiedenen solarbetriebenen Kälteerzeugern gemäß dem Stand der Technik. Verschiedene Solar-Kälteerzeuger mit kontinuierlichem Zyklus sind aus dem Stand der Technik bekannt, wie z. B. in den US-Patenten 4,362,025 und 4,178,989 beschrieben. Diese Zyklen haben den Nachteil, daß eine Lösungspumpe erforderlich ist (z. B. Perkolator-Typ, mit sehr ungenauer Durchflußrate), und auch, daß die Verdampfungs- und Absorptionsschritte nur während einer sehr begrenzten Zeitspanne stattfinden dürfen (ungefähr fünf Stunden pro Tag), wenn die Erzeugung und die Kondensation ebenfalls stattfinden.
Verschiedene Solar-Kälteerzeuger mit intermittierenden Zyklen, die fest-phasige Absorptionsmittel verwenden, sind bekannt, wie z. B. im US-Patent 4,586,345 beschrieben. Wenn das feste Absorptionsmittel wasserfrei (CaCl&sub2;, SrCl&sub2;, KSCN, oder andere) und das Kältemittel NH&sub3; sind, haben diese Kälteerzeuger den Vorteil, daß nur trockenes NH&sub3; vorhanden und so eine Aluminiumkonstruktion möglich ist. Jedoch leiden sie unter den Nachteil, daß die Wärmeübertragung bei den festen Teilchen sehr gering ist; daß Schrumpfung und Ausdehnung, die zu Hohlräumen und möglichen Brüchen führen, auftreten; und daß die notwendige Wärme zum Desorbieren von NH&sub3; von einem Festkörper charakteristischerweise wesentlich höher als diejenige ist, die notwendig ist, um NH&sub3; von einer Flüssigkeit zu desorbieren, so daß mehr Sonnenenergie für die Produktion einer gegebenen Menge von NH&sub3; Kühlmittel benötigt wird.
Verschiede Kälteerzeuger mit intermittierenden Zyklen, die entweder flüssige oder feste Absorptionsmittel verwenden, jedoch Flammenverbrennung als Wärmequelle benutzen, sind im Stand der Technik bekannt. Eingeschlossen darin sind die Offenbarungen der US-Patente 1,711,804, 2,446,636, 2,452,635 und 2,587,996 (alles fest-phasige Absorptionsmittel) und ebenso US-Patent 2,185,330 (flüssigphasiges Absorptionsmittel).
Zahlreiche solarbetriebene Kälteerzeuger mit flüssigem Absorptionsmittel und intermittierenden Zyklen, die NH&sub3; als Kühlmittel verwenden, sind in der technischen Literatur in den letzten 30 Jahren beschrieben worden. Repräsentative Beispiele schließen ein: F. Trombe und M. Foex, "Production of Cold by Means of Solar Radiation", Solar Energy. 1, 1957, S. 51-52; R.K. Swartman, u. a., "Comparison of Ammonia-Water and Ammonia-Sodium Thiocyanate as the Refrigerant-Absorbent in a Solar Refrigeration System", Solar Energy. 17, 1974, S. 123-127; A. Venkatesh und M.C. Gupta, "Experimental Investigations of an Intermittent Ammonia-Water Solar Refrigerator", National Solar Energy Convention, Report CONF-781261,
Dezember 1978, S. 675-684; und R.H.B. Exell, u. a.; "Design and Testing of a Solar Powered Refrigerator", Asian Institute of Technology Research Report 126, 1981, Bangkok. Ein solcher solarbetriebener Kälteerzeuger ist ferner durch die FR-A 920 510 offenbart. Der Solarstrahler, der aus dieser Druckschrift bekannt ist, hat eine parabolische zylindrische Form, um Sonnenstrahlung auf eine konzentrische zylindrische Röhre zu konzentrieren, die wäßriges Ammoniak enthält. Verschiedene solcher Röhren, jede mit einem Solarstrahler, erstrecken sich von einem aufrechtstehenden Druckbehälter, der als Reservoir für das wäßrige Ammoniak dient. Der Druckbehälter erstreckt sich über die Höhe dieser Röhren. Kühlung des Absorptionsmittelbehälters während der Absorptionsphase ist nicht vorgesehen.
