-
Die Erfindung betrifft Wärmepumpen- und Kühlsysteme und
insbesondere ein reversibles Wärmepumpen- und Kühlsystem, das
mit einem Injektor, Ejektor oder einer Düsenstrahlpumpe,
nachstehend als Ejektor bezeichnet, kombiniert ist.
-
Aus Umweltschutzgründen spricht vieles für die Verwendung
von wärmebetriebenen Kühl- und Wärmepumpenkreisläufen anstelle
von solchen mit Dampfkonfiguration. Beispielsweise wird berichtet,
daß einige komplexere Kühlgeräte, d.h. solche mit
Mehrfacheffektabsorption, die typsicherweise für Klimaanlagen verwendet
werden, effektive Nutzeffekt- Werte (coefficient of performance,
COP) (in bezug auf den Verbrauch von Primärenergie) aufweisen,
die sich dem Wert von 1,5 nähern, wogegen
Dampfkompressionssysteme, die vom Netzstrom betrieben werden, selten effektive
COP-Werte von über 0,9 aufweisen, wenn man die
Unzulänglichkeiten der elektrischen Stromvesorgung in Betracht zieht. Ein
Vergleich dieser COP-Werte weist darauf hin, daß es möglich ist,
CO&sub2;-Emissionen um 70% zu reduzieren, wenn man auf Absorptions-
Kühlgeräte umstellt. Dies ergibt sich noch zusätzlich zu den für
die Umwelt günstigen Möglichkeiten der Verwendung
umweltfreundlicherer Kühlmittel, wie Wasser.
-
Leider neigen weniger komplex, d.h.
Einzeleffekt-Absorptionskühlgeräte dazu, weniger wirksam als alle die oben
beschrieben zu sein. Beispielsweise neigen sie dazu, einen COP-
Wert im Bereich von 0,4-0,45 aufzuweisen. Ihre Leistung ist
daher geringer als jene von
Mehrfacheffekt-Absorptionskühlgeräten und Dampfkompressionskühlgeräten. Außerdem sind sie auch
eher teurer hinsichtlich der Kapitalaufwendungen pro kW Kühlung.
-
Ein bedeutendes Anwendungsgebiet für Kühl- und Wärmepumpen
liegt in der Gebäudeklimatisierung. Derzeit besteht ein
zunehmender Trend weg von großen, zentralisierten Kühlanlagen, sowohl
aus wirtschaftlichen Gründen als auch aus Gründen der
Umweltkontrollen. Dieser Trend ist erkennbar durch den zunehmenden
Verkaufserfolg von Systemen mit geteilten, mehrfach geteilten und
variablen Kühlmittelvolumen (variable refrigerant volume, VRV),
die alle kleine, vom Stromnetz betriebene
Dampfkompressionskühlgeräte aufweisen. Die Großteil der verkauften Systeme hat
eine Kühlkapazität von weniger als 30 kW. Derzeit sind jedoch
Absorptionskühleinheiten im allgemeinen nur mit Kühlkapazitäten
im Bereich von 300 kW 6000 kW erhältlich.
-
Der Bedarf an einem kostengünstigen und wirksamen
Absorptionskühlgerät im unteren Kapazitätsbereich ist anerkannt. Der
Markt für kleine Kühlgeräte ist jedoch besonders
preisempfindlich und unterliegt stark dem Wettbewerb. Wenn wirksame und
kostengünstige Einheiten in größerem Umfang erhältlich sein
sollen und die umweltgünstigen Aspekte erkannt werden sollen,
ist weitere Forschung auf dem Gebiet der wärmebetriebenen
Kühltechnik erforderlich.
