SE470412B

SE470412B - Absorption machine with self-circulation

Info

Publication number: SE470412B
Application number: SE8703128A
Authority: SE
Inventors: Aake Jernqvist; Katarina Eriksson
Original assignee: Ekstroem K A & Son Nya Ab
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1987-08-12
Publication date: 1994-02-14
Also published as: SE8703128D0; SE8703128L

Abstract

Absorption machine, comprising an absorber 10, an evaporator 11, a generator 12 and a condenser 13, a working medium solution being made to circulate through the absorber and the generator, and working medium separated in the generator is, through the condenser and the evaporator, returned to the working medium solution in the absorber. According to the invention, the absorber 10 and the evaporator 11 on the one hand and the generator 12 and the condenser 13 on the other hand are arranged at different levels to maintain a pressure difference between the absorber/evaporator and the generator/condenser by virtue of said level difference and the liquid columns between the absorber and the generator and, respectively, the evaporator and the condenser, which results in self-circulation of the working medium solution by virtue of the thermosiphon effect. <IMAGE>

Description

470 412 värmeväxling mellan den starka och den svaga arbetsmedielösningen resp mellan arbetsmedieångan från generatorn och kondensatet från kondensorn. Värme avges vid en högre nivå från absorbatorn och får avgå som förlustvärme vid en lägre nivå från kondensorn. Absorbatorn och förångaren arbetar vid ett högre tryck och generatorn och kondensorn vid ett lägre tryck. Värmetransformatorn arbetar sålunda vid tre temperaturnivåer och två trycknivåer. Förutom värmeenergi erfordras även elektrisk energi till pumparna för att hålla värmetransformatorn igång. 470 412 heat exchange between the strong and the weak working medium solution or between the working medium steam from the generator and the condensate from the condenser. Heat is emitted at a higher level from the absorber and may be emitted as loss heat at a lower level from the condenser. The absorber and evaporator operate at a higher pressure and the generator and condenser at a lower pressure. The heat transformer thus operates at three temperature levels and two pressure levels. In addition to heat energy, electrical energy is also required for the pumps to keep the heat transformer running.

I början av detta århundrade föreslogs absorptionsmaskiner, som arbetar enligt självcirkulationsprincipen, d v s utan pumpar eller andra rörliga delar. Platen-Munters' och Einstein-Szilards kylsystem är utförda enligt denna princip. Båda arbetar med absorptionscykler och i båda användes - förutom arbetsmedieparet - ett tredje, inert ämne för erhållande av olika partialtryck av arbetsmedieparet i de olika komponenterna i kylsystemet. I Platen-Munters' välkända kylsystem användes väte som detta tredje, inerta ämne, och i Einstein-Szilards kylsystem användes ammoniak som det tredje ämnet genom att den förekommer i både vätske- och gasform. I båda kylsystemen uppnås självcirkulation genom termosifonverkan.At the beginning of this century, absorption machines were proposed, which work according to the principle of self-circulation, i.e. without pumps or other moving parts. Platen-Munters' and Einstein-Szilard's cooling systems are designed according to this principle. Both work with absorption cycles and in both - in addition to the working medium pair - a third, inert substance was used to obtain different partial pressures of the working medium pair in the different components of the cooling system. In Platen-Munters' well-known cooling system, hydrogen was used as this third, inert substance, and in Einstein-Szilard's cooling system, ammonia was used as the third substance by being present in both liquid and gaseous form. In both cooling systems, self-circulation is achieved through thermosyphon action.

Med den allmänna elektrifieringen ersattes de flesta absorptionskylsystem med kompressorkylsystem, och det är också detta system som kommit till användning i de flesta - av de under de senaste årtiondena framtagna värmepumparna.With the general electrification, most absorption cooling systems were replaced by compressor cooling systems, and it is also this system that has come into use in most of the heat pumps developed in recent decades.

