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Verfahren zum Betriebe von mit Hilfsgas arbeitenden Absorptionskälteapparaten
Im Patent 963 779 ist ein Verfahren zum Betriebe von mit Hilfsgas arbeitenden
Absorptionskälteapparaten geschützt, in denen Kältemittel zeitweise dem normalen
Umlauf der Absorptionslösung durch das Kocher- und Absorbersystem entzogen und in
einem Speichergefäß aufgespeichert wird, das mit einem Behälter für Absorptionslösung,
zweckmäßig dem Absorbergefäß des Apparates, in Verbindung steht, um eine Anpassung
der Kältemittelkonzentration in der Absorptionslösung an veränderliche Betriebsverhältnisse,
besonders aber Veränderungen der Kühllufttemperatur zu schaffen, und dadurch gekennzeichnet
ist, daß die bei Zu- und Abschaltung der Flüssigkeitsumlaufpumpe des Apparates auftretenden
Veränderungen in der Verteilung der Absorptionslösung im Umlaufsystem zur Rückführung
des aufgespeicherten Kältemittels in die umlaufende Absorptionslösung benutzt werden.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung und eine weitere Ausbildung
dieses Verfahrens und besteht im wesentlichen darin, daß während des Betriebes durch
Speicherung dein Umlauf entzogenes Arbeitsmittel nach Stillsetzung der Pumpe durch
kapillar wirkende Mittel dem Kreislauf des Arbeitsmittels wieder zugeführt wird.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
ein luftgekühlter, mit Hilfsgas arbeitender kontinuierlicher Absorptionskälteapparat
dargestellt,
dessen Arbeitsmittel Ammoniak, Wasser und Wasserstoff seien.
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In diesem Apparat ist das Flüssigkeitsumlaufsystem für eine Aufspeicherung
von flüssigem Kältemittel so eingerichtet, daß die Kältemittelkonzentration in der
Absorptionslösung automatisch in Abhängigkeit von auftretenden Veränderungen der
Betriebsbedingungen verändert, z. B. bei Erhöhung , der Kühllufttemperatur herabgesetzt
wird.
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Der Apparat enthält ein Heizrohr io mit beliebiger, z. B. elektrischer
oder Gasbeheizung, das wärmeleitend, z. B. durch Schweißnähte mit einem Rohrkocher
i i und einer Flüssigkeitsumlaufpumpe 12 verbunden ist. Um das untere Ende des Heizrohres
io ist ein spiralförmiger Flüssigkeitstemperaturwechsler 13 herumgewunden. Mit 14
ist ein luftgekühlter Kondensator, mit 15 ein Verdampfersystem bezeichnet, das die
bei verschiedenen Temperaturen arbeitenden Hochtemperaturverdampfer i5a und Tieftemperaturverdampfer
i5b umfaßt. An das Verdampfersystem ist über den Gastemperaturwechsler 16 der luftgekühlte
Absorber 17 angeschlossen, der mit dem Absorbergefäß 18 des Apparates in Verbindung
steht. Das Hilfsgas läuft in bekannter Weise um, nämlich vom Absorbergefäß 18 durch
den Absorber 17 zum Gastemperaturwechsler 16, dann im Gegenstrom zum Kältemittel
durch das Verdampfersystem 15 und vom Verdampferteil 15 a durch den Gastemperaturwechsler
16 und eine Verbindungsleitung ig zurück zum Absorbergefäß 18. Das Kältemittelkondensat
wird dem Verdampfersystem vom Kondensator 14 durch eine Leitung 2o zugeführt. Der
Kondensator steht mit dem Gasumlaufsystem durch eine Entlüftungsleitung 2i in Verbindung.
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Die reiche Absorptionslösung fließt vom Absorbergefäß 18 über eine
Leitung 22 zum Flüssigkeitstemperaturwechsler 13 und aus diesem zur Pumpe 12, welche
die Lösung zum oberen Teil des Kochers i i fördert. Hier steht eine so hohe Flüssigkeitssäule,
daß die arme Lösung infolge ihrer Eigenschwere vom Kocher i i durch den Flüssigkeitstemperaturwechsler
13 und eine Steigleitung 23 zum Absorber 17 überströmen kann.