Ein typisches Problem, welches alle solarbetriebenen Kälteerzeuger mit intermittierenden Absorptionszyklen teilen liegt darin, wie man am Tag, wenn erzeugt wird, effektiv und wirtschaftlich eine maximale Menge von Solarwärme sammeln und in der Absorptionsmittellösung erhalten, sie jedoch mit gleicher Effektivität bei Nacht, wenn sie absorbiert, kühlen kann. Verschiedene Lösungen dieses Problems sind versucht worden. Wegen der erhöhten Temperatur gegenüber der Umgebung während der Erzeugung wird normalerweise mindestens eine Verglasungsschicht verwendet, um die Sonnenstrahlung zu dem Generator zuzulassen, jedoch die entweichende thermische Strahlung (Wärmeleck) zu minimieren. Einige Konstruktionen haben abnehmbare Verglasungen zur Kühlung während der Nacht. Andere haben Dämpfer, welche geöffnet werden können, um konvektive Luftströmung unter der Verglasung bei Nacht zuzulassen. Konstruktionen mit flachen Plattenkollektoren werden normalerweise eine Isolierung auf der von der Sonne abgewandten Seite haben, die bei Nacht entfernt werden kann.
Offensichtlich zeigt keine der oben genannten Techniken eine große luftgekühlte Oberfläche zur Kühlung des Absorptionsmodus, typischerweise nicht mehr Oberfläche als das Ausmaß der Sonnenöffnung. Da die Luftkontaktkühlung einen sehr niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten hat, ist diese Kühlungstechnik nicht effektiv. Eine entfernbare Verglasung ist bei größeren Abmessungen sperrig und verhindert die Aufrechterhaltung einer guten Abdichtung gegen Regen und Staub.
Eine andere bevorzugte Lösung ist es, einen separaten Wärmeabfuhrkreis, eingebaut in den Generator, zu haben, welcher nur bei Nacht aktiviert wird, wenn er sich im Absorptionsmodus befindet. Die Verdampferseite eines Thermo-Siphons kann in den Generator inkorporiert sein, und eine effektive luftgekühlte Kondensatorseite des Thermo-Siphons ist auf einem höheren Niveau angeordnet, so daß Flüssigkeit vom Kondensator zum Verdampfer durch die Schwerkraft zurückkehrt. Die Thermo- Siphon-Technik zur Abfuhr von Absorptionswärme ist im US-Patent 4,586,345 dargestellt. Man bemerke, daß ein Absperrventil notwendig ist, um die Flüssigkeitsströmung zum Thermo-Siphon zu unterbrechen, während die Sonne scheint, und daß der Ventilmechanismus solarbetätigt ist. Dieses System hat verschiedene Nachteile: Ein vollständig separater luftgekühlter Kondensator plus den zugeordneten Kühlmittel wird benötigt, der nur bei Nacht verwendet wird; und wenn die Flüssigkeitsströmung zum Thermo-Siphon abgesperrt wird, um den Thermo-Siphon-Betrieb anzuhalten, muß der gesamte Flüssigkeitsbestand im Thermo-Siphon-Verdampfer verkocht werden, bevor die Wärmeabfuhr aufhört.
Die fünf flammenbetriebenen intermittierenden Absorptions-Kälteerzeuger, auf die oben Bezug genommen wurde, enthalten Thermo-Siphons zur Abfuhr von Absorptionswärme. Das '804 und '330 Patent inkorporieren einen separaten Thermo- Siphon mit geschlossenem Zyklus mit seinem eigenen internen Kühlmittel, ähnlich wie das '345 Solarpatent. Die anderen drei Patente ('635, '636 und '996), alle auf feste Absorptionsmittel gerichtet, inkorporieren Thermo-Siphons mit offenem Zyklus, welche den- bzw. dieselben Kondensator(en) und dasselbe Kühlmittel wie die Kältemaschine selbst verwenden. Man bemerke, daß sie alle zwei Generatoren/- Absorber-Behälter inkorporieren und alle das Thermo-Siphon-Absperrventil in der Flüssigkeitsversorgungsleitung anordnen.
Andere Probleme, die bei der Praxis des Standes der Technik bei intermittierenden solarbetriebenen Kälteerzeugern, die Hochdruckkühlmittel, wie NH&sub3; oder Monomethylamin verwenden, beziehen ein:
