EP0021205B1 - 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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EP0021205B1
EP0021205B1 EP80103173A EP80103173A EP0021205B1 EP 0021205 B1 EP0021205 B1 EP 0021205B1 EP 80103173 A EP80103173 A EP 80103173A EP 80103173 A EP80103173 A EP 80103173A EP 0021205 B1 EP0021205 B1 EP 0021205B1
Authority
EP
European Patent Office
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heat
working medium
refrigerant
absorber
exchange action
Prior art date
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EP80103173A
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English (en)
French (fr)
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EP0021205A3 (en
EP0021205A2 (de
Inventor
Géza Dipl.-Ing. Hivessy
Péter Dipl.-Ing. Pecz
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Energiagazdalkodasi Intezet
Original Assignee
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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    • 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
    • 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
    • F25B25/02—Compression-sorption machines, plants, or systems
    • 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
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the invention relates to a hybrid compression absorption method for operating heat pumps or refrigerators, with a working medium consisting of a solvent and a refrigerant soluble therein, in which in a first heat exchange process the refrigerant is dissolved in the solvent with heat removal and after expansion as a liquid phase the solvent and the refrigerant dissolved therein from the first heat exchange process, the working medium which is supplied with heat in a second heat exchange process, and thereby the refrigerant dissolved in the solvent at least partially as.
  • Vapor phase is expelled, and the vapor phase of the working medium drawn off from the second heat exchange process is compressed in a compression process, the concentration of the refrigerant in the liquid phase of the working medium being continuously changed along the path of the working medium by the second heat exchange process, preferably also by the first heat exchange process.
  • the invention further relates to a hybrid refrigerator or heat pump for carrying out the method.
  • the possible uses of heat pumps and the increase in their effectiveness are being explored with increased intensity everywhere in 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 a variable temperature (a cooling medium) is to be cooled and the extracted energy is also to be transferred to a medium with a 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.
  • Compression processes are also known (DE-B-1 241 468), in which a mixture of two refrigerants with different boiling points is used, the higher-boiling component being liquefied by partial condensation from the compressed refrigerant-vapor mixture, separated from the lower-boiling vaporous component and is relaxed and evaporated to liquefy the lower-boiling component, whereas the liquefied lower-boiling component is expanded and evaporated and mixed with the relaxed higher-boiling component again before evaporation, after which the vaporous higher-boiling component and the vaporous lower-boiling component mixed with it are compressed again together.
  • the absorber which is designed as a flooded standing tube bundle heat exchanger with an overhead common inlet for the vapor phase of the refrigerant and the liquid solvent
  • the remaining refrigerant portion is separated from the refrigerant-enriched solution and in a degasser, which is the standing one Tube boiler with inlet below for the solution enriched with refrigerant in the absorber after its relaxation, brought into the heat exchange with the rich solution and partially condensed so that the refrigerant is expelled from the solution by the evaporation heat released.
  • the working medium used is e.g. Amoniak and water used.
  • the refrigerant expelled from the liquid solvent in the second heat exchange process is separated from the solvent, the vapor phase consisting of the separated refrigerant is returned to the first heat exchange process after compression, while the liquid phase consisting of the separated, low-refrigerant solution is pumped an inner heat exchanger, in which the liquid phase in countercurrent to the solution, which is drawn from the second heat exchange process and is rich in absorbed refrigerant, is heated before being released from the latter, is returned to the first heat exchange process and is brought back together with the compressed refrigerant vapor there.
  • This known method shows that.
  • the efficiency can be significantly increased if both in the first heat exchange process for the absorption of the compressed refrigerant in the solvent, and in the second heat exchange process for expelling the refrigerant from the solvent, the solvent in countercurrent to the heat to be supplied in the heat exchange processes or laxative external heat transfer medium is performed.
  • the countercurrent principle it can be achieved that the temperature of the heat transfer medium changes continuously over the heat exchange surface and that the temperature of the solution on the other side of the heat exchange surface follows, so that in the solution of the solvent and the absorbed refrigerant in both Degassing process as well as in the absorption process, a state of equilibrium of the solution concentration and temperature which is continuously changed from the beginning to the end thereof.