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Das Absorbergefäß 18 ist durch eine Scheidewand 2.4 in zwei Behälter
26 und 27 unterteilt. In dem oberen Teil der Scheidewand ist ein Durchlaß 28 angeordnet,
durch den die Gasräume der beiden Behälter 26 und 27 miteinander in Verbindung stehen.
Auch die Flüssigkeitsräume sind miteinander verbunden, und zwar durch den oberen
Teil der Leitung 22 und eine Leitung 29, die in den Behälter 26 oberhalb seines
Bodens einmündet. Dieser bildet einen Aufspeicherungsbehälter für flüssiges Kältemittel,
das durch die Leitung ig eintreten kann. Der Behälterteil 27 bildet das Absorbergefäß
des Apparates, das die reiche Lösung aus dem Absorber 17 aufnimmt und sie durch
die Leitung 22 und den Temperaturwechsler 13 an die Pumpe 12 abgibt.
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Die Temperaturregelung des Apparates erfolgt in an sich bekannter
Weise mittels eines nicht dargestellten Thermostaten, der, von der Verdampfertemperatur
beeinflußt, bei Unterschreitung einer bestimmten Betriebstemperatur die Heizung
abschaltet. Wenn der Thermostat unter normalen Betriebsverhältnissen. periodisch
die Wärmezufuhr abstellt und einschaltet, wird alles dein Verdampfer zugeführte
Kältemittel dort oder im Gastemperaturwechsler verdampft. Das Absorbergefäß 27 wird
in der gewöhnlichen bekannten Weise arbeiten und die Kältemittelkonzentration in
den beiden Behältern 26 und 27 im wesentlichen die gleiche bleiben.
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Bei erhöhter Kühlluftemperatur ist gewöhnlich der Partialdruck des
Kältemitteldampfes nicht niedrig genug, um eine vollständige Verdampfung des Kältemittelkondensats
zu ermöglichen, und so muß in diesem Fall ein Überschuß an flüssigem Kältemittel
durch den Temperaturwechsler 16 und die Leitung ig zum Speicherbehälter 26 fließen
und die Konzentration der hier befindlichen Absorptionslösung steigern. Dies führt
eine Senkung des spezifischen Gewichtes der Absorptionslösung mit, so daß das Flüssigkeitsniveau
A im Raum 26 etwas höher stehen wird als das Niveau Bim Raum 27. Selbstverständlich
wird wegen der Flüssigkeitsverbindung zwischen den Räumen 27 und 26 eine Flüssigkeitszufuhr
zum Raum 26 auch eine gewisse Vergrößerung des Flüssigkeitsinhaltes im Raum 27 ergeben.
Diese Flüssigkeitszufuhr vom Raum 26 durch das Absorbergefäß 27 zum Umlaufsystem
ist ohne praktische Einwirkung auf das Arbeiten des Apparates.
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Wird dagegen der Überschuß an nicht verdampftem flüssigem Kältemittel
gespeichert und damit dem Umlauf entzogen, so erfolgt eine Herabsetzung der Konzentration
der Absorptionslösung. Nach einer gewissen Zeit wird dann die Absorptionslösung
und auch das arme Gas so arm, daß der Absorptionsprozeß wieder verbessert wird und
schließlich wieder eine vollständige Verdampfung der gesamten in den Verdampfer
einfließenden Kältemittelmenge stattfindet. Der neue Beharrungszustand dauert bis
zu einer neuen Änderung der Betriebsverhältnisse an.