1. Die Auswahl der Sonnenkollektorgeometrie. Bei flachen Plattenkollektoren, die sowohl das nötige Speichervolumen für Kühl-Absorptionsmittel als auch den guten thermalen Kontakt zwischen Sonnenstrahlung und dem Absorptionsmittel zur Verfügung stellen, werden sowohl ein großer Speicherbehälter als auch viele kleine Druckrohre benötigt, die am Speicherbehälter angeschweißt sind. Auch stellt eine flache Plattengeometrie einen großen Oberflächenbereich für thermale Undichtigkeiten dar. Die Alternative zu flachen Platten - konzentrierende Kollektoren - kann jedoch Nachführung oder oftmalige Repositionierung erfordern, was die Kosten und die Komplexität des Sonnenkollektors erheblich steigert. Dies ist im besonderen für hohe Konzentrationsverhältnisse, z. B. 2,5 oder mehr, gültig.
2. Viele Konstruktionen nach dem Stande der Technik inkorporieren den Empfänger direkt im Verdampfer, oder beim selben Druck wie der Verdampfer. Dies erfordert, daß sich die gesamte Kühlmittelflüssigkeit im Empfänger durch adiabates Flashing abkühlt, wenn ich der Verdampfer abkühlt. Auf diese Art wird ein großer Teil des Kühlmittels verschwendet, und eine größere kalte Wärmegrenzfläche liegt vor. Wenn der Empfänger mit dem Verdampfer integriert ist, sammelt sich bei Tag warme Kühlmittelflüssigkeit in der Cold-Box, was dem Ziel, die kalten Räume kalt zu halten, entgegensteht. Noch schlechter ist es, wenn der Kondensator und der Verdampfer dasselbe Bauteil sind, was latente sowie bemerkbare Wärme auf die Verdampfer (Kondensator)-Schlange überträgt.
3. Bei solarbetriebenen Ammoniak-Wasser Kälteerzeugern gemäß dem Stand der Technik ist häufig ein Rektifizierer zur Reduktion des H&sub2;O- Gehaltes des desorbierten NH&sub3;-Dampfes inkorporiert. Es sammeln sich, ohne einen Rektifizierer, in einem gut konstruierten System jedoch nur ungefähr 2% H&sub2;O pro Tag im flüssigen NH&sub3;. Desweiteren ist es durch geeignete Konstruktion des Verdampfers und durch Inkorporation eines Wärmetauschers zwischen flüssigem NH&sub3; zum Verdampfer und dem Fluid, das vom Verdampfer ausströmt, möglich, durch Unterkühlung des NH&sub3;, die Kälte von diesem H&sub2;O wiederzuerlangen.
4. In weniger feuchten Klimata kann Verdampfungskühlung sehr viel besser sein als trockene Luftkühlung, wobei sie Feuchtkugelkühlungstemperaturen in der Größenordnung von 5ºC unter Umgebungstemperatur erlaubt. Gleicherweise stellt Wasserkühlung einen sehr viel besseren Wärmeübergang als Luftkühlung zur Verfügung. Unglücklicherweise involvierten die Versuche des Standes der Technik, diesen Vorteil zu erlangen, sehr große und teure Wassertanks, aufgebaut z. B. aus porösem Beton, so daß ein aufwendiger Baustellenaufbau erforderlich ist. Auch sinkt die Porösität mit der Zeit, was zunächst einen übermäßigen Wasserverlust und später unzureichende Aufsaugung mit sich bringt. Wasserverfügbarkeit kann auch ein Problem sein.
Was benötigt wird, und in den Aufgaben dieser Erfindung enthalten ist, ist ein thermal-angesteuerter, intermittierender Absorptions-Zyklus Solar-Kälteerzeuger, der:
nur einen oder zwei einfache Behälter zur Aufnahme der Absorptionsmittellösung erfordert, wobei die Sonnenstrahlung auf mindestens einen dieser Behälter gerichtet ist; eine effektive Konzentration der Sonnenstrahlung und vorzugsweise ein Konzentrationsverhältnis zwischen ungefähr 1,3 und 2,5 erreicht, aber keine Nachführung erfordert; und eine effektive und ökonomische Einrichtung zur Kühlung des Absorptionsmittelbehälters hat, welche nicht das Entfernen einer Isolation oder einer Verglasung erfordert, noch einen Wassertank mit einer Kapazität, die größer ist als die des Absorptionsmittelbehälters, erfordert.
Ein solarbetriebener intermittierender Absorptionskälteerzeugungsapparat wird offenbart, welcher die Beschränkungen des Standes der Technik durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 überwindet, im besonderen: - Zurverfügungstellung eines Solarreflektors zur Konzentration der Sonnenstrahlung auf einen Druckbehälter, welcher von näherungsweise kreisförmigen Querschnitt ist; und - Zurverfügungstellung eines Absperrventils in der Leitung zum Transport des verdampften Kühlmittels von einem Thermo-Siphonverdampfer, welcher im Wärmetausch-Kontakt mit dem Absorptionsmittel im Druckbehälter zu einem Kondensator zur Kondensation von Kühlmitteldampf, ist, der vom Absorptionsmittel desorbiert wird.