-
Unsere Ziele für die zukünftige Entwicklung von
Kühlmaschinen müsen eine Absage an die Verwendung von synthetischen
Kühlfluiden, wie CFC, HCFC und HFC-Kühlmitteln, sowie
wesentliche Verringerungen der mit dem Betrieb von Kühlgeräten
verbundenen CO&sub2;-Emissionen mit einschließen. Ein Weg zur Erreichung
dieser Ziele ist es, die Benützer von Kühlanlagen zu ermutigen,
sich für die Option wärmebetriebener Kühlgeräte im Gegensatz zu
Dampfkompressionsgeräten zu entscheiden.
-
Wir wollen daher ein Dampfpumpen- und Kühlsystem schaffen,
welches so ausgelegt ist, daß die Belastung des Absorbers
verringert wird.
-
Es ist bekannt, Wärmepumpen- und Kühlsysteme vorzusehen, die
einen Ejektor aufweisen, der so angeordnet ist, daß er sich
strömungsmäßig vor einem Kondensator befindet. Beispielsweise
ist in US 4 290 273 A ein solches System beschrieben, es sei jedoch
bemerkt, daß der Ejektor nicht dazu verwendet wird,
Kühlmitteldampf vom Verdampfer abzuziehen und so die Belastung
des Absorbers zu reduzieren, um die Wirksamkeit des Systems zu
erhöhen. Im Gegensatz dazu hat das Vorsehen eines Ejektors keine
Wirkung auf die Belastung des Absorbers und daher ist die
relative Positionierung des Ejektors in dem in diesem Patentdokument
beschriebenen System für den Gegenstand dieser Erfindung ohne
Bedeutung.
-
In ähnlicher Weise beschreibt auch die US 3 440 832 A ein
System mit einem Ejektor, welcher vor dem Kondensator
positioniert ist. Dieses Dokument sagt jedoch nichts über die
Verringerung der Belastung eines Absorbers aus, sondern es lehrt eher
das Gegenteil des Inhalts dieser Anmeldung, indem es darauf
gerichtet ist, wie die Auswirkung der extremen Belastung eines
Absorbers auf ein Minimum reduziert werden kann.
-
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein Wärmepumpen- und
Kühlsystem zu schaffen, welches wärmebetrieben und daher aus
Umweltschutzgründen vorzuziehen ist, und welches von geringer
Größe und daher vom wirtschaftlichen Standpukt aus zu
bevorzugen ist.
-
Erfindungsgemäß ist daher ein Wärmepumpen- und Kühlsystem
vorgesehen mit
-
- einem Generator zur Erzeugung von Wärme zum Antrieb des
Systems,
-
- einem Kondensator zur Abgabe von Wärme aus dem System,
-
- einem Verdampfer zum Wärmeaustausch mit einer Umgebung,
-
- einem Absorber zum Abziehen von Kühlmitteldampf vom
Verdampfer und
-
- einem Ejektor zum Abziehen von Kühlmitteldampf vom
Verdampfer,
-
dadurch gekennzeichnet, daß
-
der Ejektor strömungsmäßig nach dem Verdampfer und vor dem
Kondenstor angeordnet ist, so daß der vom Verdampfer durch den
Ejektor abgezogene Kühlmitteldampf durch den Ejektor gelangt,
bevor er direkt zum Kondensator geleitet wird.
-
Bei der obigen Anordnung wird der durch den Ejektor
hindurchgehende Kühlmitteldampf komprimiert, wodurch seine
Kondensation im Kondensator erleichtert wird.
-
Außerdem ist, da ein Teil des vom Verdampfer abgezogenen
Kühlmitteldampfes über den Ejektor zum Kondensator mitgenommen
wird, das vom Absorber erforderte Arbeitsausmaß relativ
verringert. Das bedeutet, daß bei einem System der Erfindung pro kW
Kühlung die Größe des Absorbers verringert werden kann, so daß
sie um die Hälfte bis zu zwei Drittel geringer ist als die
typischerweise bei einem herkömmlichen System benötigte. Weiter
bleibt die Größe des Kondensators unverändert. Da der Absorber
ein relativ komplexer, großer und teurer Bestandteil des Systems
ist, ist es offensichtlich, daß eine Modifikation gemäß der
Erfindung eine Reihe von Vorteilen hat, da sie die Kosten des
Systems verringert und außerdem die Komplexität verringert,
wobei gleichzeitig für eine gute Leistung gesorgt ist.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Ejektor ferner nach dem Generator angeordnet, so daß Fluid,
beispielsweise dampfförmiges Kühlmittel, wie Wasserdampf, das
vom Generator austritt und durch den Ejektor gelangt, ein Mittel
zur
Mitnahme von Kühlmitteldampf vom Verdampfer zum Ejektor
vorsieht.