  • DE-C-84084 In another known combined compression-absorption method (DE-C-84084), after the separation of the vapor phase from the liquid phase of the working medium drawn off from the degasser. the vapor phase is compressed and recombined with the liquid phase after it has been heated in an internal countercurrent heat exchanger by the refrigerant-rich solution drawn off from the absorber while cooling, before entering the absorber.
  • the degasser which can also be understood as an evaporator, the working medium is led through a coil and thereby extracts heat from a room to be cooled.
  • Pipe coil evaporators of this type in which a course for the working medium is brought about by the course of the pipe coil, are also referred to as dry evaporators in contrast to flood evaporators, in which the wetting of the heat exchange surface with the liquid phase is increased.
  • dry evaporators in contrast to flood evaporators, in which the wetting of the heat exchange surface with the liquid phase is increased.
  • the invention solves the problem of designing a hybrid compression absorption method of the type mentioned at the beginning and a hybrid refrigeration machine or heat pump for carrying out the method in such a way that a higher energy efficiency can be achieved while avoiding the disadvantages of the known methods mentioned.
  • the solvent is partially evaporated by the heat supply in the second heat exchange process, that along the path of the working medium through the second heat exchange process, preferably also through the first heat exchange process, the concentration of the refrigerant also in the steam phase of the working medium is changed simultaneously and together with that of the liquid phase, and that the compression process is subjected to the vapor phase and the liquid phase of the working medium, which are drawn off from the second heat exchange process, simultaneously and together.
  • a hybrid refrigeration machine or heat pump with a working medium circuit which contains an absorber, a degasser connected downstream thereof via an expansion valve and a mechanical compressor connected downstream thereof, the absorber and the degasser being designed as such heat exchangers that Due to their construction between their inlet and outlet a common path for the working medium, which is formed by guiding elements, is brought about between the liquid phase and the vapor phase of the working medium, that an internal countercurrent heat exchanger is connected between the absorber and the expansion valve on the one hand and between the degasser and the compressor on the other hand is, and that the output of the degasser is connected to the compressor without branching via the internal heat exchanger.
  • At least one of the heat exchangers that enables heat exchange with the environment is a so-called "dry" one that suitably consists of pipes or plates. Construction by means of which continuously changing concentration ratios and / or clearly assigned, continuously changing temperature ratios between the initial and final states are guaranteed both with respect to the liquid phase and the vapor phase of the working medium.
  • the vapor phase which also contains a portion of solvent vapor
  • the liquid phase of the working medium are present simultaneously and together in the compressor work space, so that the mixing of the vapor and liquid phases and the dissolving of the steam run in parallel with the pressure increase during compression, so that the regularities of the thermodynamics of the solutions are also used in the compression process.
  • the system in the thermodynamic system of which a working medium consisting of a solvent and a refrigerant soluble therein is circulated, has an absorber 1 and a degasser 4 as a heat exchanger.
  • An internal heat exchanger 2 temperature changer
  • a pressure-reducing expansion valve 3 expediently a throttle valve
  • the operation of the system is as follows:
  • the solution emerging from the absorber 1 flows through one side of the inner heat exchanger 2 and through the expansion valve 3.
  • a solution of low pressure passes into the degasser 4 removes heat from the medium to be cooled. Due to the amount of heat qq extracted from the medium to be cooled, refrigerant and solvent are transferred to the vapor phase of the working medium, which means that this amount of heat drives the refrigerant out of the solution and evaporates the solvent portion and provides the necessary heat of solution and evaporation.
  • the constructive design of the degasser 4 as a so-called "dry" construction which is characterized by the formation of a forced path for the working medium between the inlet and the outlet of the working medium, which is brought about by guide elements such as pipes or plates Heat exchanger, the proportion of the vapor phase along the heat exchanger surface gradually defined-increases.
  • the temperature of the flowing system increases according to the laws of the solutions.
  • the two-phase mixture emerging from the degasser 4 passes through the other side of the internal heat exchanger 2 into the compressor 8, which q is the two-phase working medium through the use of mechanical work . compressed to the higher pressure level of the absorber 1.
  • the high-pressure liquid-vapor mixture flows back into the absorber 1, where the heat of vaporization and the heat of solution of the refrigerant, ie the amount of heat q o , change with a change Temperature sequence is withdrawn or used for heating purposes.