Im Druckbehälter ist vorzugsweise eine Ladung flüssigen Absorptionsmittels für Ammoniak (vorzugsweise wäßriger Ammoniak) vorgesehen.
Der Thermo-Siphon-Verdampfer wird vorzugsweise mit flüssigem NH&sub3; aus einem Aufnähmebehälter (angeordnet auf oder über der Höhe des Thermo-Siphon- Verdampfers) versorgt, wodurch der Aufnahmebehälter vom NH&sub3;-Verdampfer getrennt und außerhalb der Kältegrenzfläche sein sollte. Derselbe Kondensator, der am Tage zur Kondensation von desorbiertem NH&sub3;-Dampf verwendet wird, wird für den Thermo-Siphon während der Kühlphasen verwendet.
Der Kondensator ist zur effektiven Luftkühlung vorzugsweise mindestens teilweise gerippt. Das Absperrventil für den Thermo-Siphon wird verwendet, um dessen Betrieb während der Sonnenstrahlungsperiode anzuhalten; das Absperrventil ist im Dampfschenkel des Thermo-Siphonverdampfers angeordnet. Das Ventil kann auch solarbetätigt sein, ist aber vorzugsweise einfach ein handbetriebenes Ventil. Auch ist zur Verhinderung des Rückflusses von NH&sub3;-Dampf vom Kondensator in den (Absorber) Druckbehälter bei Nacht ein Absperr- bzw. Sicherungsventil (Einwegventil) in der Leitung zwischen dem Dampfraum (oberer Teil) des Druckbehälters und dem Kondensator angeordnet.
Durch die Verwendung eines horizontalen zylindrischen Druckbehälters wird eine mit niedrigen Kosten verbundene Aufbewahrung für das Absorptionsmittel erzielt. Durch die Anordnung des Zylinders im Brennpunkt des Solarreflektors wird ein
großes Ziel dargeboten, was einen Solaraufnahmewinkel in der Größenordnung von 60º gewährleistet, während auch ein Konzentrationsverhältnis von über 1,5 vorliegt. Die bevorzugte Reflektorgeometrie ist der "kegelstumpfartige zusammengesetzte parabolische Kollektor" (truncated compound parabolic collector = CPC), der aus dem Stand der Technik bekannt ist. So werden die Wärmeverluste minimiert und doch ist keine Nachführung notwendig - der Kollektor ist stationär, abgesehen von jahreszeitlich einzustellenden Verlängerungen.
Mit dem Thermo-Siphon "mit offenem Zyklus" wird nur ein einzelner effektiver umgebungsgekühlter Kondensator erforderlich. Mit Ammoniak-Wasser oder Ammoniak-NaSCN als Arbeitspaar kann der Generator aus weichem unlegiertem Stahl aufgebaut werden. Alle anderen Bauteile, welche den Umgebungswetterbedingungen ausgesetzt sind, können aus einem korrosionswiderstandfähigem Material wie rostfreiem Stahl aufgebaut sein.
Das flüssige NH&sub3; wird bei Tage in einem Reservoir oder einem Aufnahmebehälter
gesammelt, welcher den Bestand von NH&sub3; zur Verfügung stellt, der notwendig ist,
um sowohl Verdampfung als auch Thermo-Siphon-Betrieb während der Nacht zu
gewährleisten. Durch das Anordnen des Thermo-Siphon-Verdampfers unter dem Aufnahmebehälter wird er solange arbeiten, bis der Aufnahmebehälter leer ist, wobei zu dieser Zeit der Thermo-Siphon-Betricb nicht länger notwendig ist. Die Druckminderungsvorrichtung (Öffnung, Ventil, thermostatisches Expansionsventil, Kapillare oder ähnliches), die flüssiges NH&sub3; vom Aufnahmebehälter zum Verdampfer liefert, muß stromabwärts von der Versorgung zum Thermo-Siphon angeordnet sein, da der Thermo-Siphon beim Druck des Kondensators, nicht des Verdampfers arbeiten muß.
