EP0021205A2 - Hybrides Kompressions-Absorphionsverfahren für das Betreiben von Wärmepumpen oder Kältemaschinen - Google Patents

Hybrides Kompressions-Absorphionsverfahren für das Betreiben von Wärmepumpen oder Kältemaschinen Download PDF

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EP0021205A2
EP0021205A2 EP80103173A EP80103173A EP0021205A2 EP 0021205 A2 EP0021205 A2 EP 0021205A2 EP 80103173 A EP80103173 A EP 80103173A EP 80103173 A EP80103173 A EP 80103173A EP 0021205 A2 EP0021205 A2 EP 0021205A2
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EP
European Patent Office
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heat
working medium
compressor
circuit
heat exchanger
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EP0021205A3 (en
EP0021205B1 (de
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Géza Dipl.-Ing. Hivessy
Péter Dipl.-Ing. Pecz
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Energiagazdalkodasi Intezet
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Energiagazdalkodasi Intezet
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Priority to AT83101481T priority patent/ATE22490T1/de
Priority to AT80103173T priority patent/ATE6387T1/de
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Publication of EP0021205A3 publication Critical patent/EP0021205A3/de
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the invention relates to a hybrid refrigeration machine or heat pump, which is provided with a mechanical compressor and which in its thermodynamic system contains a working fluid pair, known or similar in the case of absorption refrigerators, of a refrigerant and a solvent for the refrigerant, so that a solution or sorption cycle is interconnected with a compressor.
  • the possible uses of heat pumps and the increase in their effectiveness are being investigated with increased intensity all over the world due to the energy crisis.
  • the heat pump is actually a reversed chiller that transfers the energy from the environment into a functionally closed space.
  • a medium with variable temperature a cooling medium
  • the extracted energy should also be transferred to a medium with variable temperature (e.g. cooling water).
  • a medium with variable temperature e.g. cooling water
  • the conventional compression refrigeration machines have the major disadvantage that the evaporation and condensation temperatures of the refrigeration machine on the side of the heat exhaust are below the lowest temperature of the medium to be cooled, and on the side of the heat output the highest temperature of the heat-absorbing medium must, and that - which is closely related - the pressures of the heat exchanger vessels must be determined with an unnecessarily large deviation. So the value of the pressure ratio, which basically determines the operation of the compressor, becomes rather unfavorable. The same problem also occurs with heat pumps.
  • the essence of the invention and at the same time the object to be achieved is the creation of a hybrid system which combines the advantageous properties of the sorption chillers and the chillers provided with mechanical compressors (compression chillers), without the disadvantages of the starting types.
  • the heat exchanger vessels which enable a variable temperature sequence due to the sorption principle, are combined with the compressor of the compression refrigeration machines, and as a working medium not a pure refrigerant, but a pair of agents that is already known or similar in the absorption (or absorption) refrigeration machines circulated from a refrigerant and a sorption liquid in the thermodynamic circuit of the system according to the invention.
  • At least one of the heat exchanger vessels enabling heat exchange with the surroundings is a so-called “dry" construction, suitably consisting of pipes or plates which are guaranteed along the heat exchange surface with respect to both phases of the working medium between the initial and final state of continuously changing concentration ratios or clearly assigned continuously changing temperature conditions.
  • the system according to the invention has the vapor and liquid phase of the working medium in the working space of its compressor simultaneously and together.
  • a phase separator is installed behind the degasser of the system.
  • a rectifier is installed behind the phase separator in the vapor phase line of the working medium.
  • a phase separator is installed downstream of the compressor, and a condenser with an aftercooler on the vapor phase side, and an internal heat exchanger on the liquid phase side, the two separate working medium circuits thus created having at least one common section.
  • the cold is in the steam line behind the phase separator and in front of the condenser Rectifier increasing the medium concentration of the vapor phase is installed.
  • a drive circuit consisting of a boiler, an expansion machine, an absorber, an internal heat exchanger and a solution pump is connected to the base system, the expansion machine and the compressor of the base system being connected to one another by means of a power transmission element.
  • the heat pump according to the invention has, at the same pressure conditions, roughly the same, but at the same temperature conditions a 1.5 to 2 times higher performance coefficient e than the conventional systems.
  • This value can be increased further with goal-oriented research and by using working media with a higher specific solution heat.
  • the system in the thermodynamic system of which a solution is circulated as the working medium, has an absorber 1 and a degasser 4 as heat exchanger vessels.
  • An internal heat exchanger 2 temperature changer
  • a pressure-reducing expansion valve 3 expediently a throttle valve
  • Behind the degasser 4 is a phase separator 5, in which the two-phase working solution is separated.
  • the path of the liquid leads back into the absorber 1 with the aid of a liquid pump 6 via the internal heat exchanger 2, where it preferably flows in countercurrent to the solution emerging from the absorber 1.