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Wenn z. B. die Kühlluftemperatur in der Nacht sinkt, dann wird auch
die Verdampfertemperatur sinken und der Thermostat schaltet schließlich die Wärmezufuhr
aus. Damit hört die Förderung der Pumpe 12 auf, nicht aber die Flüssigkeitsströmung,
denn die Flüssigkeitssäule zwischen den Niveaus I und II im Kocher und der Eintrittsstelle
zur Absorberschlange 17 drückt Flüssigkeit zum Absorber und damit zum Absorbergefäß
27 und verursacht hier eine Erhöhung des Flüssigkeitsstandes. Da nun von Anfang
an das Niveau A im Raum 26 höher steht als das Niveau B im Raum 27, so wird die
Flüssigkeit im Raum 26 die Niveaukante C am Durchlaß 28 früher erreichen als die
Flüssigkeit im Raum 27, d. h. Flüssigkeit wird durch die Offnung 28 zum Raum 27
hinüberströmen. Die im Raum 26 stehende Flüssigkeit wird gewissermaßen durch die
Flüssigkeit verdünnt, die durch die Flüssigkeitsverbindung in den Leitungen 29,
22 zugeführt wird, d. h. die Kältemittelkonzentration in den beiden Flüssigkeitsräumen
wird ausgeglichen.
Nach einer gewissen Zeit muß die Verdampfertemperatur
wieder ansteigen, so daß der von der Verdampfertemperatur gesteuerte Thermostat
die Wärmezufuhr zum Kochersystem wieder einschaltet und damit die Pumpe wieder in
Betrieb bringt. Nun wird wieder Flüssigkeit vom Raum 26 abgesaugt. Es ist indessen
zu beachten, daß zu Beginn einer jeden neuen Arbeitsperiode für die Pumpe eine gewisse
Zeit vergehen wird, ehe wieder ein Rückfluß der geförderten Flüssigkeit durch den
Kocher i i und den Absorber 17 zum Raum 27 einsetzt. Demzufolge wird der Flüssigkeitsinhalt
in dein ganzen Behälter i8 angenähert auf eine Menge reduziert, die dem Speichervermögen
des Kochers und des Absorbers entspricht. Der obere Teil des Kochers zwischen den
Höhen I und II ist zu Beginn der neuen Pumpenperiode leer und auch der Absorber
nimmt infolge seiner kapillaren Kräfte und Adhäsionskräfte eine gewisse Flüssigkeitsmenge
auf, bevor wieder ein Flüssigkeitsstrom durch die ganze Schlange läuft. Ein gewisser
Teil der im Gefäßteil 26 befindlichen und anfangs reichen Lösung wird also in das
Umlaufsystem eingeführt.
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Unter Umständen kann nun die Flüssigkeitsmenge, die bei herabgesetzter
Pumpenwirkung zum Absorbergefäß strömt, nicht ausreichend sein, um die gewünschte
Mischung und Konzentration zu schaffen. Um diese Flüssigkeitsmenge zu vergrößern,
ist daher gemäß der Erfindung zwischen dem Absorber 17 und dem Absorbergefäß 27
ein Speichergefäß 3o angeordnet, in das die Absorberschlange 17 mit ihrem unteren
Ende einmündet. Das Gefäß 30 ist mit dem Absorbergefäß 27 durch eine offene
Leitung 31 verbunden, deren obere Mündung in der Höhe D gelegen ist, die mit der
tiefsten Kante der Absorberschlange 17 zusammenfällt. Auf diese Weise wird ein Überlauf
in der Höhe D gebildet, so daß während normalen Betriebes reiche Absorptionslösung
vom Absorber 17 zunächst das Speichergefäß 3o bis zur Höhe D füllt und erst danach
zum Absorbergefäß 27 überläuft. Das Absorbergefäß 27 erhält dann praktisch dieselbe
Lösungsmenge zugeführt, wie sie von der Pumpe 12 gefördert wird.
