DE4029995A1 - Absorptionsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Absorptionsmaschine für einen quasi-kontinuierlichen Absorptionsprozeß gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Neben den vier wärmeübertragenden Grund­ komponenten Generator, Kondensator, Absorber und Verdampfer kann sie ebenfalls einen Lösungswärmetauscher und/oder einen Kälte­ tauscher aufweisen.

Eine Anordnung der rohrförmig ausgebildeten Komponenten Ver­ dampfer, Kondensator und Absorber eines Diffusionskälteapparates ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 44 49 372 bekannt. Bei diesem bekannten Absorptionskälteapparat sind der Absorber, ein Gaswärmetauscher und der Verdampfer in rohrförmigen Elementen übereinander angeordnet, während sich der Kondensator, der Genera­ tor und ein Lösungswärmetauscher räumlich getrennt von den vor­ genannten Komponenten befinden, weshalb die einzelnen Komponenten durch Leitungen fertigungstechnisch aufwendig miteinander verbun­ den werden müssen.

Das Prinzip der in der vorliegenden Absorptionsmaschine einge­ setzten Lösungspumpe wird in der deutschen Patentschrift 4 30 488 erwähnt. Die bekannte Pumpe weist den Nachteil auf, daß für die beim dort vorgeschlagenen Arbeitsstoffpaar Ammoniak/Wasser herrschende hohe Druckdifferenz die zum Bewegen der Ventile notwendigen großen Kräfte mit einer aufwendigen Ventilsteuerung erzeugt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Absorptionsmaschine so zu gestalten, daß ihre Herstellung im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich vereinfacht und so eine wirtschaftliche Serienfertigung ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Absorp­ tionsmaschine der eingangs beschriebenen Gattung, dadurch gelöst, daß Generator, Kondensator, Absorber und Verdampfer stehend übereinander in Rohrabschnitten angeordnet sind. In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Absorptions­ maschine sind die einzelnen Komponenten und die sie umschließen­ den Rohrabschnitte miteinander verbunden und vertikal überein­ ander angeordnet. Alle Verbindungsleitungen und Steuerelemente, wie Drosseln und Ventile, und gegebenenfalls ein Lösungswärme­ tauscher und/oder ein Kältetauscher sowie eine Lösungspumpe sind ebenfalls in die, vorzugsweise zu einem Rohr verbundenen Rohr­ abschnitte integriert. Die Rohraußenflächen können zumindest teilweise der Wärmeübertragung dienen. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Da die äußere Form der erfindungsgemäßen Absorptionsmaschine sehr der eines Wärmerohres ähnelt, soll sie im folgenden mit "Absorptionsrohr" bezeichnet werden.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung kann bei der Herstellung überwiegend auf handelsübliches, kostengünstiges Halbzeug (Roh­ re, Rippenrohre) zurückgegriffen werden, das mit geringem Schweißaufwand und ohne Rohrbiegeoperationen leicht verarbeitet werden kann.

Analog zu den Wärmerohren sind Absorptionsrohre ebenso für flüssige als auch für gasförmige Wärmeträger geeignet, da die Rohrbauweise eine besonders einfache Anpassung der äußeren Wär­ meübertragungsflächen (z. B. Rippen) an die jeweiligen Wärmeträ­ ger zuläßt. Dadurch ergibt sich ein großes Einsatzgebiet für Absorptionsrohre.

Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ergibt sich dadurch, daß das erfindungsgemäße Absorptionsrohr zu Rohrbündeln, ähnlich wie bei Wärmerohren, zusammengeschaltet werden kann. Die Nutzleistung einer solchen modular aufgebauten Absorptionsmaschine kann durch die Anzahl sowie die Leistung der einzelnen Absorptionsrohre leicht den jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Des weiteren läßt sich bei einem gegebenen Modul die Leistung vorteilhaft durch Ein/Ausschalten einzelner Absorptionsrohre regeln, wodurch sich bei einer solchen modularen Absorptionsmaschine ein guter Wirkungsgrad im Teillastbetrieb ergibt.

Eine weitere Kostenreduzierung wird durch eine besonders einfach gestaltete Lösungspumpe erreicht, die die ansonsten bei kontinuierlichen Absorptionsmaschinen üblichen Schwierigkeiten (Dichtung, Regelung) verringert. Als Arbeitsstoffe kommen alle im Niederdruckbereich arbeitenden Stoffpaare, wie z. B. CH₃OH/LiBr in Frage.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein zur Klimatisierung oder Luftheizung mit Beheizung des Generators durch einen flüssigen Wärmeträger;

Fig. 2 eine Absorptionsmaschine gemäß Fig. 1, jedoch mit in­ nenliegender Beheizung des Generators durch einen direktbefeuernden Stabbrenner,;

Fig. 3 einen vergrößerten und detaillierten Schnitt durch die Lösungspumpe gemäß den Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 2.

