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Verfahren zum Betriebe von kontinuierlichen Absorptionskälteapparaten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für kontinuierlich
arbeitende Absorptionskälteapparate, welche mit einem druckausgleichenden, -indifferenten
Gas arbeiten und einen Kocher, einen Absorber und einen Flüssigkeitstemperaturwechsler
aufweisen. Da die Absorptionsapparate, welche mit druckausgleichendem Gas arbeiten,
hinsichtlich des Wirkungsgrades bekanntlich sehr empfindlich sind, so bedeutet eine
Verbesserung der Rektifikation unmittelbar eine Steigerung des Wirkungsgrades solcher
Apparate. Die Erfindung bezweckt daher, die Rektifizierung und Abkühlung vorn Kocher
kommender Dämpfe zu verbessern, wobei die von diesen Dämpfen abgegebene Wärme vollständig
selbständig unter den verschiedenen Betriebsverhältnissen für den Betrieb des Apparates
ausgenutzt wird, ohne däß besondere Regelorgane erforderlich würden.
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Es ist bereits vorgeschlagen, bei derartigen Apparaten die im Kocher
ausgetriebenen Dämpfe mit der vom Temperaturwechsler kommenden reichen Lösung in
direkte oder indirekte Verbindung zu bringen, wodurch die Dämpfe an Kältemittel
angereichert werden. Eine derartige Rektifizierung ist jedoch keineswegs vollständig,
und der Kühleffekt, der einer bestimmten Menge . verbrauchten Wärme entspricht,
ist verhältnismäßig gering, besonders wenn man tiefe Temperaturen im Verdampfer
erhalten will.
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Es ist ferner vorgeschlagen, die im Kocher ausgetriebenen Dämpfe mit
Hilfe der reichen Lösung vor deren Durchtritt durch den Temperaturwechsler zu kühlen.
Hierbei kann man eine vollständige Rektifizierung erhalten, und die dabei ausfallende
Wärme kommt ganz der reichen Lösung zugute. Die Wärmemenge jedoch, die die reiche
Lösung danach im Temperaturwechsler von der armen Lösung aufnehmen kann, verringert
sich ungefähr um den gleichen Betrag, den sie an Rektifikationswärme gewann.
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Es ist ferner vorgeschlagen, die vom Kocher kommenden Dämpfe nur mit
einem Teil der reichen Lösung zu kühlen, der in einer besonderen Leitung vor dein
Temperaturwechsler abgezweigt und im Gegenstrom zu den Dämpfen zum Kocher geführt
wird. Wird das Verhältnis zwischen der Menge der abgezweigten reichen Lösung und
der Menge, die durch den Temperaturwechsler geht, richtig abgepaßt, kann man im
allgemeinen die ganze Rektifizierungswärme zurückgewinnen, ohne daß dies auf Kosten
der von der armen Lösung abgegebenen Wärme geschieht. Diese Lösung der Aufgabe fordert
jedoch, daß die abgezweigte Menge reiche Lösung genau für
jeden
besonderen Betriebsfall eingestellt wird. Ferner, daß die Regelorgane so vollkommen
sind, daß sich die Mengenverhältnisse während des Betriebes nicht verändern. Ferner
muß bei sich ändernden Betriebsverhältnissen eine neue Einregelung vorgenommen werden,
z. B. wenn sich die Temperatur des Kühlwassers oder der Kühlluft ändert.
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Wird zuviel reiche Lösung abgezweigt, so erhält man zuviel Kondensat
im Rektifikator, das zum Kocher zurückführt, erneut verdampft werden muß. Wird zuwenig
reiche Lösung abgezweigt, so wird die Rektifizierung unvollkommen. Bei dieser Art
der Rektifizierung tritt also ein Unsicherheitsmoment: auf, das in der Praxis mehr
schaden als nutzen kann.