  • the path of the vapor phase leads via a rectifier 7 to a mechanical compressor 8, the output of which is also connected to the absorber 1.
  • the solution emerging from the absorber 1 flows through one side of the inner heat exchanger 2 and through the expansion valve 3. After flowing through the pressure-reducing expansion valve 3, a solution of low pressure enters the degasser 4, which draws heat from the medium to be cooled. Due to the amount of heat q extracted from the medium to be cooled, a significant proportion of the refrigerant components of the solution are converted into the vapor phase, which means that this amount of heat drives the refrigerant out of the solution and provides the necessary heat of solution and evaporation.
  • the two-phase mixture emerging from the degasifier 4 enters the phase separator 5, where the liquid and the vapor phase are separated from one another. From here, the liquid flows back with the help of the liquid pump 6 over the other side of the internal heat exchanger 2 into the absorber 1, where it comes into contact with the vapor phase again.
  • the vapor phase passes through the rectifier 7, which can be included in the degasser 4 according to FIG. 1, into the compressor 8, which compresses the vapor phase to the higher pressure level of the absorber 1 through the use of mechanical work q k .
  • the absorber 1 In the absorber 1, the vapor phase and the sorption liquid containing little refrigerant, the so-called poor solution, are mixed, the refrigerant is dissolved in the sorption liquid and the heat of evaporation and the heat of solution are extracted, i.e. the amount of heat q, with changing temperature parameters.
  • the heat exchange surface of the absorber can also be uniquely assigned a temperature field that changes along the same; the heat given off can therefore really be used with changing temperature parameters.
  • the use of the internal heat exchanger 2 improves the thermal efficiency of the system.
  • Fig. 2 shows another advantageous embodiment of the combined heat pump according to the invention.
  • This embodiment differs from that of Fig. 1 essentially in that the phases of the two-phase working medium emerging from the degasser 4 are not separated, but - after passing through the internal heat exchanger 2 - come together and simultaneously into the working space of the compressor 8, where in addition to compression, the physical processes determined by the thermodynamics of the solutions also take place.
  • the liquid can even be present in two different forms.
  • the liquid phase can occur in its specifically liquid form.
  • it can also be present in the form of aerosol in the steam.
  • a suitable pump and also an atomizer are of course also required for the latter embodiment.
  • the high pressure liquid-vapor mixture flows into the absorber 1, where the heat of vaporization of the vapor and the heat of solution of the refrigerant, i.e. the amount of heat q is withdrawn when the temperature changes or is used for heating purposes.
  • the liquid passes under high pressure into the pressure-reducing expansion valve 3 (e.g. into a throttle valve), in which the working medium expands.
  • the pressure-reducing expansion valve 3 e.g. into a throttle valve
  • a very great advantage of this embodiment is the so-called "wet compression".
  • the mixing of the vapor and the liquid phase and the dissolving of the vapor take place in parallel with the pressure increase, whereby the vapor phase and the liquid phase are endeavored to function as a function of time and the reaction rates - in accordance with the laws of the thermodynamics of the solutions To achieve balance.
  • the temperature values belonging to these equilibrium states are always significantly lower than the temperature values belonging to a given pressure in the case of adiabatic compression.
  • the final temperature of the compression also decreases, which is of crucial importance with regard to the structural features of the compressor and the materials that can be used.
  • the pressure ratio of the single-stage compression can be increased significantly, whereby the set goal can be achieved with simpler and cheaper means.
  • FIG. 3 Another possible embodiment of the heat pump according to the invention is shown in FIG. 3.
  • This embodiment is particularly expedient in such cases when the use of a heat exchanger vessel of constant or almost constant temperature is more advantageous when exchanging heat with the surroundings, be it on the low-pressure side or on the high-pressure side, or even at both pressures.
  • This latter case which is also shown in the figure, can actually be seen as a further development of the conventional chiller.
  • the machine presented here thus combines the advantages that the heat exchanger vessels have a constant temperature profile and the "wet compression", i.e. offer the thermodynamics of the solutions.
  • the two-phase, high-pressure working medium emerging from the compressor 8 passes into a phase separator 16, where the path of the liquid and the vapor are separated from one another.
  • the steam is fed from here into a condenser 9 known per se, where it emits its heat of vaporization q ko , and then passes via an aftercooler 10 and a pressure-reducing expansion valve 14 into an evaporator 15, in which heat from the environment at an almost constant temperature is withdrawn, so that the working medium evaporates in connection therewith.
  • the liquid flows out of the phase separator 16 into a liquid cooler 13, in which it is physically usable or still usable or in the operation of the refrigerator extractable heat content is exempted.
  • the liquid then flows through one side of an internal heat exchanger 12 and a pressure-reducing expansion valve 11 into the other side of the aftercooler 10, in which the liquid refrigerant cools further. From here, the liquid reaches the suction side of the compressor 8 via the other side of the internal heat exchanger 12, where it mixes with the steam coming from the evaporator 15.