In einem vertikalen Rohr sind die vier Grundkomponenten Generator 1, Kondensator 2, Absorber 6 und Verdampfer 12 integriert (Fig. 1), dessen Außenwand gleichzeitig als Wärmeübertragungsfläche dient. Der Kondensator 2, der Absorber 6 und der Verdampfer 12 werden von einem Wärmeträgermedium, z. B. von Außenluft A, angeströmt. Das vom Kondensator 2 und Absorber 6 abströmende Wärmeträgermedium, z. B. die zur Klimatisierung dienende Zuluft Z, hat eine andere Temperatur als das anströmende Wärmeträgermedium. Zur Beheizung des Generators 1 dient ein Heizmedium H. Zwischen Kondensator 2 und Absorber 6 befindet sich eine Lösungspumpe 15. Ein Lösungswärmetauscher 4 ist im Kondensator 2 integriert. Ein Kältetauscher (nicht gezeigt) könnte analog dazu im Verdampfer eingebaut werden.

Im Generator 1 wird ein Arbeitsstoffgemisch gekocht, und der dabei produzierte Kältemitteldampf wird im Kondensator 2 ab­ gekühlt und kondensiert. Das im Generator 1 aufkonzentrierte Gemisch sanmelt sich in einem Sumpf an und verläßt ihn über eine Steigleitung 3. Aufgrund der im System herrschenden Druckdiffe­ renz strömt das Arbeitsmittel durch den Lösungswärmetauscher 4 über eine Lösungsdrossel 5 in den Absorber 6, in dem es sich in einer Verteilrinne 7 auf den Rohrumfang verteilt. Das Kondensat wird am Boden des Kondensators 2 in einer Auffangrinne 8 gesam­ melt und gelangt anschließend über eine Kondensatdrossel 9 durch eine Kapillarleitung 10 in eine Kondensatverteilrinne 11 des Verdampfers 12. Im Verdampfer 12 rieselt das Kondensat am Innen­ rohr herunter und verdampft dabei. Nicht verdampftes Kondensat wird in einer Sammelrinne 13 aufgefangen und zwischengespeichert. Bei Bedarf wird es durch eine Kapillarwand 14 zur Verdampfung erneut angesogen. Das verdampfte Kältemittel wird im Absorber 6 von dem dort herunterrieselnden armen Arbeitsstoffgemisch absor­ biert. Das angereicherte Gemisch sammelt sich oberhalb der thermischen Lösungspumpe 15, die es periodisch über eine Leitung 17 durch den Lösungswärmetauscher 4 in eine Verteilrinne 16 des Generators 1 pumpt.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1. Im Unterschied dazu ist hier die Generatorbeheizung innenliegend, z. B. mittels eines direktbefeuernden Stabbrenners S, ausgeführt.

In Fig. 3 ist die zwischen Kodensator 2 und Absorber 6 angeordnete thermische Lösungspumpe 15 genauer gezeigt. Sie funktioniert nach dem Schleusenprinzip, d. h. die zu fördernde Flüssigkeit fließt abwechselnd in eine Pumpenkammer 21 ein und aus. Der Druck in der Pumpenkammer 21 wird durch Druckausgleich über Dampfventile 22, 23 jeweils abwechselnd dem des Absorber- bzw. Generatordrucks an­ gepaßt. Nach erfolgtem Druckausgleich zwischen der Pumpe und dem Absorber bzw. Generator öffnen abwechselnd Lösungsrückschlag­ ventile 24, 25 selbsttätig, so daß die Lösung in die Pumpe ein- bzw. auslaufen kann. Zum Antrieb benötigt die thermische Pumpe einen geringen Anteil des Dampfes aus dem Hochdruckteil 1, 2 (Fig. 1) des Absorptionsrohres, der in den Absorber/Verdampfer entweicht.

Um das Dampfein- bzw. -auslaßventil 23, 22 gegen die anliegende Druckdifferenz zu öffnen, wird eine Kraft benötigt. Diese kann beispielsweise durch die Auftriebs- und Schwerkraft eines sich im Pumpengehäuse befindenden Schwimmers 26 aufgebracht werden. Diese Kraftaufbringungsart eignet sich besonders für Arbeits­ stoffpaare, die im Niederdruckbereich (bis ungefähr 2 bar) ar­ beiten, da sich so, bedingt durch die niedrigen Öffnungskräfte, ein geringes Bauvolumen verwirklichen läßt. Weiterhin erfaßt der Schwimmer gleichzeitig die Füllstände in der Pumpe und kann somit die Steuerung ihres inneren, periodischen Funktionsablau­ fes übernehmen. Prinzipiell kann der Schwimmer den Wechsel von der Einlauf- zur Auslaufphase und umgekehrt nur einleiten. Be­ findet sich beispielsweise die Pumpe, wie in Fig. 3 dargestellt, in der Einlaufphase, d. h. die Absorberlösung strömt durch das geöffnete Lösungsventil 24 in die Pumpe und der verdrängte Dampf entweicht durch das ebenfalls geöffnete Dampfventil 22, dann öffnet der Schwimmer bei vollständig gefüllter Pumpenkam­ mer 21 das Dampfventil 23 und leitet die Auslaufphase ein. Hat die Auftriebskraft des Schwimmers das Ventil 23 gerade etwas geöffnet, führt der durch das Ventil 23 einströmende Hochdruck­ dampf aus dem Generator/Kondensator zu einer Druckerhöhung in der Pumpe, weshalb keine weitere Lösung aus dem Absorber in die Pumpe nachströmen kann. Der Schwimmer kommt dann zum Stillstand und kann das Dampfventil 23 nicht vollständig öffnen.