Absorptionssystemet har emellertid upplevt en renässans för . uppvärmningsändamål efter oljekriserna på 1970-talet, och under de senaste åren har många absorptionsvärmepumpar och värmetransformatorer tagits i drift, men i alla dessa användes pumpar för åstadkommande av cirkulationen och tryckskillnaden.However, the absorption system has experienced a renaissance. heating purposes after the oil crises in the 1970s, and in recent years many absorption heat pumps and heat transformers have been put into operation, but in all of these pumps were used to achieve the circulation and the pressure difference.

Uppfinningen avser en absorptionsvärmepump av det inledningsvis angivna slaget, och har tillkommit i ändamål att åstadkomma cirkulationen på ett nytt sätt, som varken kräver kompressor eller ett tredje, inert ämne.The invention relates to an absorption heat pump of the type indicated in the introduction, and has been added for the purpose of providing the circulation in a new way, which requires neither a compressor nor a third, inert substance.

I angivet syfte har absorptionsvärmepumpen enligt uppfinningen erhållit de kännetecken, som framgår av patentkravet 1.For the stated purpose, the absorption heat pump according to the invention has obtained the features which appear from claim 1.

För närmare förklaring av uppfinningen hänvisas till bifogade ritningar, på vilka FIG 1 är ett schema över en värmetransformator enligt uppfinningen, vilken arbetar med en flyktig komponent (vatten) och ett salt, och FIG 2 är ett schema över en värmetransformator enligt uppfinningen, vilken arbetar med tvâ flyktiga komponenter.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the accompanying drawings, in which Fig. 1 is a diagram of a heat transformer according to the invention, which operates with a volatile component (water) and a salt, and Fig. 2 is a diagram of a heat transformer according to the invention, which operates with two volatile components.

De utföranden av uppfinningen, som är visade på ritningarna, är pilotanläggningar med de däri ingående komponenterna utförda på enkelt sätt. De tillgodoser därför inte de krav, som kan ställas vid industriell tillämpning av uppfinningen.The embodiments of the invention shown in the drawings are pilot plants with the components included therein made in a simple manner. They therefore do not meet the requirements that can be set in the industrial application of the invention.

Den i FIG. l visade värmetransformatorn enligt uppfinningen är avsedd att tillföras spillvärme vid en lägre temperaturnivá (80 ä ll0°C) och att avge nyttovärme vid en högre temperaturnivà (l30 à l50°C), exempelvis för ånggenerering. Den arbetar med en flyktig komponent och ett salt, som i föreliggande fall antages bestå av vatten resp natriumhydroxid. Den betydande höjningen av kokpunkten hos vatten, som blandas med natriumhydroxid, möjliggör uppnàende av hög temperatur på nyttovärmet.The one in FIG. The heat transformer according to the invention shown is intended to be supplied with waste heat at a lower temperature level (80 to 110 ° C) and to emit useful heat at a higher temperature level (130 to 150 ° C), for example for steam generation. It works with a volatile component and a salt, which in the present case is assumed to consist of water or sodium hydroxide. The significant increase in the boiling point of water, which is mixed with sodium hydroxide, makes it possible to achieve a high temperature of the useful heat.