  • a rectifier (not shown) can optionally be installed upstream of the condenser 9, by means of which the refrigerant concentration of the vapor phase is increased.
  • the embodiment according to FIG. 3 can primarily be used advantageously for such cooling tasks where a large pressure difference is necessary (e.g. freezing, heating with a heat pump); but it can also be used in an energetically effective manner in conventional cooling conditions.
  • the embodiment according to FIG. 4 has the advantage that it combines the good properties of the previously discussed embodiments and the absorption machines, since this embodiment works without external mechanical energy expenditure by introducing thermal energy.
  • the liquid working medium flows out of the absorber 1 in the already known manner via one side of the inner heat exchanger 2 and the pressure-reducing expansion valve 3 into the degasser 4, in which the working medium extracts thermal energy q, as a result of which part of the working medium evaporates .
  • the working medium is pressed by the compressor 8 into the absorber 19 of the drive circuit.
  • the working medium is dissolved in a poor solution coming from a boiler 18, during which the working medium releases its heat of evaporation and solution q02.
  • the rich solution flows out of the absorber 19 with the help of a solution pump 6 via one side of the inner heat exchanger 2 of the drive circuit into the boiler 18, in which the rich refrigerant vapor is expelled again from this rich solution with the help of an external amount of energy q ka high temperature levels becomes.
  • the poor solution flows back over the other side of the inner heat exchanger 2 and the pressure-reducing expansion valve 3 into the drive-side absorber 19.
  • the steam leaving the boiler 18 flows into a mechanical expansion machine 17, in which part of the enthalpy of the steam is converted into mechanical energy.
  • the compressor 8 is driven by this mechanical energy.
  • the working medium emerging from the compressor 8 could also be conducted into the absorber 1, the steam emerging from the expansion machine 17 having to be conducted into the drive-side absorber 19. This could thermodynamically separate the working side and the drive side.
  • This way of switching is less interesting because it means no further advantages in terms of function; it even results in a certain deterioration of the specific characteristic values, because in the former case higher temperatures can be achieved by appropriately selecting the concentration ratios on the drive side in the absorber 19, as a result of which a larger proportion of the energy expended can be obtained at a higher temperature level.
  • the heat pump according to the invention has a very wide field of application because, from the deep-freezing tasks up to the heating purposes, it guarantees more energy-efficient operation than the previous systems.
  • Another advantage of the system according to the invention is that it can be adapted very flexibly to the task to be solved, depending on the concentration ratios of the solution used, and in this way its operating characteristic can be optimized.

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Abstract

Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe, welche als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel enthält und deren Basiskreislauf einen Lösungskreislauf (1-6) und einen mit diesem zusammengeschalteten mechanischen Verdichter (8) aufweist. Dadurch entsteht sowohl an der wärmeaufnehmenden, als auch an der wärmeabgebenden Seite des Kreislaufs ein sich ändernder Temperaturverlauf. Falls auf der Antriebsseite ebenfalls ein System mit veränderlichem Temperaturverlauf vorhanden ist, kann eine mehrfache spezifische Kälteleistung bei gleichen Temperaturparametern erzielt werden. Wenn durch den mechanischen Verdichter (8) eine nasse Kompression dadurch herbeigeführt wird, daß während des Arbeitstaktes beide Phasen des Arbeitsmediums als solche gemeinsam und gleichzeitig im Arbeitsraum des Verdichters (8) vorhanden sind, kann die spezifische Kälteleistung (die Leistungsziffer) weiter erhöht werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe, die mit einem mechanischen Verdichter versehen ist und die in ihrem thermodynamischen System ein bei den Absorptionskältemaschinen schon bekanntes oder ähnlich zusammengestelltes Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel für das Kältemittel enthält, so daß ein Lösungs- oder Sorptionskreislauf mit einem Verdichter zusammengeschaltet ist.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpen und die Erhöhung ihrer Effektivität werden infolge der Energiekrise überall in der Welt mit erhöhter Intensität untersucht. Die Wärmepumpe ist eigentlich eine umgekehrt betriebene Kältemaschine, welche die Energie der Umgebung in einen funktionell geschlossenen Raum überführt.
  • Die zur Zeit bekannten Kompressions-Wärmepumpen werden meistens mit in der Kältetechnik allgemein verwendeten Kältemitteln betrieben. Der Trend der Forschungen weist ebenfalls in Richtung der Verfeinerung der in der Kältetechnik schon bewährten Methoden bzw. der Anwendung dieser Methoden für die Wärmepumpen. Einen wesentlichen Durchbruch kann man allerdings von diesem Entwicklungstrend nicht erwarten.