-
Bei dieser bevorzugten Anordnung ist das vom Generator
austretende Fluid dampfförmig, und der Fachman wird verstehen, daß
dies eine maximale Wirksamkeit beim Betrieb des Ejektors
schafft.
-
Vorzugsweise gelangt flüssiges Kühlmittel vom Kondensator
zum Verdampfer, und dann gelangt, nach dem Verdampfen im
Verdampfer das dampfförmige Kühlmittel sowohl zum Ejektor als auch
zum Absorber. Daraus ergibt sich, daß beim erfindungsgemäßen
System das gesamte Kühlmittelfluid den Verdampfer durchläuft.
Die Bedeutung dieses Umstandes wird nachstehend im Vergleich zum
Stand der Technik deutlich.
-
Die Wirksamkeit des Systems, die ansonsten als Verhältnis
zwischen Kühlkapazität des Verdampfers und Wärme-Eingang des
Generators gemessen wird, wird durch die Menge Kühlmitteldampf,
die vom Verdampfer durch den Ejektor gezogen wird, plus in den
Absorber gezogenes Kühlmittel bestimmt.
-
Die Verwendung eines Ejektors in einem wärmebetriebenen
Kühlsystem oder Absorptionskühlgerät wurde im Stand der Technik
beschrieben, doch die obige Anordnung und die entsprechenden
Vorteile wurden bisher weder beschrieben noch realisiert.
-
Beispielsweise offenbarte Kuhlenschmidt in der
US 3 717 007 A, daß ein Absorptionskreislauf unter Verwendung
eines Arbeitsfluids auf Basis eines Salz-Absorptionsmittels ohne
Kristallisationsproblem bei niedrigen Verdampfertemperaturen
arbeiten und einen luftgekühlten Absorber verwenden kann. Ein
schematisches Diagramm dieses Kreislaufs ist in Fig.a gezeigt.
Dieser Kreislauf besteht aus Doppeleffektgeneratoren, jedoch
wird, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Doppeleffektsystem,
das unter geringem Druck stehende dampfförmige Kühlmittel aus
dem Zweiteffektgenerator als Primärfluid in einem Ejektor
verwendet, welches den Kühlmitteldampf vom Verdampfer mitnimmt.
Dies bedeutet, daß nichts an Kühlmittel aus dem
Zweiteffektgenerator durch den Verdampfer läuft. Somit wird nicht alles
Kühlmittel im System für den Zweck des Wärmetaustauches im
Verdampfer verwendet. Das neigt dazu, ineffizient zu sein.
-
Der Ejektorausstoß wird in den Absorber abgegeben, um den
Druckunterschied zwischen dem Verdampfer und dem Absorber
aufrecht zu erhalten. Dies bedeutet, daß der Absorber Kühlmittel
vom Ersteffektgenerator verarbeiten muß, das so den Verdampfer
durchläuft, und auch Kühlmittel vom Zweiteffektgenerator, das
den Verdampfer umgeht. Folglich muß der Absorber Kühlmittel
verarbeiten, das nicht direkt am Wärmeaustausch im Verdampfer
teilnimmt. Dies führt zu Ineffizienz. Außerdem ist die Größe und
Komplexität des Absorbers und, dementsprechend, des Systems umso
größer, je mehr der Absorber an Verarbeitung leisten muß.