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Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen und der reichen
Lösung die gesamte Rektifizierungswärme auch bei wechselnden Betriebsverhältnissen
zu übertragen, ohne daß die Wärmemenge, die die arme Lösung abgibt, dabei verringert
wird und ohne daß ein Einstellen von Regelorganen erforderlich wäre. Die Erfindung
ist daher auch besonders für Apparate ohne bewegliche Teile, z. B. solche, die mit
druckausgleichendemHilfsgas arbeiten, geeignet. DieErfindung besteht im wesentlichen
darin, daß die im Kocher ausgetriebenen Dämpfe mit dem Temperaturwechsler auf größere
oder geringere Länge derart zusammengeführt werden, daß gleichzeitig ein Wärmeaustausch
zwischen der reichen Lösung einerseits und der armen Lösung und den vom Kocher kommenden
Dämpfen andererseits stattfindet.
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Hierbei wird zweckmäßig die Anordnung getroffen, daß das bei der Abkühlung
der Dämpfe ausfallende Kondensat im Gegenstrom zu den Dämpfen zum Kocher zurückgeführt
wird. Ferner müssen die aus der reichen Lösung bei der Temperaturerhöhung imTemperaturwechslerausgetriebenen
Dämpfe frei zum Kocher strömen oder sich mit den vom Kocher kommenden Dämpfen vereinigen
können.
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In den Abb. i und z sind schematisch im Längsschnitt zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt, bei deren Beschreibung sich weitere kennzeichnende Merkmale
der Erfindung ergeben werden. Im folgenden sei angenommen, daß das Kältemittel aus
Ammoniak, das Absorptionsmittel aus. Wasser besteht, ohne die Erfindung auf diese
Mittel zu beschränken.
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In dem Ausführungsbeispiel der Abb. i bezeichnet i den Kocher, a den
Absorber, 3 die teilweise erweiterte Leitung für die reiche Lösung, 4 die Leitung
für die arme Lösung und 5 die Leitung für die vom Kocher koinnienden Dämpfe. Alle
drei Leitungen 3, _;. und 5 stehen miteinander in gegenseitigem Wärmeaustausch.
Mit 6 ist der V erflüssiger des Apparates, mit 7 sein Verdampfer und mit 8 und 9
Regelventile für das Kälteinittelkondensat bzw. die arme Lösung bezeichnet. to bezeichnet
eine Pumpe für die reiche Lösung und ti einen Schwimmer, der den Zufluß zur Pumpe
regelt.
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Die Leitung 5 ist etwas zum Kocher hin geneigt, so daß bei der Dampfkühlung
ausgeschiedenes Kondensat zum Kocher zurückrinnen kann. Diese Leitung ist ferner
mit Sperrorganen 1z versehen, die eine gewisse Menge Kondensat zurückhalten, das
sich am Boden der Leitung 5 sammelt, und die vom Kocher kommenden Dämpfe zwingen,
durch das Kondensat hindurchzutreten. Die Sperrorgane sind mit Ablaufrohren 13 versehen,
durch die der Kondensatüberschuß stufenweise zum Kocher geführt wird, während das
vom Kocher kommende Gas unter der Unterkante der Sperrorgane 1a hindurchtritt. Die
Leitung für die reiche Lösung besteht im Temperaturwechsler aus zwei konzentrischen
Rohren 5 und 18, zwischen die in Spiralform die Leitung 4 für die arme Lösung eingelegt
ist. An ihrem dem Kocher zugekehrten Teil ist die Leitung für die reiche Lösung
mit einer Anzahl von Rohren 14 versehen, durch die aus der reichen Lösung bei ihrer
Erwärmung ausgetriebene Dämpfe frei zum Kocher gelangen können. Durch eine Abzweigung
15 tritt , die reiche Lösung vom Temperaturwechsler in den Kocher über. Bevor die
aus dem Temperaturwechsler ausgetretene arme Lösung zum Absorber tritt, wird sie
zweckmäßig in einem Vorkühler 16 gekühlt. Der Absorber :2 ist mit an sich bekannteiz
Stauorganen. 17 versehen.