  • Es gibt auch solche Kühlungsaufgaben, wo ein Medium mit veränderlicher Temperatur (ein sich abkühlendes Medium) gekühlt werden soll und die abgezogene Energie ebenfalls einem Medium mit veränderlicher Temperatur (z.B. Kühlwasser) übergeben werden soll. In solchen Fällen haben die herkömmlichen Kompressions-Kältemaschinen den großen Nachteil, daß man mit den Verdampfungs-und Kondensationstemperaturen der Kältemaschine an der Seite des Wärmeabzuges unter die tiefste Temperatur des abzukühlenden Mediums, und an der Seite der Wärmeabgabe über die höchste Temperatur des wärmeabziehenden Mediums gehen muß, und daß - was damit eng im Zusammenhang steht - auch die Drücke der Wärmeaustauschergefäße mit einer unnötig großen Abweichung bestimmt werden müssen. So wird der Wert des Druckverhältnisses, das den Betrieb des Verdichters grundsätzlich bestimmt, ziemlich ungünstig. Das gleiche Problem tritt auch bei Wärmepumpen auf.
  • Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Kältemaschine bzw. durch die nach dem gleichen Prinzip arbeitende Wärmepumpe beseitigt.
  • Der Kern der Erfindung und zugleich die zu lösende Aufgabe ist die Schaffung einer die vorteilhaften Eigenschaften der Sorptionskältemaschinen und der mit mechanischem Verdichter versehenen Kältemaschinen (Kompressionskältemaschinen) vereinigenden hybriden Anlage, und zwar ohne die Nachteile der Ausgangstypen.
  • Im Interesse der Lösung der gestellten Aufgabe werden die durch das Sorptionsprinzip einen veränderlichen Temperaturablauf ermöglichenden Wärmeaustauschergefäße mit dem Verdichter der Kompressionskältemaschinen kombiniert, und als Arbeitsmedium kein reines Kältemittel, sondern ein bei den Absorptions- (oder Resorptions-) Kältemaschinen schon bekanntes, oder ähnlich zusammengesetztes Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einer Sorptionsflüssigkeit im thermodynamischen Kreis der erfindungsgemäßen Anlage umgewälzt.
  • Im Sinne der Erfindung ist in einem als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einer Sorptionsflüssigkeit umwälzenden, mit mechanischem Verdichter versehenen System wenigstens das eine der mit der Umgebung einen Wärmeaustausch ermöglichenden Wärmeaustauschergefäße eine zweckmäßigerweise aus Rohren oder Platten bestehende, sogenannte "trockene" Konstruktion, durch welche entlang der Wärmeaustauschfläche bezüglich beider Phasen des Arbeitsmediums zwischen dem Anfangs- und Endzustand sich kontinuierlich verändernde Konzentrationsverhältnisse bzw. diesen eindeutig zugeordnete, sich kontinuierlich verändernde Temperaturverhältnisse gewährleistet sind.
  • Nach einer abgewandelten oder alternativen Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Anlage die Dampf- und Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums im Arbeitsraum ihres Verdichters gleichzeitig und gemeinsam auf.
  • Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem Entgaser der Anlage ein Phasentrenner eingebaut. Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem Phasentrenner in die Dampfphasenleitung des Arbeitsmediums ein Rektifikator eingebaut.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind hinter dem Verdichter ein Phasentrenner, und hinter diesem dampfphasenseitig ein Kondensator mit einem Nachkühler, sowie flüssigkeitsphasenseitig ein innerer Wärmeaustauscher eingebaut, wobei die beiden so entstandenen, miteinander parallelen, separaten Arbeitsmittel-Kreise mindestens einen gemeinsamen Abschnitt aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist es zweckmäßig, wenn in die Dampfleitung hinter dem Phasentrenner und vor dem Kondensator ein die Kältemittel-Konzentration der Dampfphase erhöhender Rektifikator eingebaut ist.
  • Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist an die Basisanlage ein aus einem Kessel, einer Expansionsmaschine, einem Absorber, einem inneren Wärmeaustauscher und einer Lösungspumpe bestehender Antriebskreis angeschlossen, wobei die Expansionsmaschine und der Verdichter der Basisanlage mittels eines Kraft- übertragungsorgans miteinander verbunden sind.
  • Die erfindungsgemäße Wärmepumpe weist bei gleichen Druckverhältnissen etwa gleich große, bei gleichen Temperaturverhältnissen aber eine 1,5 bis 2-fach höhere Leistungsziffer e auf als die herkömmlichen Anlagen.
  • Mit zielorientierten Forschungen und durch Anwendung von Arbeitsmedien größerer spezifischer Lösungswärme kann dieser Wert weiter erhöht werden.
