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Verfahren und Vorrichtung zum Betriebe von Absorptionskälteapparaten
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Absorptionskälteapparaten
mit druckausgleichendem Gas und bezweckt u. a., die dem Apparat zugeführten Wärmemengen
bessier als. bisher auszunutzen. " Es ist zum Zweck einer verbesserten Ausnutzung
dieser Wärmemengen bereits vorgeschlagen, die Absorptionswärme eines ersten Kälteapparats
zum Austreiben von Kältemittel in einem zweiten Kälteapparat zu benutzen. Es ist
ferner vorgeschlagen, den Absorptionsprozeß eines einzigen Apparats in mehrere Teilprozesse
zu zerlegen. So wurde z. B. vorgeschlagen, die Absorption in einer Mehrzahl von
gegenseitig getrennten Flüssigkeitskreisläufen der Absorptionslösung erfolgen zu
lassen, wobei die Absorptionswärme des einen Kreislaufs zum Austreiben von Kältemittel
aus der Lösung des nächsten Kreislaufs benutzt wurde, und zwar wurde diese Austreibung
in Gegenwart von Hilfsgas durchgeführt. Wegen der verwickelten Anordnung einer Mehrzahl
von Flüssigkeitskreisläufen sowie wegen der Tatsache, daß ein Teil des Kältemitteldampfes
bei der für das Austreiben von Kältemittel sogar auch aus reicherAbsorptionslösung
erforderlichen hohen Temperatur absorbiert werden muß, läßt sich in der Praxis die
vorgeschlagene Vorrichtung nur für gewisse Sonderzwecke benutzen, wo Apparate mit
besonders großen Absorptionsflächen vorgesehen werden können. Auch ist es schwer,
die richtige Verteilung der Arbeitsmittel in den getrennten, jedoch durch Dampfräume
kommunizierenden Flüssigkeitskreisläufen aufrechtzuerhalten.
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Es ist ferner bekannt, die schon im Kocher des Kälteapparats teilweise
entgaste, d. h. arme Lösung in Gegenwart von Hilfsgas weiter zu entgasen unter Verwertung
von Rektifikationswärme. Dadurch wurde zwar erreicht, d aß die zum Absorber strömende
Lösung wesentlich ärmer als sonst wurde. Dagegen wurde das ausgetriebene Kältemittel
bei den bereits bekannten Apparaten nicht
verwertet, sondern einfach
durch Absorption verflüssigt, ohne irgendwelche Nutzkälte geleistet zu haben. Gemäß
der Erfindung kann aus der Absorptionslösung in Gegenwart von Hilfsgas ausgetriebenes
Kältemittel für Nutzkälteerzeugung verwertet werden, was im wesentlichen dadurch
erreicht wird, daß aus armer Lösung in Gegenwart von Hilfsgas ausgetriebenes Kältemittel
in einem Kondensator in Gegenwart von Hilfsgas wieder verflüssigt wird.
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Die Erfindung soll unter Hinweis auf die beiliegende Zeichnung näher
beschrieben werden, wobei sich weitere die Erfindung kenne zeichnende Merkmale ergeben
werden.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt. In den Abb. i und 2 sind in Diagrammform zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt, in der Abb. 3 eine zweckmäßige Ausführungsform der in
der Abb. i dargestellten Anlage und in Abb. q. eine Rektifikationseinrichtung, die
für Anlagen gemäß Abb. i bis 3 geeignet ist.
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In der Abb. i ist mit io der Kocher eines mit Hilfsgas arbeitenden
Absorptionskälteapparats bezeichnet, in dem z. B. Ammoniak und Wasser als weitere
Arbeitsstoffe benutzt «-erden können. Es ist ferner mit i i das die Kocherdämpfe
zu einem Kondensator 12 führende Rohr bezeichnet. Der Kondensator 12 hat im Ausführungsbeispiel
die Form eines Rohrmantels, der einen rohrförmigen Hilfskocher oder Entgaser 15
umschließt, der seinerseits durch zwei Rohrleitungen .4o, 4.1 mit einem wassergekühlten
oder luftgekühlten Kondensator 30 kommuniziert, derart, daß ein Unilauf von
Hilfsgas zwischen dem Entgaser 15 und dem Kondensator 30 z. B. durch Schweredifferenzen
im Gas aufrechterhalten wird. Die beiden Kondensatoren 1 und 30 sind durch je eine
Leitung 13 bzw. 35 für verflüssigtes Kältemittel mit einem Verdampfer 14. verbunden.