Der Aufnahmebehälter ist nicht gegen die Umgebungstemperatur isoliert. In der Tat kann er vorteilhafterweise zum maximalen Wärmeaustausch mit der Umgebung konstruiert sein, wodurch die Effektivität des Kondensators weiter gesteigert wird. Eine Methode, dies zu tun, ist, den Aufnahmebehälter in ein wasseraufsaugendes Material wie Fiberglas oder behandeltes Polypropylen-Gewebe zu wickeln und dann einen Behälter mit Wasser in Kontakt mit einem Teil des Aufsaugmaterials anzuordnen. Dies führt zu einer effektiven Verdampfungskühlung.
Wie beschrieben, hat der Apparat keine anderen beweglichen Teile als ca. drei Ventile und erfordert keine elektrische Versorgung und nur minimale Bedienung.
Die offenbarte offen-zyklische Thermo-Siphon-Absorber-Wärmeabfuhrkonstruktion wird auch bei intermittierenden Absorptions-Solar-Kälteerzeugern, die feste Absorptionsmittel verwenden, Anwendung finden können. Sie kann auch bei Systemen, die andere Kühlmittel als NH&sub3; verwenden, angewendet werden. Sie kann auch bei Flach-Platten-Kollektor-Geometrien sowie bei verschiedenen konzentrierenden Konfigurationen benutzt werden.
Fig. 1 ist eine schematische vereinfachte Darstellung des intermittierenden Solar- Ammoniak-Absorptionszyklus- ("ISAAC") Kälteerzeugers, mit einer Veranschaulichung der internen Bauteile im Generatorbehälter. Fig. 2 ist eine Querschnittsdarstellung des Solarreflektors und Generators, wobei die Verglasung, Lamellierung bzw. Rippen und eine jahreszeitlich repositionierte Verlängerung gezeigt sind.
Fig. 3 stellt drei Verbesserungen zum Aufbau nach Fig. 1 dar: Einen Hilfs- Generator (vertikaler Abschnitt), welcher Flüssigkeitshöhenänderungen kompensiert und den sonnenbestrahlten Abschnitt des Generators immer mit Flüssigkeit gefüllt hält; eine "aktive" Rippe (auch "thermale Wand" genannt), welche den Sonnenzielbereich ohne begleitende disproportionale Erhöhungen beim Absorptionsmittelvolumen erweitert; und eine zusätzliche Brennerwendel, die es ermöglicht, den Apparat an wolkigen Tagen zu betreiben.
Fig. 4 zeigt eine weitere Variation, bei der nur die thermale Wand sonnenbestrahlt ist und der Großteil des Bestandes der Absorptionsmittellösung in einem einfachen kompakten isolierten Behälter außerhalb des Sonnenkollektors ist. Ein zentrales Brennerrohr ist für den Betrieb an wolkigen Tagen eingebaut.
Gemäß Fig. 1 ist ein im allgemeinen zylindrischer Druckbehälter 1, der Kältemittel und Absorptionsmittel (z. B. wäßriges Ammoniak) enthält, horizontal in einem bogenförmigen Solarkollektor 2 mit einer inneren reflektierenden Oberfläche montiert, welche die Sonnenstrahlung auf den Zylinder 1 reflektiert. Die Reflektorgeometrie kann von im allgemeinen parabolischer Form sein und hat vorzugsweise einen Scheitel bzw. eine Spitze, um das Entweichen einiger Reflektionen zu verhindern. Die kegelstumpfartige zusammengesetzte parabolische Form ist im besonderen bevorzugt, wenn das Verhältnis der Sonnenöffnung zum effektiven Zylinderdurchmesser im Bereich von ungefähr 1,3 bis 2,5 ist. Eine Dampfausgangsleitung 3 verbindet den oberen Bereich des Zylinders 1 mit dem Kondensator 5 über ein Einwegventil 4, welches den Rückfluß von Dampf in den Zylinder verhindert. Alternativ kann ein Handventil verwendet werden. Der Kondensator 5 ist vorzugsweise eine luftgekühlte gerippte Rohrkonstruktion. Das Kondensat vom Kondensator 5 sammelt sich bei Tag im Aufnahmebehälter 6 und wird bei Nacht über Vorrichtungen zur Druckminderung 7 zur Verdampferwendel 8 abgegeben. Die Verdampferwendel ist im zu kühlenden Raum, z. B. Cold Box 9, angeordnet. Eine Leitung 10 befördert das verdampfte Kühlmittel bei Nacht zum Zylinder 1 zur Absorption in dem Absorptionsmittel. Ein Rohr 11 stellt eine gute Einmischung des Dampfes in das Absorptionsmittel sicher, und die horizontale Ausrichtung des Zylinders minimiert den hydrostatischen Rück- bzw. Gegendruck der Flüssigkeit.