Es muß also dafür gesorgt werden, daß sich das Dampfventil 23 vollständig öffnet und während der Auslaufphase auch geöffnet bleibt. Analoges gilt bei dem Wechsel von der Auslauf- zur Einlaufphase auch für das Dampfventil 22.

Konstruktiv wurden diese Anforderungen dadurch erfüllt, daß:

• a) eine Ventilstange 27 im Bereich des Dampfventils 23 als Zylinder 28 ausgeführt ist, der sich kurz nach dem Öffnen mit Hochdruckdampf füllt. Ist die Zylinderkopffläche 29 größer als die des Ventilquerschnitts, wird eine zusätzliche Kraft in Be­ wegungsrichtung der Ventilstange auf diese ausgeübt und das Dampfventil 23 öffnet sich unabhängig von dem Schwimmer weiter. Kurz vor dem Schließen des Ventils 22 kann Dampf durch Über­ strömkanäle 30 in die Pumpenkammer strömen;
• b) beide Dampfventile 22 und 23 durch die Ventilstange 27 starr miteinander verbunden sind. Dadurch hält das während der Auslaufphase geschlossene Ventil 22 das Dampfeinlaßventil 23 geöffnet.

Diese Maßnahmen gestatten den Einsatz eines Schwimmers zur Steuerung der Lösungspumpe. Die Pumpe hat keine Verbindung zur Umgebung des Absorptionsrohres und läßt sich somit hermetisch dichten.

Obwohl bei der bevorzugten Ausführungsform die einzelnen Rohrab­ schnitte vertikal übereinander angeordnet sind, ist ebenso eine bis zu einem Winkel von 30° gegen die Vertikale geneigte Abwand­ lung denkbar, ohne daß die wesentlichen Vorteile der erfindungs­ gemäßen Absorptionsmaschine aufgegeben werden.

Auch sind statt der einzelnen, nachträglich zusamnenfügbaren Rohrabschnitte Abwandlungen möglich, bei denen die einzelnen Komponenten in ein einziges, längeres Rohr eingeführt werden.

Claims (9)

1. Absorptionsmaschine für einen quasi-kontinuierlichen Absorptionsprozeß mit zumindest vier wärmeübertragenden Grundkomponenten Generator (1), Kondensator (2), Absorber (6) und Verdampfer (12) und einer insbesondere ohne Hilfsenergie angetriebenen Lösungspumpe (15), dadurch gekennzeichnet, daß Generator (1), Kondensator (2), Absorber (6) und Verdampfer (12) übereinander in sich aneinander anschließenden Rohrab­ schnitten angeordnet sind.

2. Absorptionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Außenflächen der Rohrabschnitte zumindest teilweise der Wärmeübertragung dienen.

3. Absorptionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Kondensator (2) und Absorber (6) die nach dem Schleusenprinzip arbeitende thermische Lösungspumpe (15) befindet, die in einem Rohrabschnitt integriert ist.

4. Absorptionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich alle Verbindungsleitungen und Steuerelemente, wie Drosseln und Ventile, und gegebenenfalls ein Lösungswärme­ tauscher und/oder ein Kältetauscher, innerhalb der Rohrab­ schnitte befinden.

5. Absorptionsmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (1) durch einen konzentrisch zum Generator­ rohrabschnitt angeordneten Stabbrenner (S) beheizbar ist.

6. Absorptionsmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein flüssiger Wärmeträger verwendet wird.

7. Absorptionsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (12) koaxial innerhalb des Absorbers (6) integriert ist.

8. Absorptionsmaschine nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei die Lösungspumpe (15) steuernde, miteinander verbun­ dene Dampfventile (22, 23) von einem Schwimmer (26) gesteuert werden.

9. Absorptionsmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden miteinander verbundenen Dampfventile (22, 23) so gestaltet sind, daß durch aus dem Kondensator (2) ausströmenden Dampf eine zum Schließen des Ventils (22) genügend große Kraft ausgeübt wird.