  • 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.
  • the phases of the two-phase working medium emerging from the degasifier 4 are not separated, but instead pass after passing through the internal heat exchanger 2. together and at the same time in the working space of the compressor 8, where, in addition to the 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 final temperature of the compression also decreases, which is of crucial importance with regard to the design 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 goal can be achieved with simpler and cheaper means.
  • this embodiment can achieve significant advantages.
  • the embodiment according to FIG. 2 has the advantage that it combines the good properties of the working medium circuit discussed in FIG. 1 and the absorption machines as the drive circuit, since this embodiment from FIG. 2 functions without external mechanical energy expenditure by introducing thermal energy.
  • this embodiment compared to the absorption chiller serving as the starting point is that it can be used to bridge a very large temperature difference between the heat exchangers, or, given the same external environmental conditions, this system according to the invention has almost twice the performance figure ⁇ :
  • the liquid working medium flows from the absorber 1 in the already known manner over one side of the inner heat exchanger 2 and the pressure-reducing expansion valve 3 into the degasser 4, in which the working medium from the environment thermal energy q . withdrawn, as a result, part of the working medium evaporates.
  • the working medium is pressed by the compressor 8 into the absorber 19 of the drive circuit.
  • the vapor phase of the working medium is condensed and the refrigerant is dissolved in a poor solution coming from a boiler 18, the working medium giving off its heat of evaporation and solution q o2 .
  • the rich solution flows with the aid of a solution pump 6 via one side of an inner heat exchanger 12 of the drive circuit into the boiler 18, in which the rich refrigerant vapor is expelled from this rich solution with the help of an external amount of energy q k high temperature levels becomes.
  • the poor solution flows back over the other side of the inner heat exchanger 12 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 a part of the enthalpy of the steam in mechanical energy is converted.
  • 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 parameters because in the. 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 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 characteristics can be optimized.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)
  • Vaporization, Distillation, Condensation, Sublimation, And Cold Traps (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein hybrides Kompressions-Absorptionsverfahren für das Betreiben von Wärmepumpen oder Kältemaschinen, mit einem Arbeitsmedium aus einem Lösungsmittel und einem darin löslichen Kältemittel, bei welchem in einem ersten Wärmeaustauschvorgang das Kältemittel in dem Lösungsmittel unter Wärmeentzug gelöst wird und nach Expansion des als Flüssigkeitsphase aus dem Lösungsmittel und dem darin gelösten Kältemittel aus dem ersten Wärmeaustauschvorgang abgeführten Arbeitsmedium diesem in einem zweiten Wärmeaustauschvorgang Wärme zugeführt wird und dadurch das in dem Lösungsmittel gelöste Kältemittel wenigstens teilweise als. Dampfphase ausgetrieben wird, und in einem Verdichtungsvorgang die aus dem zweiten Wärmeaustauschvorgang abgezogene Dampfphase des Arbeitsmediums verdichtet wird, wobei entlang des Weges des Arbeitsmediums durch den zweiten Wärmeaustauschvorgang, vorzugsweise auch durch den ersten Wärmeaustauschvorgang die Konzentration des Kältemittels in der Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums kontinuierlich geändert wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Anwendungsmöglichkeiten der Wärmepumpen und die Erhöhung ihrer Effektivität werden infolge der Energiekrise uberall in der Welt mit erhölter Intensität undersucht. 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 der 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.
  • Es sind auch Kompressionsverfahren bekannt (DE - B - 1 241 468), bei welchem mit einem Gemisch aus zwei Kältemitteln unterschiedlicher Siedepunkte gearbeitet wird, wobei aus dem verdichteten Kältemittel-Dampfgemisch durch partielle Kondensation die höhersiedende Komponente verflüssigt, von der tiefersiedenden dampfförmigen Komponente getrennt und zur Verflüssigung der tiefersiedenden Komponente entspannt und verdampft wird, wohingegen die verflüssigte tiefersiedende Komponente entspannt und verdampft und vor der Verdampfung der entspannten höhersiedenden Komponente wieder mit dieser gemischt wird, wonach die dampfförmige höhersiedende Komponente und die mit dieser gemischte dampfförmige tiefersiedende Komponente gemeinsam wieder verdichtet werden.