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Der Apparat arbeitet wie folgt: Durch beliebige Beheizung des Kochers
werden aus seiner Absorptionslösung Ammoniak- und 'Wasserdämpfe ausgetrieben, die
in der Leitung 5 abgekühlt werden, -wobei sie sich ebenso wie das ausfallende Kondensat
in der Richtung nach dem Kondensator 6 zu stufenweise an Kältemittel anreichern
Die Herabkühlung der Dämpfe wird so lange fortgesetzt, bis die Temperatur so. weit
gesunken ist, daß praktisch reiner Ainmoniakdampf zum Kondensator tritt.- Von diesem
wird Wärme, z. B. durch Kühlwasser. abgeführt, so daß die Dämpfe kondensieren, worauf
man das Kondensat noch weiter unterkühlen kann. Der Druck im Kocher und Kondensator
wird hierzu zweckmäßig etwas höher gehalten als der Kondensierungsdruck des Ammoniaks
bei- der Kondensätortemperatur und beträgt allgemein zwischen 8 his 2o Atin.
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Das Kondensat tritt durch das Drosselventil 8 in den Verdampfer, in
dein niederer
Druck herrscht, so daß das Ammoniak unter Bindung
von Wärme verdampft. Vom Verdampfer 7 treten die Dämpfe zum Absorber 2, in dem sie
von der Absorptionslösung, die sich dabei anreichert, aufgenommen werden. Die dabei
auftretende Absorptionswärinewird beispielsweise durch Kühlwasser fortgeschafft.
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Die reiche Lösung wird vom unteren Teil des Absorbers durch die Pumpe
io fortgeschafft, und zwar zum Temperaturwechsler durch die Leitung 3, von wo aus
sie durch Leitung 15 in den Kocher überfließt. Die arme Lösung tritt vom Kocher
durch den Temperaturwechsler, den Vorkühler 16 und durch das Drosselventil 9, das
die Menge der umlaufenden Lösung regelt, zum Absorber Im Temperaturwechsler wird
die gesamte Rektifizierungswärme an die reiche Lösung überführt, die gleichzeitig
die arme Lösung abkühlt.
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Bei der Ausführungsform der Abb. 2 -werden die vom Kocher i kommenden
Dämpfe zunächst in einem besonderen Analvser i9 oberhalb des eigentlichen Kochers
dadurch rektifiziert, daß sie durch reiche Lösung, die in den oberen Teil des Analv
sers tritt, hindurchtreten. Hierzu wird die reiche Lösung benutzt, die aus dem Temperaturwechsler
ausgetreten ist und sich über Stauplatten 24, wie sie in derartigen Anlagen üblich
sind, verteilt hat. Nach Durchtreten des Analvsers ,werden die Dämpfe durch einen
Teil des Temperaturwechslers geführt, und zwar von einer Stelle an, an der die Temperatur
der reichen Lösung während, des Betriebes etwas niedriger ist als der Kochpunkt
der reichen Lösung, z. B. io bis i5° niedriger, bis zu einer Stelle, wo die Temperatur
der reichen Lösung nahe der Kondensierungstemperatur des reinen Kältemittels liegt.
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Der Teil des Temperaturwechslers, der nicht in wärmeleitender Verbindung
mit der Dampfleitung steht, besteht gemäß der Abbildung aus zwei konzentrischen
Leitungen 25 und 26, die als zylindrische Spirale mit senkrechter Achse den oberen
Teil des Kochers umgeben, wodurch dessen Wärmeausstrahlung verringert wird. Die
reiche Lösung wird dabei im äußeren Rohr von unten nach oben geführt, so daß die
bei der Erwärmung auftretenden Dämpfe ohne besondere Vorkehrungen zum oberen Teil
des Analv_ sers treten können.