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Wird nun die Wärmezufuhr z. B. mittels des Thermostaten zur Pumpe
ausgeschaltet oder vermindert, so daß die Pumpenförderung aufhört oder wesentlich
reduziert wird, so wird die weitere Zufuhr von Lösungsflüssigkeit zum Absorbergefäß
27 dadurch gesichert, daß das Speichergefäß 30 seinen Inhalt an reicher Lösung
zum Absorbergefäß entleert, und zwar mittels des Dochtes 32, der die Flüssigkeit
durch die Leitung 31 nach unten fördert. Der Docht ist so bemessen, daß die von
ihm übergesaugte Flüssigkeitsmenge immer kleiner ist als die von der Pumpe im vollen
Betrieb hochgepumpte Menge. Anderenfalls würde nämlich das Speichergefäß
30 nicht immer wieder aufs neue gefüllt werden und bis zur nächsten Verminderung
der Pumpenleitung gefüllt bleiben.
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Die Veränderungen der Konzentration in der Absorptionslösung ermöglichen
eine Herabsetzung des Heizbedarfes des Apparates, und zwar dadurch, daß infolge
der Anordnung des Speichergefäßes der Apparat besonders während des Thermostatbetriebes
mit reicherer Lösung arbeiten kann.
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Indessen gibt es hinsichtlich der Kältemittelkonzentration in der
Lösung eine obere Grenze, oberhalb welcher der Energieverbrauch wieder steigt. Dies
hängt damit zusammen, daß bei reicherer Absorptionslösung die Wirksamkeit des Absorbers
sinkt, was zur Erhöhung der Verdampfertemperatur und somit zur Verlängerung der
Einschaltperioden der Heizung führt, wenn eine bestimmte Schranktemperatur aufrechterhalten
werden soll, Dabei fällt im Verdampfer ein Überschuß von flüssigem Kältemittel an,
der zum Speichergefäß abdräniert wird, d. h. ein Teil des im Kocher ausgetriebenen
und im Kondensator verflüssigten Kältemittels wird den Verdampfer ohne zu verdampfen
und Kälteleistung abzugeben passieren. Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen,
das Verdampfersystem derart auszubilden, daß ein in ihm sich bildender Überschuß
an flüssigem Kältemittel in diesem System verbleibt, solange die Wärmequelle arbeitet,
um während der nachfolgenden Perioden, wenn die Wärmezufuhr ausgeschaltet ist, zu
verdampfen.
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Der Tieftemperaturverdampfer 15 b ist zu diesem Zweck als ein Rohr
ausgebildet, das einen etwas größeren Durchmesser oder eine größere Querschnittsfläche
als der darüber gelegene Hochtemperaturverdampfer 15 a besitzt. Ferner ist er an
seinem Austrittsende mit einem Flüssigkeitsstau versehen, z. B. in Form einer Scheidewand
34 zwischen dem Tieftemperaturverdampfer und dem Gastemperaturwechsler 16. Werden
die Abmessungen richtig gewählt, dann wird alles gesammelte Kältemittel während
einer »Aus«-Periode verdampft. Während der folgenden »Ein«-Periode wird wieder eine
gewisse Menge flüssigen Kältemittels in dem Tieftemperaturverdampfer 15 b gesammelt.
Während der folgenden »Aus«-Periode geht die Verdampfung so lange weiter, als der
Gasumlauf andauert.
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Über die zur Herabsetzung des Energieverbrauches wertvolle Ersparnis
an Kältemittel beim Thermostatbetrieb hinaus ergibt die Erfindung die Möglichkeit
der Aufspeicherung von Kältemitteln, wenn der Kälteapparat in vollem Betriebe ist.
Diese bedeutet eine gewisse regulierende Einwirkung auf die Konzentration in der
Absorptionslösung und ermöglicht eine Erhöhung des prozentualen Inhaltes an Kältcmittel
im Apparat.
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Die Erfindung ist nicht auf die als Beispiel gezeigte Ausführungsform
beschränkt. So kann z. B. das Speichergefäß im Verhältnis zu den übrigen Apparatteilen
in anderer Weise angeordnet, z. B. dem wirksamen Teil des Absorbers 17 vorgeschaltet
sein.