  • Darüberhinaus ist es jedoch auch bereits bekannt, das Absorptionsverfahren und das Kompressionsverfahren miteinander zu kombinieren. Bei einem derartigen bekannten Verfahren (DE-A-2538730) wird ein Kältemittel, wie ein halogenierter Kohlenwasserstoff, welches im Betriebsbereich des Verfahrens kondensiert werden kann, und ein damit verträgliches Lösungsmittel, wie ein Öl, als Arbeitsmedium verwendet, und das Verfahren ist derart geführt, daß nur ein Teil des Kältemittels, z.B. die Hälfte oder weniger, während des Absorptionsvorganges in dem Lösungsmittel gelöst wird. Der restliche Kältemittelanteil wird nach dem Austritt aus dem Absorber, der als überfluteter stehender Röhrenbündel-Wärmeaustauscher mit oben liegendem gemeinsamen Zulauf für die Dampfphase des Kältemittels und das flüssige Lösungsmittel gestaltet ist, von der mit Kältemittel angereicherten Lösung getrennt und in einem Entgaser, der als stehender Röhrenkessel mit unten liegendem Zulauf für die im Absorber mit Kältemittel angereicherte Lösung nach deren Entspannung gestaltet ist, in den Wärmeaustausch mit der reichen Lösung gebracht und dabei teilweise kondensiert, so daß durch die freiwerdende Verdampfungswärme das Kältemittel aus der Lösung ausgetrieben wird. Das ausgetriebene Kältemittel und das flüssige Lösungsmittel werden aus dem oben liegenden Ablauf des Entgasers in einen Verdichter gesaugt, in welchen auch derjenige Teil des Kältemittels, der im Entgaser zum Austreiben des in dem Lösungsmittel absorbierten Kältemittelanteils verwendet wurde, nach vollständiger Kondensierung und sich daran anschließender Verdampfung eingesaugt wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird daher der den Kältemitteldampf verdichtende Verdichter zusätzlich zum Hindurchsaugen des Arbeitsmediums durch den Entgaser und zum Pumpen des flüssigen Lösungsmittels zur Hochdruckseite des Absorbers ausgenutzt, so daß eine zusätzliche Lösungsmittelpumpe entfallen kann. Da außerdem als Lösungsmittel ein ÖI verwendet wird, wird dieses durch das Hindurchführen auch durch den Verdichter, der z.B. ein Schraubenkompressor ist, zusätzlich zu dessen Schmierung ausgenutzt. Da jedoch bei diesem Verfahren mit Überschuß an Kältemittel gearbeitet wird, ist die Verdichtungsarbeit hoch.
  • Bei einem anderen bekannten hybriden Kompressions-Absorptionsverfahren (DE-A-2617351) der eingangs erwähnten Art wird als Arbeitsmedium z.B. Amoniak und Wasser verwendet. Das in dem zweiten Wärmeaustauschvorgang aus dem flüssigen Lösungsmittel ausgetriebene Kältemittel wird von dem Lösungsmittel getrennt, die aus dem abgetrennen Kältemittel bestehende Dampfphase wird nach ihrer Verdichtung in den ersten Wärmeaustauschvorgang zurückgeführt, während die aus der abgetrennten, an Kältemittel armen Lösung bestehende Flüssigkeitsphase mittels einer Pumpe über einen inneren Wärmetauscher, in welchem die Flüssigkeitsphase im Gegenstrom zu der aus dem zweiten Wärmeaustauschvorgang abgezogenen, an absorbiertem Kältemittel reichen Lösung vor deren Entspannung von dieser erwärmt wird, in den ersten Wärmeaustauschvorgang zurückgeführt und dort mit dem verdichteten Kältemitteldampf wieder zusammengebracht wird. Dieses bekannte Verfahren zeigt, daß. der Wirkungsgrad wesentlich dadurch gesteigert werden kann, wenn sowohl im ersten Wärmeaustauschvorgang für die Absorption des verdichteten Kältemittels in dem Lösungsmittel, wie auch in dem zweiten Wärmeaustauschvorgang für das Austreiben des Kältemittels aus dem Lösungsmittel jeweils das Lösungsmittel im Gegenstrom zu dem in den Wärmeaustauschvorgängen wärmezuführenden bzw. abführenden äußeren Wärmeträgermedium geführt wird. Durch Ausnutzung des