-
Es sollte festgehalten werden, daß in diesem Kreislauf kein
Kondensator vorhanden ist, da der unter hohem Druck stehende
Kühlmitteldampf im Zweiteffektgenerator kondensiert wird und der
unter geringem Druck stehende Kühlmitteldampf als Primärfluid
für den Ejektor verwendet wird.
-
Auf ähnliche Weise offenbarten Chen et al. im Journal of
Applied Energy, Bd. 30, S. 37-51, einen Kreislauf mit einem
Ejektor, wobei eine flüssige Lösung mit hoher Temperatur, die
vom Generator zurückkehrt, als Primärfluid und ein Kühldampf vom
Verdampfer als Sekundärfluid verwendet werden. Die Verwendung
der Flüssigkeit als Primärfluid im Ejektor ist weniger effizient
als wenn Dampf verwendet wird, der direkt vom Generator stammt.
-
Der Ejektorausstoß wird, wie in Fig.b gezeigt, zum Absorber
abgeführt. Wiederum muß der Absorber das gesamte durch das
System fließende Kühlmittel verarbeiten. Folglich müssen die
Größe und die Komplexität des Absorbers entsprechend modifiziert
werden. Es werden Druckgefälle-Verhältnisse zwischen dem
Absorber und dem Verdampfer zwischen 1,1-1,2 beansprucht.
-
Computersimulationen das hier geoffenbarten
erfindungsgemäßen Einzeleffektsystems zeigen, daß COP-Werte möglich sind, die
jenen nahe kommen, die bei Doppeleffekt-Kreisläufen erzielbar
sind, jedoch mit einer weniger komplexen Konstruktion. Produkte
die auf dem neuen Entwurf beruhen, können sowohl kompakter als
auch in bezug auf den Preis pro Kilowart Kühlung billiger sein
als herkömmliche Geräte. Der vorgeschlagene Kreislauf würde auch
im Vergleich zum Doppeleffektsystem leichter reversibel sein und
kann bei ähnlichen COP-Werten höhere Sink-Temperaturen vorsehen.
Weitere Steigerungen der COP-Werte können mit der Einführung
einer Ekonomiser-Einheit in den kombinierten
Ejektor-Absorptions-Kreislauf erreicht werden.
-
Die schnellste Anwendung wird die für auf Kundenwunsch
angefertigte Geräte sein, mit nachfolgendender Entwicklung von
Einrichtungen für die Massenfertigung, sowohl direkt, in
Zusammenarbiet mit einem größeren Partner und/oder durch
Lizensierung dieser Technik.
-
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun lediglich als
Beispiel unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben,
worin
-
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen
Einzeleffekt-Absorptionskreislaufs ist;
-
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines neuen Ejektor-
Absorptionssystems gemäß der Erfindung ist;
-
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines neuen Ejektor-
Absorptionssystems gemäß der Erfindung ist, welches weiters
einen Abscheider aufweist; und
-
Fig. 4 ein neues Ejektor-Absorptionssystem gemäß der
Erfindung ist, welches weiters einen Ejektor-Ekonomiser aufweist.
-
Es wird nun zuerst auf Fig. 1 Bezug genommen, worin ein
herkömmliches Absorptions-Wärmepumpen- und Kühlsystem
veranschaulicht ist, welches in seiner einfachsten Form einen
Generaror 1 in Fluidverbindung mit einem Kondensator 2 aufweist, der
wiederum mit einem Verdampfer 3 in Fluidverbindung steht. Der
Verdampfer 3 steht in Fluidverbindung mit einem Absorber 4,
welcher letztlich in Fluidverbindung mit dem Generator steht.