Das optionale Absperr- bzw. Sicherungsventil 12 wird während des Tages den Rückfluß einer kleinen Menge von Absorptionsmittel in die Verdampferwendel hinein verhindern. Auch das Reservoir 6 führt dem Thermo-Siphon-Verdampfer 13 flüssiges NH&sub3; zu, welcher eine kontinuierlich bergauf geneigte Rohrstrecke oder Röhre ist, welche sich im Innern des Großteils der Länge des Zylinders 1 erstreckt. Der austretende Dampf durchströmt die Leitung 14, die das Absperrventil 15 enthält, zum Kondensator 5. Eine optionale Wasserschale 16 ist an dem Aufnahmebehälter 6 angebracht, um dessen optionale Aufsaugumhüllung naß zu halten, falls Verdampfungskühlung erwünscht ist. Die Leitung 3 ist bis zum Absperr- bzw. Sicherungsventil 4 gut isoliert, um zu verhindern, daß sich eine merkliche Menge von Kondensat darin bildet und zum Zylinder 1 zurückfließt. Der Kondensator 5 ist notwendigerweise über dem Aufnahmebehälter 6 angeordnet und der Thermo- Siphon-Verdampfer 13 ist etwas unter der Höhe des Aufnahmebehälters 6 angeordnet. Freie und latente Wärme wird vorzugsweise zwischen dem unter Druck stehenden flüssigen NH&sub3; auf dem Weg zur Druckminderungsvorrichtung 7 und dem fast gänzlich verdampften Fluid, das aus dem Verdampfer 8 austritt, in einem Wärmetauscher 17 ausgetauscht.
In Fig. 2 wird die allgemeine Querschnittsform eines kegelstumpfartigen CPC 20 gezeigt. Für Durchmesser des Zylinders 21 von mehr als 0,2 m erfordert das sinkende Verhältnis Oberfläche : Volumenen, daß entweder mehr Sonnenstrahlung aufgefangen oder weniger Absorptionsmittelvolumen enthalten sein muß als für einfache zylindrische Geometrie kennzeichnend ist. So ist es für größere Zylinder wünschenswert, Rippen 22 einzubauen, was das effektive Zielgebiet vergrößert. Die äußere Verglasung 23 reduziert Wärmeverluste und schützt ebenso die reflektierende Oberfläche vor Regen und Staub. Sie besteht vorzugsweise aus Polycarbonat oder gleichartigem unzerbrechlichem Material. Die optionale innere Verglasung 24 dient in erster Linie der weiteren Verminderung von Wärmeverlusten. Sie kann einfach, wie gezeigt, über den Zylinder 1 drapiert bzw. gefaltet werden, und besteht vorzugsweise aus einem sehr dünnen TFE Film, um die Durchlässigkeit zu maximieren und hohen örtlichen Temperaturen zu widerstehen. Die CPC Geometrie wird vorzugsweise durch ein Stück eines repositionierbaren Reflektors 25 erweitert, welcher in jedem März und September für die nächsten sechs Monate neu zu der der Sonne abgewandten Seite angeordnet wird.
In Fig. 3 sind verschiedene Verbesserungen dargestellt, welche potentielle Probleme der Konfiguration gemäß Fig. 1 lösen. Ein Problem ist das Oberfläche-zu- Volumen-Verhältnis. Die passiven Rippen, die in Fig. 3 dargestellt sind, sollten nicht länger sein als ca. 2 bis 3 cm, da andernfalls unter Sonnenbestrahlung die Rippentemperatur übermäßig über die Generatortemperatur hinaus ansteigt. Dies beschränkt die maximal mögliche Solaröffnung auf ungefähr 1,5 m, vorausgesetzt, daß der Generatorzylinder fast voll mit Flüssigkeit gehalten wird. Um die maximale Öffnung weiter zu vergrößern und so eine billigere Konstruktion größerer Einheiten zu ermöglichen, wurde entdeckt, daß eine "aktive" Rippe dieses Problem löst, d. h. eine Rippe, welche eine kochende Absorptionsmittellösung in ihrem Innern beinhaltet, wobei das Absorptionsmittel-Fluid in Verbindung mit jenem im zylindrischen Abschnitt des Generators ist. Um eine Schwerkraftzuführung von Absorptionsmittelflüssigkeit vom Zylinder zu der Rippe und Filter-(Gasaufstieg) Rückführung des Dampf-Flüssigkeitsgemisches von der Rippe zurück zum Zylinder zu erzeugen, muß die Rippe unter wenigstens einem Teil des Zylinders angeordnet sein. Die aktive Rippe, auch als "thermale Wand" bekannt, kann