Es ist ferner mit 16 der Absortier bezeichnet, der in üblicher Weise durch zwei
Leitungen .I2 und 43 mit dem Verdampfer kommuniziert, derart, daß ein Umlauf von
Hilfsgas zwischen dem Absorber und dem Verdampfer beispielsweise durch Schweredifferenzen
aufrechterlialtenwird.Die im Kocher io bereits bei einer bestimmten Temperatur entgaste
Lösung strömt durch eine Leitung 45 in den Entgaser 15, wo sie in Gegenwart von
Hilfsgas bei der Kondensationstemperatur des in den Kondensator 12 einströmenden
Kältemitteldampfesweiter entgast wird. Die somit noch ärmer gewordene Lösung strömt
durch die Leitt111g q.6 in den Absorber 16 hinein. Im Absorber wird die Lösung mit
Kältemittel mehr oder weniger angereichert und strömt durch die Leitung 44 und die
Termosiphonpumpe 22 nach dem Kocher io zurück. Es empfiehlt sich, die Leitungen
4.5 und .16 in Wärmeaustausch mit der Leitung .4.4 anzuordnen.
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Das im Entgaser 15 ausgetriebene Kältemittel, dessen Teildruck im
Hilfsgas groß genug sein soll, um eine Kondensation des Dampfes im Kondensator 3o
bei der Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlmittels zu ermöglichen, strömt
durch Leitung .4o in den Kondensator 3o hinein, während das darin nicht kondensierbare
Hilfsgas durch Leitung 4.1 zu dem Entgaser zurückströmt. Die für das Austreiben
des Kältemittels erforderliche Wärme wird von den durch die Leitung i i in den Kondensator
12 einströtnenden Dämpfen geliefert, besteht also aus Kondensationswärme des Kältemittels,
ini Ausführungsbeispiel außerdem auch aus kektifikationswärme. Das im Kondensator
12 ausfallende Kondensat enthält also größere oder kleinere :Mengen von Absorptionsmittel,
das durch die Leitung 13 zusammen mit dem Kältemittel in den Verdampfer 14.
gelangt. Das im Kondensator 30 verflüssigte Kältemittel ist dagegen ärmer
an Absorptionsmittel und gelangt durch die Leitung 35 ebenfalls in den Verdampfer
14.. Wie im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel der Abb. 3 erwähnt werden soll,
empfiehlt es sich, die beiden Kältemittelströme getrennt verdampfen zu lassen. Wenn
eine größere Reinheit des Kondensats erwünscht ist, können die Kocherdämpfe vor
oder nach ihrem Eintritt in den Entgaser 15 durch an sich bekannte -Mittel rektifiziert
werden.
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Je nach der Temperatur des Kühlwassers bzw. der Kühlluft muß der Apparat
gemäß Abb. i bei höherem oder niedrigerem Druck arbeiten bzw. mit ärmerer oder reicherer
Lösung gefüllt sein. Bedingung für das richtige Arbeiten des Apparats bleibt immer,
daß die Kocherdämpfe in dem Kondensator 12 verflüssigt werden können bei einer Temperatur,
die genügend hoch ist, um einen Teildruck des Kältemittels über den Spiegel des
Entgasers 15 bei der vorhandenen Kältemittelkonzentration der vom Kocher io einströmenden
Lösung so hoch steigen zu lassen, daß das entstehende Kältemittel-Hilfsgas-Gemisch
bei der gegebenen Kondensationstemperatur des Kondensators 30 verflüssigt
«-erden kann. Als Beispiel seien folgende Angaben über Betriebsbedingungen einer
Anlage ergeben: Verdampfertemperatur o ° C, Temperatur cles Kondensators 30: ;-
2o° C, Temperatur de: Kochers io etwa -i- ioo bis iio ° C, Temperatur des Austreibers
15 etwa + 65 bis 70" C, Gesamtdruck im Apparat etwa 30l;g/ctn-.
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In der Abb. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt,
wobei die Bezugszeichen denen der Abb. i entsprechen.