Somit ist ein mindestens vier Elemente aufweisendes System
veranschaulicht. Zum Zwecke der Beschreibung wird angenommen,
daß das Absorptionsmittel und der Absorber Lithiumbromid sind
und das Kühlmittel Wasser ist. Kühlmittel-(Wasser-)dampf strömt
vom Verdampfer 3 zum Absorber 4, wo er mit Absorptionsmittel
(Lithiumbromid) in Lösung gebracht wird. Ein Strom von
Kühlmitteldampf wird durch einen Kochprozeß innerhalb des Verdampfers 3
aufrecht erhalten, wodurch der nötige Kühleffekt geschaffen
wird. Der Absorptionsprozeß ist exotherm, und daher erfordert
der Absorber 4 eine konstante Kühlung, um seine Temperatur
beizubeahlten. Wenn Kühlmittel mit dem Absorptionsmittel in Lösung
gelangt, nimmt seine Fähigkeit, Wasserdampf zu absorbieren, ab.
Um die Stärke des Absorptionsmittels aufrecht zu erhalten, wird
ein Teil der Lösung kontinuierlich unter hohem Druck zum
Generator 1 gepumpt, wo es erhitzt ird, was bewirkt, daß das
Kühlmittelwasser aus der Lösung ausgetrieben wird, welche dann zum
Absorber 4 über ein Druckregelventil 5 zurückgeführt wird. Der
unter hohem Druck befindliche Kühlmitteldampf strömt vom
Generator 1 zum Kondensator 2, wo er verflüssigt und über ein
Expansionsventil 6 zum Verdampfer 3 zurückgeführt wird, wodurch der
Kreislauf vervollständigt ist. Ein Lösungs-Wärmeaustauscher 7
kann hinzugefügt werden, um die den Absorber verlassende Lösung
vorzuwärmen, wobei die vom Generator 1 zurückkehrende heiße
Lösung verwendet wird. Somit wird die Leitungsaufnahme des
Generators 1 verringert und die Leistung des Systems verbessert.
-
Dagegen ist in Fig. 2 ein erfindungsgemäßes
Absorptionswärme/Kühlsystem veranschaulicht. Ein Ejektor 8 ist
strömungsmäßig nach dem Verdampf 3 und dem Generator 1, aber vo dem
Kondensator 2 vorgesehen. Vom Generator 1 ausgehender
Kühlmitteldampf treibt den Ejektor 8, welcher wiederum Kühlmitteldampf
vom Verdampfer 3 mitnimmt. Außerdem nimmt, wie in bezug auf Fig.
1 beschrieben, Absorptionsmittel im Absorber 4 auch
Kühlmitteldampf vom Verdampfer 3 mit. Somit sind im System der Erfindung
zwei Mittel 8 und 4 vergesehen, um Kühlmitteldampf vom
Verdampfer 3 mitzunehmen, wodurch die Leistung des Systems erhöht wird.
Kühlmitteldampf, der den Verdampfer 3 verläßt und den Ejektor 8
durchläuft, wird jedoch an den Kondensator 2 abgegeben. Dies
bedeutet, daß die Arbeitsbelastung des Absorbers 4 wesentlich
verringert wird, da Kühlmitteldampf, der den Ejektor 8 durchläuft,
komprimiert wird und so im Kondensator 2 kondensiert.
-
Die Beladung oder Belastung des Absorbers 4 ist wesentlich
verringert, und infolgedessen kann die Größe und Komplexität des
Absorbers 4 um die Hälfte bis zwei Drittel der normalerweise bei
einem herkömmlichen und vergleichbaren System vorgefundenen
verringert werden.
-
Es ist auch bemerkenswert, daß das gesamte durch das
erfindungsgemäße System fließende Kühlmittel direkt durch den
Verdampfer hindurchgeht und daher für den Wärmeaustausch mit der
Umgebung verwendet wird.
-
Die Menge an Dampf, der mittels des Ejektors vom Verdampfer
abgezogen wird, bestimmt sowohl die Leistung des Systems als
auch die Effizienz der Kühlung des Systems. Je gröber die Menge
des abgezogenen Dampfes ist, desto größer ist die Kühlleistung.