ökonomischerweise aus zwei flachen Platten rostfreien Stahls hergestellt sein, die rund um ihren Umfang miteinander verschweißt sind, dann an vielen Punkten innerhalb der Umfangsschweißnaht punktgeschweißt sind, und zuletzt leicht mit Gasdruck aufgeblasen werden. Bauteil 301 aus Fig. 3 bezeichnet solch eine aktive Rippe, welche mit dem Generatorzylinder 302 durch die Flüssigkeitsversorgungsleitung 303 und die Dampf- Flüssigkeits-Rückführungsleitung 304 verbunden ist. Mit dieser aktiven Rippe, können praktisch unbegrenzte Solaröffnungen bei billigen, nicht nachgeführten Konfigurationen erreicht werden, während der Absorptionsmittellösungsbestand proportional zur Öffnungsweite gehalten wird.
Ein zweites Problemfeld, angesprochen in Fig. 3, ist die Veränderung des Volumens der Absorptionsmittelflüssigkeit, welche bis zu 20% aufgrund der kombinierten Wirkungen von Temperaturänderung und Konzentrationsänderung beträgt. Ein einfacher horizontaler Zylindergenerator würde so ungefähr am Ende des Tages zu einem Viertel leer sein, und deshalb würde die Sonne, die auf seinen obersten nicht-benäßten Teil scheint, auf verschwenderische Weise Übertemperaturen hervorrufen. Es wäre wünschenswert, den horizontalen Zylinder zu allen Zeiten im wesentlichen voll zu halten, und das ist der Zweck des vertikalen Abschnitts 305 des Generators. Er stellt ein zusätzliches Absorptionsmittelvolumen von ungefähr 20% außerhalb der sonnenbestrahlten Fläche zur Verfügung und ist stark isoliert.
Das dritte Problem ist, was an bewölkten Tagen zu tun ist, wenn der Bedarf an Eis dringend ist. Die Wendel 306 ist an den Generator 302 über die Flüssigkeitsversorgungsleitung 307 und die Dampf-Flüssigkeitsrückführungsleitung 308 angebracht, und eine Flamme 309 bewirkt sowohl Desorption als auch Gas-Aufstiegszirkulation des Absorptionsmittels von der Wendel zum Generator. Ein Isolationsventil 310 kann inkorporiert sein, um freie bzw. natürliche Konvektionsströmung zu verhindern, wenn der Brenner nicht gezündet ist.
Die Fig. 4 stellt eine alternative Konfiguration der drei Verbesserungen von Fig. 3 dar. In Fig. 4 ist nur die thermale Wand 401 im sonnenbestrahlten Bereich, und der Rest des Generators 402 ist so ein einfacher, kompakter, stark isolierter Behälter. So enthält der Behälter 402 das nötige Expansionsvolumen und kann ebenfalls mit einem Brennerrohr 403 als zusätzliche Wärmequelle ausgerüstet sein. Der Thermo-Siphon-Verdampfer 404 ist vorzugsweise eine Schlange bzw. Wendel im Behälter 402, welcher mit äußeren Rippen verstärkt sein kann. Bei dem Sonnenzielbereich 401, der im allgemeinen flach ist, kann eine kostengünstige flache Verglasung angewandt werden, und der Solarreflektor benötigt nicht länger eine Spitze bzw. einen Scheitel. Die Dampf- und Flüssigkeitszuführung in den Empfangsbehälter 407 findet durch ein Blasen- bzw. Bubble-Rohr statt, um zu verhindern, daß Behälterflüssigkeit unterkühlt wird, und somit die Wärmeabweisung von dem benäßten Überzug, der den Aufnahmebehälter umgibt, zu maximieren. Andere Bauteile in Fig. 4 sind der Rippenröhrenkondensator 405, das NH&sub3;-Dampf- Einwegventil 406; der benäßte Aufnahmebehälter 407 (mit dem Bubble- bzw. Blasenrohr 408); Wärmequelle 409; Thermo-Siphon-Absperrventil 410; Cold Box und Verdampfer 411; flüssig-NH&sub3; Kältemittel-Kühler 412; Kältemittel-Dampf- Rückführungs-Einwegventil 413; Kältemittel-Zuführungs-Ventil 414; und Leitungen 415 und 416, die die thermale Wand 401 mit dem Druckbehälter 402 verbinden.
Es wurde auch für vorteilhaft befunden, ein Druckreduktionsventil in die flüssig- NH&sub3;-Versorgungsleitung zum Verdampfer einzubauen, und das Wasserreservoir für das Aufsaugmaterial über dem Aufnahmebehälter anzuordnen.