Gegenstromprinzips läßt sich nämlich erreichen, daß die Temperatur des Wärmeträgermediums sich über die Wärmeaustauschfläche hin kontinuierlich ändert und dem die Temperatur der Lösung an der anderen Seite der Wärmeaustauschfläche folgt, so daß in der Lösung aus dem Lösungsmittel und dem absorbierten Kältemittel sowohl bei dem Entgasungsvorgang als auch bei dem Absorptionsvorgang ein von deren Beginn bis zu deren Ende kontinuierlich geänderter Gleichgewichtszustand der Lösungskonzentration und Temperatur vorliegt. Dieses Ziel wird bei dem bekannten Verfahren jedoch dadurch beeinträchtigt, daß über den ganzen Flüssigkeitsraum des Absorbers und des Entgasers hin ein Dampfraum für das Kältemittel ausgebildet ist, so daß die Flüssigkeitsphase mit ihren längs des Absorbers bzw. Entgasers unterschiedlichen Temperatur- und Konzentrationszuständen das Gleichgewicht mit der gesamten Gasphase herstellen muß, die über die gesamte Flüssigkeitsphase hin praktisch gleiche Zustandsparameter aufweist.
  • Auch bei einem anderen bekannten kombinierten Kompressions-Absorptionsverfahren (DE-C-84084) wird nach der Trennung der Dampfphase von der Flüssigkeitsphase des aus dem Entgaser abgezogenen Arbeitsmediums. die Dampfphase verdichtet und mit der Flüssigkeitsphase, nachdem diese in einem inneren Gegenstrom-Wärmetauscher von der aus dem Absorber abgezogenen, an Kältemittel reichen Lösung unter Abkühlung derselben erwärmt wurde, vor dem Eintritt in den Absorber wieder zusammengeführt. Im Entgaser, der auch als Verdampfer verstanden werden kann, wird das Arbeitsmedium durch eine Rohrschlange geführt und entzieht dabei aus einem abzukühlenden Raum Wärme. Derartige Rohrschlangenverdampfer, bei denen durch den Verlauf der Rohrschlange eine Zwangsbahn für das Arbeitsmedium herbeigeführt wird, werden auch als Trocken-Verdampfer im Gegensatz zu Überflutungs-Verdampfern bezeichnet, bei denen die Benetzung der Wärmeaustauschfläche mit der Flüssigkeitsphase gesteigert ist. Da aber bei diesem bekannten Verfahren die Temperatur auf der abzukühlenden wärmeabgebenden Seite des Entgasers über die ganze Länge der Rohrschlange hin praktisch konstant ist, läßt sich zwischen dem Eintritt und Austritt des Entgasers keine deutliche kontinuierliche Temperaturerhöhung und daher Konzentrationsabnahme des Kältemittels im Lösungsmittel entsprechend des vorstehend beschriebenen anderen bekannten Verfahrens (DE-A-2617351) erhalten, wo dieses Ziel durch Ausnutzung des Gegenstromprinzips erreicht wird.
  • Außerdem ist bei den bekannten Verfahren die Überhitzung des Kältemitteldampfes im Verdichter hoch, wodurch das mögliche Druckverhältnis begrenzt ist.
  • Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, ein hybrides Kompressions-Absorptionsverfahren der eingangs erwähnten Art sowie eine hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens derart zu gestalten, daß unter Vermeidung der genannten Nachteile der bekannten Verfahren ein energetisch höherer Wirkungsgrad erzielbar ist.
  • Dies wird gemäß der Erfindung bei dem Verfahren dadurch erreicht, daß durch die Wärmezufuhr in dem zweiten Wärmeaustauschvorgang auch das Lösungsmittel teilweise verdampft wird, daß entlang des Weges des Arbeitsmediums durch den zweiten Wärmeaustauschvorgang, vorzugsweise auch durch den ersten Wärmeaustauschvorgang die Konzentration des Kältemittels auch in der Dampfphase des Arbeitsmediums gleichzeitig und gemeinsam mit der der Flüssigkeitsphase kontinuierlich geändert wird, und daß dem Verdichtungsvorgang die Dampfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums, die aus dem zweiten Wärmeaustauschvorgang abgezogen werden, gleichzeitig und gemeinsam unterworfen werden.
  • Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird eine hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe mit einem Arbeitsmediumkreislauf bevorzugt, der einen Absorber, einen diesem über ein Expansionsventil nachgeschalteten Entgaser und einen diesem nachgeschalteten mechanischen Verdichter enthält, wobei der Absorber und der Entgaser als derartige Wärmetauscher ausgebildet sind, daß durch ihre Konstruktion zwischen ihrem Eingang und Ausgang eine der Flüssigkeitsphase und der Dampfphase des Arbeitsmediums gemeinsame, durch Leitelemente gebildete Zwangsbahn für das Arbeitsmedium herbeigeführt wird, daß zwischen den Absorber und das Expansionsventil einerseits und zwischen den Entgaser und den Verdichter andererseits ein innerer Gegenstrom-Wärmetauscher geschaltet ist, und daß der Ausgang des Entgasers über den inneren Wärmetauscher an den Verdichter ohne Leitungsverzweigung angeschlossen ist.
  • Im Sinne der Erfindung ist in einem als Arbeitsmedium ein Arbeitsstoffpaar aus einem Kältemittel und einem Lösungsmittel umwälzenden, mit einem mechanischen Verdichter versehenen System wenigstens der eine der mit der Umgebung einen Wärmeaustausch ermöglichenden Wärmetauscher eine zweckmäßigerweise aus Rohren oder Platten bestehende, so-genannte "trockene" Konstruktion, durch welche entlang der Wärmeaustauschfläche sowohl bezüglich der Flüssigkeitsphase als auch der Dampfphase des Arbeitsmediums zwischen dem Anfangs- und Endzustand sich kontinuierlich verändernde Konzentrationsverhältnisse bzw. diesen eindeutig zugeordnete, sich kontinuierlich verändernde Temperaturverhältnisse gewährleistet sind. Da außerdem im Arbeitsraum des Verdichters die auch einen Anteil an Lösungsmitteldampf enthaltende Dampfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums gleichzeitig und gemeinsam vorhanden sind, laufen während der Verdichtung die Vermischung der Dampf- und der Flüssigkeitsphase und das Inlösunggehen des Dampfes parallel mit der Druckerhöhung ab, so daß bei dem Verdichtungsvorgang zusätzlich auch die Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik der Lösungen ausgenutzt 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 und
    • Fig. 2 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 thermodynamischen System ein Arbeitsmedium aus einem Lösungsmittel und einem darin löslichen Kältemittel umgewälzt wird, als Wärmetauscher einen Absorber 1 und einen Entgaser 4 auf. Zwischen dem Absorber 1 und dem Entgaser 4 ist ein innerer Wärmetauscher 2 (Temperaturwechsler) und ein druckreduzierendes Expansionsventil 3 (zweckmäßigerweise ein Drosselventil) angeordnet. Hinter dem Entgaser 4 befindet sich ein innerer Wärmetauscher 2, in dem das aus dem Entgaser 4 austretende Arbeitsmedium im Gegenstrom zu der aus dem Absorber 1 austretenden Lösung strömt und aus dem der Weg des Arbeitsmediums zu einem mechanischen Verdichter 8 führt, dessen Ausgang 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 qq wird Kältemittel und Lösungsmittel in die Dampfphase des Arbeitsmediums überführt, wobei also diese Wärmemenge das Kältemittel aus der Lösung austreibt und den Lösungsmittelanteil verdampft 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 über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 2 in den Verdichter 8, der das zweiphasige Arbeitsmedium durch den Einsatz von mechanischer Arbeit q. auf das höhere Druckniveau des Absorbers 1 komprimiert.
  • Aus dem Verdichter 8 strömt das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch hohen Druckes wieder zurück in den Absorber 1, wo die Verdampfungswärme der Dampfphase und die Lösungswärme des Kältemittels, d.h. die Wärmemenge qo, bei einem sich verändernden Temperaturablauf entzogen bzw. für Heizungszwecke verwendet wird.
  • 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 Wärmetauschers 2 verbessert den thermischen Wirkungsgrad der Anlage.