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Der Vorteil dieser Art der Rektifizierung macht sich besonders bei
Apparaten mit Luftkühlung oder hoher Kühlwassertemperatur, wie sie z. B. in den
Tropen herrscht, bemerkbar. Bei unter derartigen Verhältnissen arbeitenden Apparaten
ist die Menge der Rektifizierungswärme bei vollständiger Rektifizierung groß, und
man kann in gewissen Fällen nicht diesen Betrag ganz auf die reiche Lösung allein
im 'Temheratüf«echsler Überführen, da die Summe der Wärmemenge, die die arme Lösung
abgeben kann; und die gesamte Rektifizierungswärme größer ist als die Wärmemenge,
die die reiche Lösung aufnehmen kann. Gemäß der Erfindung wird jedoch ein Teil der
Rektifizierungswärme im Analvser i9 der reichen Lösung nach deren Durchtritt durch
den Temperaturwechsler zugeführt, während der übrige Teil im Temperaturwechsler
zugeführt wird.
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Im Ausführungsbeispiel der Abb. 2 ist der Kocher. als hoher, schmaler
Zylinder ausgeführt, so daß man eine gewisse Rektifizierung bereits im Kocher erhält.
Die reiche, in den Kocher kommende Lösung ist spezifisch leichter als die arme und
hält sich daher ini Köcher oben. Die Konzentration der Lösung nimmt deshalb gegen
den Kocherboden zu ab. Die Dämpfe entstehen nun beim Kochen größtenteils am Kocherboden
und müssen daher durch Schichten reicherer Lösung hindurchtreten, wo sich auch die
Dämpfe an Kältemittel anreichern.
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In der Abbildung ist weiter eine Leitung 22 gezeigt, durch die die
rektifizierten Dämpfe in einen Raum 2i treten, der die Fortsetzung der Leitung 5
darstellt. Dieser Raum 2 1 ist gleichfalls in wärmeleitender Verbindung mit den
Leitungen für reiche und arme Lösung. In ihm findet eine weitere Abgabe von Wärme
der Dämpfe statt, die. von der reichen Lösung aufgenommen wird. Das durch die Abkühlung
im Raum 2i ausgefüllte Kondensat, das praktisch reines Kältemittel darstellt, wird
zum Kondensator 6 geführt. Eine derartige Nachkühlung der rektifizierten Dämpfe
ist jedoch besonders vorteilhaft, wenn die Rektifizierungswärme gering ist.
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Im übrigen arbeitet das Ausführungsbeispiel der Abb. 2 ebenso wie
das der Abb. i. Der Apparat gemäß Abb. 2 ist für Gasheizung und Luftkühlung ausgebildet.
Am Boden des Kochers ist ein Gasbrenner 23 vorgesehen, und seine Verbrennungsgase
werden aufwärts zwischen den Kocher i und eine Hülse 27 geführt. Die Luftkühlung
wird mittels eines Ventilators 2o erzeugt. Sie kann jedoch auch ohne Ventilator
stattfinden, wenn man größere Kühlflächen verwendet. In beiden Fällen müssen die
zu kühlenden Apparatteile mit Kühlflanschen versehen werden, die in der Abbildung
nicht dargestellt sind.
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Um den Betrieb des Apparates zu erleichtern und die Gefahr von Leckagen
zu verringern, wird die Pumpe beispielsweise als Menibranpumpe oder als ein durch
elektromagnetische Pulsation getriebener Kolben ausgeführt. Ferner können die Ventilkegel
der Drosselventile auf einer Membran angebracht
werden, so daß
sie vollständig im Apparat eingeschlossen sind und ihre Bewegung und Einstellung
durch von außen wirkende Kräfte erhalten.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt. Sie kann z. B. auch für Resorptionsapparate Verwendung finden, um dem
Resorber reines Kältemittel zuzuführen und den Wärmebedarf des Apparates zu verringern,
und ist insbesondere für Apparate mit druckausgleichendem Gas geeignet.