  • Die Erfindung wird ausführlicher anhand der Zeichnung erläutert, in welcher mögliche Schaltschemen der erfindungsgemäßen hybriden Kältemaschine bzw. Wärmepumpe dargestellt sind. Es zeigen:
    • Fig. 1 die Grundschaltung der erfindungsgemäßen hybriden Wärmepumpe,
    • Fig. 2 das Schaltschema einer eine "nasse Kompression" verwirklichenden hybriden Wärmepumpe,
    • Fig. 3 eine weitere mögliche Ausführungsform der hybriden Wärmepumpe, die für Tiefkühlung besonders geeignet ist, und
    • Fig. 4 eine weitere zweckmäßige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
  • In Fig. 1 ist der Grundtyp der erfindungsgemäßen hybriden Wärmepumpe dargestellt. Wie aus der Fig. ersichtlich, weist die Anlage, in deren thermodynamischem System eine Lösung als Arbeitsmedium umgewälzt wird, als Wärmetauschergefäße einen Absorber 1 und einen Entgaser 4 auf. Zwischen dem Absorber 1 und dem Entgaser 4 ist ein innerer Wärmeaustauscher 2 (Temperaturwechsler) und ein druckreduzierendes Expansionsventil 3 (zweckmäßigerweise ein Drosselventil) angeordnet. Hinter dem Entgaser 4 befindet sich ein Phasentrenner 5, in welchem die zweiphasige Arbeitsmittellösung getrennt wird. Der Weg der Flüssigkeit führt mit Hilfe einer Flüssigkeitspumpe 6 über den inneren Wärmeaustauscher 2, wo sie vorzugsweise im Gegenstrom zu der aus dem Absorber 1 austretenden Lösung strömt, in den Absorber 1 zurück. Der Weg der Dampfphase führt über einen Rektifikator 7 zu einem mechanischen Verdichter 8, dessen Ausgang ebenfalls mit dem Absorber 1 verbunden ist.
  • Die Arbeitsweise der Anlage ist wie folgt:
  • Die aus dem Absorber 1 austretende Lösung strömt durch die eine Seite des inneren Wärmetauschers 2 und durch das Expansionsventil 3. Nach dem Durchströmen durch das druckreduzierende Expansionsventil 3 gelangt in den Entgaser 4 eine Lösung niedrigen Druckes, die aus dem abzukühlenden Medium Wärme entzieht. Durch die aus dem abzukühlenden Medium entzogene Wärmemenge q wird ein bedeutender Anteil der Kältemittelkomponenten der Lösung in die Dampfphase überführt, wobei also diese Wärmemenge das Kältemittel aus der Lösung austreibt und die dazu notwendige Lösungs- und Verdampfungswärme zur Verfügung stellt.
  • Im Entgaser 4 entsteht somit eine Zweiphasenströmung, wobei durch die konstruktive Gestaltung des Entgasers 4 als sogenannte "trockene" Konstruktion, die charakterisiert ist durch die Ausbildung einer durch Leitelemente, wie Rohre oder Platten, herbeigeführten Zwangsbahn für das Arbeitsmedium zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wärmetauschers, der Anteil der Dampfphase entlang der Wärmeaustauscherfläche allmählich definiert zunimmt. In Abhängigkeit davon nimmt die Temperatur des strömenden Systems entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Lösungen zu.
  • Das aus dem Entgaser 4 austretende zweiphasige Gemisch gelangt in den,Phasentrenner 5, wo die Flüssigkeit und die Dampfphase voneinander getrennt werden. Von hier aus strömt die Flüssigkeit mit Hilfe der Flüssigkeitspumpe 6 über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 2 in den Absorber 1 zurück, wo sie wieder mit der Dampfphase in Berührung kommt.
  • Die Dampfphase gelangt über den Rektifikator 7, der entsprechend Fig. 1 in den Entgaser 4 einbezogen sein kann, in den Verdichter 8, der die Dampfphase durch den Einsatz von mechanischer Arbeit qk auf das höhere Druckniveau des Absorbers 1 komprimiert.
  • Im Absorber 1 erfolgt die Vermischung der Dampfphase und der wenig Kältemittel enthaltenden Sorptionsflüssigkeit, der sogenannten armen Lösung, die Auflösung des Kältemittels in der Sorptionsflüssigkeit sowie der Entzug der Verdampfungswärme und der Lösungswärme, d.h. der Wärmemenge q , bei sich verändernden Temperaturparametern. Nach den gleichen Konstruktionsprinzipien wie beim Entgaser 4 kann auch hier der Wärmeaustauschfläche des Absorbers eindeutig ein sich entlang derselben definiert veränderndes Temperaturfeld zugeordnet werden; die abgegebene Wärme kann also wirklich bei sich verändernden Temperaturparametern ausgenutzt werden.
  • Die Anwendung des inneren Wärmeaustauschers 2 verbessert den thermischen Wirkungsgrad der Anlage.
  • Fig. 2 zeigt eine andere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen kombinierten Wärmepumpe.
  • Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der aus Fig. 1 im wesentlichen darin, daß die Phasen des aus dem Entgaser 4 austretenden zweiphasigen Arbeitsmediums nicht getrennt werden, sondern - nach Passieren des inneren Wärmeaustauschers 2 - zusammen und gleichzeitig in den Arbeitsraum des Verdichters 8 gelangen, wo sich neben der Verdichtung auch die durch die Thermodynamik der Lösungen bestimmten physikalischen Vorgänge abspielen.