-
Fig. 3 zeigt ein Ejektor-Absorptionssystem gemäß der
Erfindung, welches einen Abscheider 9 aufweist. Der Abscheider 9 ist
vorgesehen, um die Wiederaufladung oder Dehydrierung der durch
das System fließenden Absorptionsmittellösung zu steuern. In dem
in Fig. 2 gezeigten System wird die Wiederaufladung des
Absorptionsmittels großteils durch den Kühlmitteldampf bestimmt, der
vom Generator 1 durch den Ejektor 2 hindruchläuft. So hat die
Strömungsmenge des Kühlmitteldampfes durch den Ejektor 8 einen
wesentlichen Steuereffekt auf die Wiederaufladung des
Absorptionsmittel. Dagegen ist in dem in Fig. 3 gezeigten System ein
Abscheider 9 vorgesehen, so daß Absorptionsmittel, da den
Generator 1 durchlaufen hat und zum Absorber 4 zurückkehrt, im
Abscheider weiter aufgeladen werden kann, und der erzeugte
Kühlmitteldampf wird über die Zufuhrleitung 10 zum Kondensator 2
geleitet. Eine Wiederaufladung im Abscheider 9 kann mittels
herkömmlicher Techniken, wie Expansion, bewirkt werden. Das
Vorsehen eines Abscheiders 9 hängt von der Art des zu
verwendenden Absorptionsmittels ab, und es kann sein, daß bei
bestimmten Absorptionsmitteln ein solcher Abscheider für die
Steuerung der Arbeitsweise des Systems günstig ist.
-
Fig. 4 zeigt ein Ejektor-Absorptionssystem gemäß der
Erfindung, welches weiters einen Ejektor-Ekonomiser 11 aufweist. Der
Ekonomiser 11 ist nach dem Ejektor 8 und vor dem Kondensator 2
vorgesehen. Der Ekonomiser wird verwendet, um die
Absorptionsmittellösung zu erwärmen, bevor sie den Generator 1 durchläuft.
So bewegt sich das Absorptionsmittel, das den Absorber 4
verläßt, entlang einer Zufuhrleitung 12, die sich am Punkt X
verzweigt, so daß eine Parallelströmung durch die Zufuhrleitung 13
gebildet wird. Die Leitung 13 läuft durch den Ekonomiser 11 und
dann uber die Zufuhrleitung 13a zum Generator 1. Außerdem
gelangt Kühlmitteldampf, der den Generator 1 und den Ejektor 8
passiert hat, auch durch den Ekonomiser 11. So wird Wärme aus
diesem Kühlmitteldampf verwendet, um Absorptionsmittel, das
durah die Zufuhrleitung 13 strömt, zu erwärmen
Absorptionsmittel, das über die Zufuhrleitung 13a zum Generator 1 gelangt, ist
somit vor seinem Eintritt in den Generator 1 vorgewärmt. Dies
erhöht die Effizienz des Systems.
-
Außerdem ist ersichtlich, daß Kühlmitteldampf, der vom
Verdampfer 3 mitgenommen wird und den Ejektor 8 passiert, auch
den Ekonomiser 11 durchläuft.
-
Somit wird vom Generator 1 und vom Verdampfer 3 abgezogener
Kühlmitteldampf verwendet, um Absorptionsmittel, das die
Zufuhrleitung 13 durchläuft, vorzuwärmen. Diese Anordnung verringert
die Belastung des Generators und sorgt für einen verrringerten
externen Wärmetransfer am Kondensator. Dies bedeutet, daß die
Größe/Kapzität des Kondensators verringert werden kann.
-
Es sei bemerkt, daß die Anwendung der Erfindung auf
Heizgeräte und Boiler in den Rahmen der Erfindung fällt und die
Erfindung weiters auch in der chemischen und Verfahrensindustrie
ausgenützt werden kann.