  • Bei der erfindungsgemäßen Anlage werden daher die Phasen des aus dem Entgaser 4 austretenden zweiphasigen Arbeitsmediums nicht getrennt, sondern sie gelangen - nach Passieren des inneren Wärmeaustauschers 2 - . zusammen und gleichzeitig in den Arbeitsraum des Verdichters 8, 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.
  • Ein sehr großer Vorteil dieser "nassen" Verdichtung liegt darin, daß während der Verdichtung die Vermischung der Dampfphase und der Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums und das Inlösunggehen des Dampfes parallel mit der. Druckerhöhung abläuft, 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 Verdichtung.
  • Hinsichtlich der Dampfphase kann diese Situation also so bewertet werden, als ob sich parallel mit der Verdichtung auch ein gleichmäßiger und kontinuierlicher Rückkühlungsvorgang abspielen würde. Die energetische Bedeutung dieser Erscheinung ist für einen Fachmann wohlbekannt. Eine weitere, die Verdichtungsarbeit 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 Verdichtung ab, was hinsichtlich der konstruktiven Merkmale des Verdichters sowie der verwendbaren Werkstoffe von entscheidender Bedeutung ist. Das Druckverhältnis der einstufigen Verdichtung 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.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 2. hat den Vorteil, daß sie die guten Eigenschaften des zu Fig. 1 behandelten Arbeitsmediumkreislaufs und der Absorptionsmaschinen als Antriebskreislauf vereinigt, da diese Ausführungsform aus Fig. 2 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 Wärmetauschern überbrückt werden kann, bzw. bei gleichen äußeren Umgebungsverhältnissen diese erfindungsgemäße Anlage nahezu eine doppeltsogroße Leistungsziffer ε aufweist:
  • Das flüssige Arbeitsmedium strömt aus dem Absorber 1 in der schon bekannten Art und Weise über die eine Seite des inneren Wärmetauschers 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 Flüssigkeitsphase und die Dampfphase gelangen über die andere Seite des inneren Wärmetauschers 2 in den Verdichter 8, in welchem sich die "nasse" Verdichtung abspielt.
  • Das Arbeitsmedium wird von dem Verdichter 8 in den Absorber 19 des Antriebskreislaufs gedrückt. Hier wird die Dampfphase des Arbeitsmediums kondensiert und das Kältemittel in einer aus einem Kessel 18 kommenden armen Lösung aufgelöst, wobei das Arbeitsmedium seine Verdampfungs- und Lösungswärme qo2 abgibt.
  • Aus dem Absorber 19 strömt die reiche Lösung mit Hilfe einer Lösungspumpe 6 über die eine Seite eines inneren Wärmetauschers 12 des Antriebskreislaufs in den Kessel 18, in welchem aus dieser reichen Lösung mit Hilfe einer äußeren Energiemenge qk hohen Temperaturniveaus der an Kältemittel reiche Dampf wieder ausgetrieben wird.
  • Die arme Lösung strömt über die andere Seite des inneren Wärmeaustauschers 12 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 geschlossen.
  • 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.
  • Zusammenfassung 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 Betriebskennwerte optimiert werden können.

Claims (5)

1. Hybrides Kompressions-Absorptionsverfahren für das Betreiben von Wärmepumpen oder Kältemaschinen, mit einem Arbeitsmedium aus einem Lösungsmittel und einem darin löslichen Kältemittel, bei welchem in einem ersten Wärmeaustauschvorgang das Kältemittel in dem Lösungsmittel unter Wärmeentzug gelöst wird und nach Expansion des als Flüssigkeitsphase aus dem Lösungsmittel und dem darin gelösten Kältemittel aus dem ersten Wärmeaustauschvorgang abgeführten Arbeitsmediums diesem in einem zweiten Wärmeaustauschvorgang Wärme zugeführt wird und dadurch das in dem Lösungsmittel gelöste Kältemittel wenigstens teilweise als Dampfphase ausgetrieben wird, und in einem Verdichtungsvorgang die aus dem zweiten Wärmeaustauschvorgang abgezogene Dampfphase des Arbeitsmediums verdichtet wird, wobei entlang des Weges des Arbeitsmediums durch den zweiten Wärmeaustauschvorgang, vorzugsweise auch durch den ersten Wärmeaustauschvorgang die Konzentration des Kältemittels in der Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums kontinuierlich geändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Wärmezufuhr in dem zweiten Wärmeaustauschvorgang auch das Lösungsmittel teilweise verdampft wird, daß entlang des Weges des Arbeitsmediums durch den zweiten Wärmeaustauschvorgang, vorzugsweise auch durch den ersten Wärmeaustauschvorgang die Konzentration des Kältemittels auch in der Dampfphase des Arbeitsmediums gleichzeitig und gemeinsam mit der der Flüssigkeitsphase kontinuierlich geändert wird, und daß dem Verdichtungsvorgang die Dampfphase und die Flüssigkeitsphase des Arbeitsmediums, die aus dem zweiten Wärmeaustauschvorgang abgezogen werden, gleichzeitig und gemeinsam unterworfen werden.
. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem ersten Wärmeaustauschvorgang abgezogene Arbeitsmedium vor dem Verdichtungsvorgang im Gegenstrom in den inneren Wärmeaustausch mit dem Arbeitsmedium vor der Expansion gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Verdichtungsvorgang abgezogene Arbeitsmedium in einem dritten Wärmeaustauschvorgang unter Wärmeentzug mit einer an Kältemittel armen Lösung vermischt und dadurch seine Dampfphase kondensiert und deren Kältemittel absorbiert wird, daß dann aus der aus dem dritten Wärmeaustauschvorgang abgezogenen, an Kältemittel reichen Lösung in einem vierten Wärmeaustauschvorgang durch Wärmezufuhr das Kältemittel ausgetrieben und ein Teil des Lösungsmittels verdampft werden, daß die dadurch entstehende, an Kältemittel arme Lösung in den Wärmeaustausch mit der aus dem dritten Wärmeaustauschvorgang abgezogenen, an Kältemittel reichen Lösung gebracht und danach expandiert und in den dritten Wärmeaustauschvorgang zurückgeführt wird, und daß der aus dem vierten Wärmeaustauschvorgang abgezogene Kältemittel- und Lösungsmitteldampf unter Erzeugung von mechanischer Energie, die als Antriebsenergie des Verdichtungsvorganges verwendet wird, expandiert und in den ersten Wärmeaustauschvorgang zurückgeführt wird.
4. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, mit einem Arbeitsmediumkreislauf, der einen Absorber (1), einen diesem über ein Expansionsventil (3) nachgeschalteten Entgaser (4) und einen diesem nachgeschalteten mechanischen Verdichter (8) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (1) und der Entgaser (4) als derartige Wärmetauscher ausgebildet sind, daß durch ihre Konstruktion zwischen ihrem Eingang und Ausgang eine der Flüssigkeitsphase und der Dampfphase des Arbeitsmediums gemeinsame, durch Leitelemente gebildete Zwangsbahn für das Arbeitsmedium herbeigeführt wird, daß zwischen den Absorber (1) und das Expansionsventil (3) einerseits und zwischen den Entgaser (4) und den Verdichter (8) andererseits ein innerer Gegenstrom-Wärmetauscher (2) geschaltet ist, und daß der Ausgang des Entgasers (4) über den inneren Wärmetauscher (2) an den Verdichter (8) ohne Leitungsverzweigung angeschlossen ist.
5. Hybride Kältemaschine oder Wärmepumpe nach Anspruch 4, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verdichters (8) an einen Absorber (19) eines Antriebskreislaufs angeschlossen ist, der einen seinen Absorber (19) nachgeschalteten Kessel (18) aufweist, der flüssigkeitsphasenseitig über ein zweites Expansionsventil (3) an den Absorber (19) des Antriebskreislaufs und dampfseitig über eine mechanische Expansionsmaschine (17), die als Antrieb des Verdichters (8) mit diesem gekuppelt ist, an den Absorber (1) des Lösungskreislaufs angeschlossen ist, wobei zwischen den Kessel (18) und das Expansionsventil (3) des Antriebskreislaufs einerseits, und dessen Absorber (19) und den Kessel (18) andererseits ein innerer Wärmetauscher (2) eingeschaltet ist.
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