  • Neben der Dampfphase kann die Flüssigkeit hier sogar in zwei voneinander verschiedenen Formen anwesend sein. Einerseits kann nach dem einen Lösungsweg die Flüssigkeitsphase in ihrer spezifisch flüssigen Form vorkommen. Andererseits kann sie jedoch auch in Form von Aerosol im Dampf anwesend sein. Zur letzteren Ausführungsform sind natürlich auch eine geeignete Pumpe sowie auch ein Zerstäuber erforderlich.
  • Aus dem Verdichter 8 strömt das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch hohen Druckes in den Absorber 1, wo die Verdampfungswärme der Dampfphase und die Lösungswärme des Kältemittels, d.h. die Wärmemenge q , bei einem sich verandernden Temperaturablaufentzogen bzw. für Heizungszwecke verwendet wird.
  • Hinter dem inneren Wärmeaustauscher 2, der der Erhöhung der energetischen Effektivität dient, gelangt die Flüssigkeit unter hohem Druck in das druckreduzierende Expansionsventil 3 (z.B. in ein Drosselventil), in welchem das Arbeitsmedium expandiert.
  • Das expandierte und in dieser Weise abgekühlte Arbeitsmedium strömt in den Entgaser 4, wo die Wärme q9 des abzukühlenden Mediums in das System eingeführt wird. Die eingeführte Wärme treibt das Kältemittel aus der Lösung aus, und am Ende des Entgasers 4 bildet sich wieder ein zweiphasiges System aus. Dieses Flüssigkeit und Dampf gleichzeitig enthaltende System wird dann in den Verdichter 8 geleitet.
  • Ein sehr großer Vorteil dieser Ausführungsform ist die sogenannte "nasse Kompression". Während der Komprimierung laufen nämlich die Vermischung der Dampf- und der Flüssigkeitsphase und das Inlösunggehen des Dampfes parallel mit der Druckerhöhung ab, wobei die Dampfphase sowie die Flüssigkeitsphase bestrebt sind, in Funktion der Zeit und der Reaktionsgeschwindigkeiten - entsprechend den Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik der Lösungen - ein Gleichgewicht zu erreichen. Die zu diesen Gleichgewichtszuständen gehörenden Temperaturwerte sind aber immer wesentlich niedriger, als die zu einem gegebenen Druck gehörenden Temperaturwerte im Falle einer adiabaten Kompression.
  • Hinsichtlich der Dampfphase kann diese Situation also so bewertet werden, als ob sich parallel mit der Kompression auch ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Rückkühlungsvorgang abspielen würde. Die energetische Bedeutung dieser Erscheinung ist für einen Fachmann wohlbekannt. Eine weitere, die Kompressionsarbeit vermindernde Wirkung entsteht dadurch, daß während des Inlösunggehens auch der Massenanteil der Dampfphase abnimmt, und in dieser Weise weniger Dampf verdichtet werden muß.
  • Über die beschriebenen Erscheinungen hinaus nimmt auch die Endtemperatur der Kompression ab, was hinsichtlich der konstruktiven Merkmale des Verdichters sowie der verwendbaren Werkstoffe von entscheidender Bedeutung ist. Das Druckverhältnis der einstufigen Kompression kann wesentlich erhöht werden, wodurch das gestellte Ziel mit einfacheren und billigeren Mitteln erreicht werden kann.
  • Durch die erwähnten Eigenschaften können mit dieser Ausführungsform wesentliche Vorteile erzielt werden.
  • Eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist in Fig. 3 dargestellt.
  • Diese Ausführungsform ist in solchen Fällen besonders zweckmäßig, wenn beim Wärmeaustausch mit der Umgebung die Anwendung eines Wärmeaustauschergefäßes konstanter oder nahezu konstanter Temperatur vorteilhafter ist, sei es an der Niederdruck- oder an der Hochdruckseite, oder sogar bei allen beiden Drücken. Dieser letztere Fall, der auch in der Abbildung dargestellt ist, kann eigentlich als eine Weiterentwicklung der herkömmlichen Kältemaschine betrachtet werden.
  • Die hier vorgestellte Maschine vereinigt also die Vorteile, die die Wärmeaustauschergefäße konstanten Temperaturverlaufs und die "nasse Kompression", d.h. die Thermodynamik der Lösungen anbieten.
  • Das aus dem Verdichter 8 austretende zweiphasige Arbeitsmedium hohen Druckes gelangt in einen Phasentrenner 16, wo der Weg der Flüssigkeit und des Dampfes voneinander getrennt werden.