Es ist in der Abb.2 zwischen dem Hilfskocher 15 und dem Kondensator 30 eine zweite
Entgasungsstelle 48 eingeschaltet, derart, daß die Verflüssigung des im ersten Entgaser
15 ausgetriebenen Kältemittels in einem den Entgaser 48 umschließenden Kondensator
47 erfolgt, unter Abgabe der Kondensationswärme an den zweiten Entgaser 48. Das
in diesem ebenfalls in Gegenwart von Hilfsgas ausgetriebene Kältemittel wird endlich
in dem Luft- oder wassengekühlten Kondensator 30 verflüssigt. Jeder der drei
Kondensatoren 12, 47 und 30 liefert durch Leitungen 13, 51 und 35 flüssiges Kältemittel
an den Verdampfer 14, 'Wo es in bekannter Weise in Gegenwart von Hilfsgas unter
Nutzkälteerzeugung verdampft. Durch die Verwertung der Kondensationswärme des im
ersten Hilfskocher ausgetriebenen Dampfes zum weiteren Austreiben von Kältemittel
wird eine noch stärkere Ausnutzung der dem Kocher io ursprünglich zugeführten Wärme
erreicht, und zwar läßt sich für jede weitere Stufe eine Vervielfachung des Wirkungsgrades
erreichen, indem eine entsprechende Steigerung des Drucks im Apparat bzw. eine entsprechende
Erniedrigung der Kondensationstemperatur des Kondensators 30 vorgesehen wird.
Eine entsprechende Abänderung der mittleren Konzentration der Absorptionslösung
kann auch erforderlich bzw. erwünscht sein. Als Beispiel seien folgende Betriebsbedingungen
einer Anlage gemäß Abb. 2 gegeben: Verdampfertemperatur o° C, Temperatur des Kondensators
3o etwa + io° C, Temperatur des Austreibers 15 etwa + i i o° C, Temperatur des Austreibers
48 etwa -S- 6o° C, Temperatur des Kochers 1o etwa + 13o° C, Gesamtdruck im Apparat
etwa 50 kg/cm2.
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Im Gegensatz zu den bereits bekannten, mit mehreren Absorptionsstufen
arbeitenden Apparaten lassen' sich bei der Vorrichtung der Erfindung nicht nur theoretisch,
sondern auch praktisch eine große Anzahl von Kondensationsstufen vorsehen, ohne
daß die Apparatgröße unbequem anwächst, u. a. weil ein sehr geringer Temperaturunterschied
zwischen einem Kondensator und dem zugehörigen Entgaser genügt, um die Kondensationswärme
verlustlos vom Kondensator auf die Lösung auch bei kleinen Übertragungsflächen zu
übertragen. Bei einem Absorber läßt sich nur bei großen Berührungsflächen zwischen
Gasgemisch und Absorptionslösung einerseits und Absorptionslösung und der zu entgasenden
Lösung andererseits ein genügender Wärmeübergang schaffen. Trotzdem muß man mit
erheblichen Differenzen zwischen dem Partialdruck des Dampfes und dem der Lösung
rechnen. Es sei zu den Beispielen der Abb. i und #q, noch bemerkt, daß, um an Übersichtlichkeit
zu gewinnen, die üblichen sinngemäßen Speichergefäße für- Absorptionslösung, Gastemper'aturwechsler
und Flüssigkeitstemperaturwechsler, Isolation des Kochers und der Entgaser, Entlüftungs-
und Entwässerungsleitungen nicht dargestellt sind. Eine zweckmäßige Ausbildung der
verschiedenen Flüssigkeits- und Gaskreisläufe ist in der Abb. 3 schematisch dargestellt.
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Die Bezeichnungen der t1bb. 3 entsprechen denen der Abb. i und 2.
Es sind ferner mit 33, 32 und 34 drei Entlüftungsleitungen bezeichnet, durch die
der Gaskreislauf des Absorbers und des Verdampfers mit dem Gasraum des Kondensators
30 und des Kondensators 12 kommuniziert. Der Verdampfer 14 ist als Rohrschlange
ausgebildet, an deren oberes Ende die vom Kondensator i2 kommende Leitung 13 an
der Stelle 37 angeschlossen ist. An einen tiefer gelegenen Punkt 36 ist die vom
Kondensator 3o kommende Leitung 35 angeschlossen. Wie bereits erwähnt, ist die Reinheit
des von den beiden Kondensatoren dem Verdampfer zufließenden Kältemittels verschieden,
wenn kein Wasserabschneider vor oder in dem Entgaser 15 eingeschaltet ist. Deswegen
ist es zweckmäßig, die beiden Kältemittelmengen für verschiedene Zwecke zu benutzen,
indem z. B. das reinste Kondensat für Tiefkühlzwecke, das weniger reine für Raumkühlzwecke
benutzt werden kann. Im Gasumlaufkreis zwischen dem Verdampfer 14 und dem Absorber
16 ist der übliche Gastemperaturwechsler 23 eingeschaltet. Dieser kann vorzugsweise
in wärmeleitender Verbindung mit den beiden Kältemittel an den Verdampfer führenden
Leitungen 13 und 35 angeordnet sein, um eine Vorkühlung des Kondensats zu erreichen.