Claims

1. Absorptions-Kühlapparat mit

a) einem Druckbehälter (1) zur Einschließung eines absorbiertes Kühlmittel enthaltenden Absorptionsmittels;

b) einer Einrichtung (2) zur Aufbringung von Hitze auf den Druckbehälter (1);

c) einem Kondensator (5) zum Kondensieren von von dem Absorptionsmittel desorbiertem Kühlmitteldampf, und einer Leitung (3), die den oberen Teil des Druckbehälters (1) mit dem Kondensator (5) verbindet;

d) einem Kälteerzeugungs-Verdampfer (8), der mit Kühlmittel versorgt wird, welches im Kondensator (5) kondensiert worden ist;

e) einer Leitung (10, 11) zur Rückführung von verdampftem Kühlmittel vom Kälteerzeugungs-Verdampfer (8) zum Absorptionsmittel im Druckbehälter (1);

f) einem Thermo-Syphon-Verdampfer (13) in Wärmeaustausch-Kontakt mit dem Absorptionsmittel zur Abführung von Wärme vom Absorptionsmittel; und

g) einer Leitung zum Transportieren von im Kondensator (5) kondensiertem Kühlmittel zum Thermo-Syphon-Verdampfer (13), und einer Leitung (14) zum Transportieren von verdampftem Kühlmittel vom Thermo-Syphon- Verdampfer (13) zum Kondensator (5); gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

h) der Absorptions-Kühlapparat wird mit Sonnenenergie betrieben mit einem Solar-Reflektor (2) zur Konzentration der Sonnenstrahlung auf den Druckbehälter (1), der annähernd kreisförmigen Querschnitt hat; und

i) ein Absperr- bzw. Sicherungsventil (15) ist in der Leitung (14) zum Transportieren von verdampftem Kühlmittel vom Thermo-Syphon-Verdampfer (13) zum Kondensator (5) vorgesehen.

2. Apparat nach Anspruch 1, der zusätzlich aufweist ein Absperrventil (12) in der Leitung (10) zur Rückführung von verdampftem Kühlmittel; und

ein Einwegventil (4) in der Leitung (3) zwischen dem oberen Teil des Druckbehälters (1) und dem Kondensator (5), wodurch Kühlmitteldampf aus dem Druckbehälter (1) nur durch die Leitung (3) abfließen kann.

3. Apparat nach Anspruch 2, der zusätzlich aufweist einen Aufnahmebehälter (6) zum Sammeln von kondensiertem Kühlmittel vom Kondensator (5) und zu dessen Zuführung zum Kälteerzeugungs-Verdampfer (8) über eine Vorrichtung (7) zur Druckverminderung; und eine Vorrichtung zum Abtrennen des Flusses von kondensiertem Kühlmittel zum Verdampfer (8), wenn der Druckbehälter (1) Sonnenstrahlung empfängt.

4. Apparat nach Anspruch 3, ferner gekennzeichnet dadurch, daß der Aufnahmebehälter (6) auf einer Höhe angeordnet ist, die nicht niedriger ist als die Höhe des Thermo- Syphon-Verdampfers (13).

5. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein flüssiges Absorptionsmittel verwendet wird.

6. Apparat nach Anspruch 5, wobei das Kühlmittel Ammoniak und das Absorptionsmittel wäßriges (aqua) Ammoniak ist.

7. Apparat nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (17) zum Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel vom bzw. zum Kälteerzeugungs-Verdampfer (8).

8. Apparat nach Anspruch 4, ferner gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung (17) zum Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel von und zum Kälteerzeugungs-Verdampfer (8);

eine Vorrichtung zum Naßhalten der Außenseite des Aufnahmebehälters (6) mit Wasser, und

mindestens eine transparente Verglasung zwischen der Sonne und dem Druckbehälter (1).

9. Apparat nach Anspruch 5, ferner gekennzeichnet durch eine transparente Verglasung, die zumindest den größeren Teil des Reflektors (2), der den Druckbehälter (1) enthält, bedeckt;

eine Vielzahl von äußeren länglichen Rippen (22; 301) auf dem Druckbehälter (1); und

eine zweite über die Rippen (22; 301) drappierte Verglasung (24).

10. Apparat nach Anspruch 5, der ein Absorptionsmittellösung enthaltendes, zusätzliches sonnenbestrahltes Bauteil (301), plus eine Flüssigkeits-Zufuhrleitung (303) und eine Dampf-Flüssigkeits- Rückführleitung (304), welche es mit dem Druckbehälter (302) verbindet, aufweist.

11. Apparat nach Anspruch 4, wobei der Druckbehälter (302) einen isolierten vertikalen Abschnitt (305), der sich über die Höhe eines horizontalen Abschnitts des Druckbehälter (302) erstreckt, inkorporiert.

12. Apparat nach Anspruch 4, der zusätzlich aufweist

eine Verbrennungswärmequelle (309);

eine aufwärts geneigte Leitung (306), welche durch die Wärmequelle (309) beheizt wird; und

eine Flüssigkeitsversorgungsleitung (307) und Dampf-Flüssigkeits-Rückführungsleitung (308), welche die nach oben geneigte Leitung (306) mit dem Druckbehälter (302) verbinden.

13. Apparat nach Anspruch 3, wobei

ein sonnenbestrahlter Teil (401) des Druckbehälters mit einem isolierten Teil (402) des Druckbehälters durch eine Flüssigkeitszuführungsleitung und eine Dampf- Flüssigkeits-Rückführungsleitung verbunden ist; und wobei

ein Brennerrohr (403) sich durch einen Teil des isolierten Teils (402) des Druckbehälters erstreckt.

14. Apparat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Geometrie des Reflektors (2) eine abgeschnittene bzw. kegelstumpfartige zusammengesetzte parabolischen Form mit einer Spitze ist.