  • Der Dampf wird von hier in einen in an sich bekannten Kondensator 9 geführt, wo er seine Verdampfungswärme qko abgibt, und gelangt dann über einen Nachkühler 10 und ein druckreduzierendes Expansionsventil 14 in einen Verdampfer 15, in welchem aus der Umgebung bei beinahe konstanter Temperatur Wärme entzogen wird, so daß damit im Zusammenhang das Arbeitsmedium verdampft.
  • Die Flüssigkeit strömt aus dem Phasentrenner 16 in einen Flüssigkeitskühler 13, in welchem sie von ihrem noch nutzbaren oder im Kältemaschinenbetrieb physikalisch noch entziehbaren Wärmeinhalt befreit wird. Danach strömt die Flüssigkeit über die eine Seite eines inneren Wärmeaustauschers 12 und ein druchreduzierendes Expansionsventil 11 in die andere Seite des Nachkühlers 10, in welchem sich das flüssige Kältemittel weiter abkühlt. Von hier gelangt die Flüssigkeit über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 12 zur Saugseite des Verdichters 8, wo sie sich mit dem aus dem Verdampfer 15 kommenden Dampf vermischt.
  • Danach wird dieses Gemisch durch den Verdichter 8 wieder in den Phasentrenner 16 weitergeleitet. In die vom Phasentrenner 16 abführende Dampfphasenleitung kann vor dem Kondensator 9 gegebenenfalls ein Rektifikator (nicht gezeigt) eingebaut sein, durch welchen die Kältemittel konzentration der Dampfphase erhöht wird.
  • Die Ausführungsform nach Fig. 3 kann in erster Linie bei solchen Kühlungsaufgaben vorteilhaft verwendet werden, wo ein großer Druckunterschied notwendig ist (z.B. Tiefkühlung, Heizung mit Wärmepumpe); aber sie ist auch bei herkömmlichen Kühlungsverhältnissen energetisch wirkungsvoll einsetzbar.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 4 hat den Vorteil, daß sie die guten Eigenschaften der bisher behandelten Ausführungsformen und der Absorptionsmaschinen vereinigt, da diese Ausführungsform ohne äußeren mechanischen Energieaufwand durch Einführung von Wärmeenergie funktioniert.
  • Der wesentlichste Vorteil dieser Ausführungsform besteht gegenüber der als Ausgangsbasis dienenden Resorptionskältemaschine darin, daß mit ihrer Hilfe ein ganz großer Temperaturunterschied zwischen den Wärmeaustauschergefäßen überbrückt werden kann, bzw. bei gleichen äußeren Umgebungsverhältnissen diese erfindungsgemäße Anlage nahezu eine doppeltsogroße Leistungsziffer e aufweist.
  • Das flüssige Arbeitsmedium strömt aus dem Absorber 1 in der schon bekannten Art und Weise über die eine Seite des inneren Wärmeaustauschers 2 und das druckreduzierende Expansionsventil 3 in den Entgaser 4, in welchem das Arbeitsmedium aus der Umgebung Wärmeenergie q entzieht, infolgedessen ein Teil des Arbeitsmediums verdampft.
  • Die restliche Flüssigkeit bzw. die Dampfphase gelangen über die andere Seite des inneren Wärmetauschers 2 in den Verdichter 8, in welchem sich die "nasse Kompression" abspielt.
  • Das Arbeitsmedium wird von dem Kompressor 8 in den Absorber 19 des Antriebskreislaufs gedrückt. Hier wird das Arbeitsmedium in einer aus einem Kessel 18 kommenden armen Lösung aufgelöst, währenddessen das Arbeitsmittel seine Verdampfungs- und Lösungswärme q02 abgibt.
  • Aus dem Absorber 19 strömt die reiche Lösung mit Hilfe einer Lösungspumpe 6 über die eine Seite des inneren Wärmeaustauschers 2 des Antriebskreislaufs in den Kessel 18, in welchem aus dieser reichen Lösung mit Hilfe einer äußeren Energiemenge qka hohen Temperaturniveaus der an Kältemittel reiche Dampf wieder ausgetrieben wird.
  • Die arme Lösung strömt über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 2 und das druckreduzierende Expansionsventil 3 wieder in den antriebsseitigen Absorber 19 zurück.
  • Der den Kessel 18 verlassende Dampf strömt in eine mechanische Expansionsmaschine 17, in welcher ein Teil der Enthalpie des Dampfes in mechanische Energie umgewandelt wird. Durch diese mechanische Energie wird der Verdichter 8 angetrieben.
  • Der die Expansionsmaschine 17 verlassende Dampf gelangt in den Absorber 1 und damit wird der thermodynamische Kreis abgeschlossen.