Der mit Kühlrippen 17 versehene Absorber 16 ist in üblicher Weise an ein Speichergefäß
18 für reiche Absorptionslösung angeschlossen, in das die durch das Rohr 29 in den
oberen Teil der Absorberschlange einströmende, Absorptionslösung nach Durchgang
des Absorbers einströmt. Von dem Speicher 18 aus strömt die reiche Lösung zunächst
durch einen Flüssigkeitstemperaturwechsler 2o, in dem die Lösung mit von dem Entgaser
15 durch das Rohr 28 kommender entgaster Lösung Wärme tauscht. Danach strömt die
reiche Lösung durch einen zweiten Flüssigkeitstemperaturwechsler 21, wo sie mit
der vom Kocher durch die Leitung 26 in den Wechsler einströmenden armen Lösung Wärme
tauscht, bevor diese Lösung' durch das Rohr 27 in den Entgaser 15 einströmt. Sowohl
der Kocher einschließlich der Pumpe sowie zweckmäßig auch die beiden Flüssigkeitstemperaturwechsler
2o und 21
sind zweckmäßig in je einem in der Abbildung nicht dargestellten
Isolationskasten eingebaut sowie auch der Entgaser 15 einschließlich des
Kondensators 12. Die beiden nach bzw. von dem Entgaser fließenden Gasströme tauschen
Wärme in einem zwischen dem Entgaser und dem Kondensator 3o eingeschalteten Gastemperaturwechsler
31. Die Arbeitsweise der Anlage gemäß Abb. 3 entspricht im wesentlichen der im Zusammenhang
mit der Abb. i erwähnten. Die Bemessungen der einzelnen wärmeaustauschenden Teile
richten sich nach den Betriebstemperaturen, Umlaufsgeschwindigkeiten und anderen
Betriebsgrößen der Anlage. Die Luftkühlung des Kondensators 30 sowie des
Absorbers 16 kann durch eine Wasserkühlung ersetzt werden. Dies ist besonders günstig
bei Großanlagen, wo z. B. Grundwasser durch eine Pumpe hochgefördert und für die
Kühlung benutzt werden kann. Insbesondere bei Anlagen, bei denen eine größere Anzahl
von Kondensationsstufen vorgesehen sind (wie z. B. bei der Anlage der Abb.2), ist
es günstig, eine möglichst niedrige Kondensationstemperatur des Kondensators
30 zu erreichen, wodurch der sonst erforderliche hohe Druck im Apparat herabgesetzt
werden kann. Es ist ferner möglich, den Verdampfer 14 derart auszubilden, daß Gas
und flüssiges Kältemittel in Gegenstrom der Verdampferschlange durchströmen. Die
Reihenfolge, in der.die von den verschiedenen Kondensatoren kommenden Kältemittelmengen
in den Gaskreis eingeführt werden sollen, richtet sich u. a. nach der gewünschten
Anzahl von Temperaturstufen bzw. den erwünschten Temperaturunterschieden im Verdampfer.
Es kann ferner in gewissen Fällen zweckmäßig sein, besondere Hilfsmittel für die
Beschleunigung des Gasumlaufs zwischen den Entgasern und den betreffenden Kondensatoren
vorzusehen (z. B. verlängerte Gassäulen, Düsen, Erwärmung bzw. Kühlung der Gasschenkel),
um möglichst nahe am Kondensationspunkt des zu verflüssigenden Gasgemisches arbeiten
zu können. Es sei ferner bemerkt, daß die Erfindung nicht auf die Temperaturstufen,
Drücke oder Konzentrationen der Arbeitsstoffe der beispielsweise angegebenen Betriebsbedingungen
beschränkt ist.
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Es soll endlich an Hand der Abb.4 ein Beispiel erwähnt werden, bei
dem eine Rektifikation der Kocherdämpfe erreicht wird. Die Bezeichnungen der Abb.4
entsprechen denen der vorherigen Abbildungen. Im Ausführungsbeispiel der Abb.4 ist
der Gastemperaturwechsler 31 so hoch angebracht, daß sich im Innenrohr
bildendes Kondensat in den Entgaser 15 zurückfließt, wodurch eine Rektifikation
der im Vergaser ausgetriebenen Dämpfe erreicht wird. Zu diesem Zweck kann der Wechsler
31 in Richtung nach dem Entgaser 15 geneigt angeordnet sein. Etwa im Außenmantel
des Wechslers 31 ausfallende oder sonst einströmende Flüssigkeit kann durch eine
Rohrleitung 55 in dem Absorbergefäß 18 entwässert werden. Man läßt hierbei die Leitung
55 unterhalb des Spiegels des Gefäßes 18 münden.