  • Bei dieser Ausführungsform kann man noch erwähnen, daß das aus dem Verdichter 8 austretende Arbeitsmedium auch in den Absorber 1 geleitet werden könnte, wobei der aus der Expansionsmaschine 17 austretende Dampf in den antriebsseitigen Absorber 19 geleitet werden müßte. Dadurch könnten die Arbeitsseite und die Antriebsseite thermodynamisch getrennt werden. Diese Schaltungsweise ist aber weniger interessant, weil sie hinsichtlich der Funktion keine weiteren Vorteile bedeutet; sie hat sogar eine gewisse Verschlechterung der spezifischen Kennwerte zur Folge, weil im ersteren Fall durch die zweckmäßige Auswahl der Konzentrationsverhältnisse auf der Antriebsseite im Absorber 19 höhere Temperaturen erzielt werden können, wodurch ein größerer Anteil der aufgewendeten Energie auf einem höheren Temperaturniveau gewonnen werden kann.
  • Zusammenfassend kann also festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Wärmepumpe ein sehr breites Anwendungsgebiet aufweist, weil sie von den Tiefkühlungsaufgaben bis hin zu den Heizungszwecken überall einen energetisch günstigeren Betrieb gewährleistet als die bisherigen Anlagen.
  • Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anlage besteht darin, daß sie in Abhängigkeit von den Konzentrationsverhältnissen der verwendeten Lösung an die zu lösende Aufgabe sehr elastisch angepaßt werden kann und in dieser Weise ihre Betriebskennwert optimiert werden können.

Claims (8)

1: Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe mit einem geschlossenen Basiskreislauf, welcher einen Lösungskreislauf (1-5) mit Wärmeaustauschergefäßen (1-4), wie z.B. Absorber (1), Entgaser (4), Flüssigkeitskühler (13), für den Wärmeaustausch mit der Umgebung, innere Wärmeaustauscher (2), mechanische Einheiten (6, 8) zur Umwälzung eines Arbeitsmediums gegen die Druckdifferenz zwischen der wärmeabgebenden Seite und der wärmeaufnehmenden Seite, und einen mit dem Lösungskreislauf zusammengeschalteten mechanischen Verdichter (8) aufweist und als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaär aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel bzw. deren Phasen getrennt voneinander führt, dadurch gekennzeich- net, daß wenigstens eines der Wärmeaustauschergefäße (1, 4) als derartiger Trockenwärmetauscher ausgebildet ist, daß durch seine vorzugsweise Rohre oder Platten enthaltende Konstruktion entlang seiner Wärmeaustauscherfläche bezüglich beider Phasen des Arbeitsmediums zwischen dessen Anfangs- und Endzustand sich kontinuierlich ändernde Konzentrationsverhältnisse bzw. diesen eindeutig zugeordnete, sich kontinuierlich ändernde Temperaturverhält- nisse vorliegen.
2. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe mit einem geschlossenen Basiskreislauf, welcher einen Lösungskreislauf (1-4) mit Wärmeaustauschergefäßen (1, 4), wie z.B. Absorber (1), Entgaser (4), Flüssigkeitskühler (13), für den Wärmeaustausch mit der Umgebung, innere Wärmeaustauscher (2), mechanische Einheiten (6, 8) zur Umwälzung eines Arbeitsmediums gegen die Druckdifferenz zwischen der wärmeabgebenden Seite und der wärmeaufnehmenden Seite, und einen mit dem Lösungskreislauf (1-4) zusammengeschalteten mechanischen Verdichter (8) aufweist und als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel bzw. deren Phasen getrennt voneinander führt, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Verdichter (8) in den Basiskreislauf derart eingeschaltet ist, daß während seines Arbeitstaktes die Dampfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums gleichzeitig und gemeinsam vorhanden sind.
3. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (8) einem Absorber (1) des Lösungskreislaufs vorgeschaltet ist.
4. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Entgaser (4) des Lösungskreislaufs ein Phasentrenner (5) nachgeschaltet ist.
5. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Dampfweg des Arbeitsmediums hinter dem Phasentrenner (5) ein Rektifikator (7) eingeschaltet ist.
6. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter (8) ein Phasentrenner (16) nachgeschaltet ist, der dampfphasenseitig an einen Kondensator (9) mit einem nachgeschalteten Nachkühler (10), und flüssigkeitsphasenseitig an einen inneren Wärmetauscher (12) angeschlossen ist, zwischen dessen Wärmeaustauschseiten die andere Seite des Nachkühlers (10) eingeschaltet ist, wobei die so entstandenen Kältemittel/Lösungsmittel-Kreisläufe wenigstens einen gemeinsamen Abschnitt aufweisen.
7. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Dampfweg zwischen dem Phasentrenner (16) und dem Kondensator (9) ein Rektifikator eingeschaltet ist.
8. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Basiskreislauf ein Antriebskreislauf mit einem Kessel (18), einer Expansionsmaschine (17), einem Absorber (19), einem inneren Wärmetauscher (2) und einer Lösungspumpe (6) angeschlossen ist und die Expansionsmaschine (17) als Antrieb des Verdichters (8) mit diesem gekuppelt ist.
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