Värmetransformatorn enligt F10. l innefattar samma 470 412 komponenter som den van1iga värmetransformatorn, näm1igen en absorbator 10, en förångare 11, en generator 12 och en kondensor 13. Absorbatorn, förângaren och generatorn är utförda som mant1ade kär1. Så1unda innefattar absorbatorn 10 ett inre kär1 14 och en omgivande mante1 15, förångaren 11 ett inre kär1 16 och en mante1 17 samt generatorn 12 ett inre kär1 18 och en mante1 19. Kondensorn är visad som ett kär1 20 med en däri anordnad s1inga 21 men kan 1ika gärna vara utförd som ett mant1at kär1. Från förángarens 11 topp utgår en 1edning 22, som uppifrån går in i absorbatorns 10 kär1 14 och mynnar vid 23 nära kär1ets botten. Kär1et 14 är uppti11 genom en 1edning 24 förbundet med generatorns 12 kär1 18, där 1edningen 24 mynnar på en me11an1iggande nivå. Från kär1ets 18 nedre ände utgår en 1edning 25, som mynnar i nedre änden av absorbatorns 10 kär1 14 och är anordnad som en mante1 utanpå 1edningen 24. De koaxie11t anordnade 1edningarna 24 och 25 bi1dar en värmeväx1are me11an absorbator och generator, den enda värmeväx1are som ingår i värmetransformatorn.The heat transformer according to F10. 1 comprises the same 470,412 components as the usual heat transformer, namely an absorber 10, an evaporator 11, a generator 12 and a condenser 13. The absorber, evaporator and generator are designed as jacketed vessels. Thus, the absorber 10 comprises an inner vessel 14 and a surrounding mantle 15, the evaporator 11 an inner vessel 16 and a mantle 17 and the generator 12 an inner vessel 18 and a mantle 19. The condenser is shown as a vessel 20 with a loop 21 arranged therein. can 1ika like to be made as a mant1at kär1. From the top of the evaporator 11 a line 22 emerges, which from above enters the vessel 14 of the absorber 10 and opens at 23 near the bottom of the vessel. The vessel 14 is connected by a line 24 to the vessel 18 of the generator 12, where the line 24 opens at an intermediate level. From the lower end of the vessel 18 emerges a line 25, which opens into the lower end of the vessel 14 of the absorber 10 and is arranged as a jacket on the outside of the line 24. The coaxially arranged lines 24 and 25 form a heat exchanger between absorber and generator, the only heat exchanger included in the heat transformer.

Generatorns 12 kär1 18 är uppti11 genom en 1edning 26 via en cyk1onapparat 27 förbunden med kondensorns 13 kär1 20 uppti11, medan detta kär1 nedti11 genom en 1edning 28 är förbundet med förångarens 11 kär1 16 nedti11. Cyk1onapparatens 27 bottenut1opp är genom en 1edning 29 förbundet med 1edningen 25 i dennas övre de1.The core 18 of the generator 12 is connected upwards through a line 26 via a cyclone apparatus 27 to the core 20 of the condenser 13, while this core downwards through a line 28 is connected to the core 16 of the evaporator 11 downwards. The bottom outlet of the cyclone apparatus 27 is connected by a line 29 to the line 25 in its upper part.

S1ut1igen innefattar värmetransformatorn även en 1edning , som går från toppen av kondensorns 13 kär1 20 ned ti11 en vattenbehå11are 31.In addition, the heat transformer also comprises a line which runs from the top of the core 20 of the condenser 13 down to a water container 31.

Den beskrivna värmetransformatorn ska11 arbeta med sjä1vcirku1ation, och för uppnående av denna sjä1vcirku1ation ska11 me11an värmetransformatorns högtrycksde1, som innefattar absorbatorn 10 och förångaren 11, och värmetransformatorns 1ågtrycksde1, som innefattar generatorn 12 och kondensorn 13, upprätthå11as en tryckski11nad av stor1eksordningen 1 bar. Denna tryckski11nad uppnås för det aktue11a arbetsmedieparet genom att förângaren 11 är p1acerad på en nivå 10 m nedanför generatorn 12 och kondensorn 13, medan absorbatorn 10 är p1acerad på en nivå 7 m nedanför generatorn och kondensorn. Att absorbatorn och förångaren inte är p1acerade på samma nivå, ska11 förk1aras i den beskrivning av värmetransformatorns funktion, som nu fö1jer.The described heat transformer shall operate with self-circulation, and in order to achieve this self-circulation, between the high pressure part of the heat transformer, which comprises the absorber 10 and the evaporator 11, and the low pressure part of the heat transformer, which comprises the generator 12 and the condenser 11 of the pressure regulator 13. This pressure difference is achieved for the current working medium pair by the evaporator 11 being located at a level 10 m below the generator 12 and the condenser 13, while the absorber 10 is located at a level 7 m below the generator and the condenser. The fact that the absorber and the evaporator are not located at the same level must be explained in the description of the function of the heat transformer which now follows.

Generatorns 12 kär1 18 ti11föres en stark arbetsmedie1ösning, utspädd natriumhydroxid1ösning, genom 1edningen 24 på en me11an1iggande nivå i kär1et 18. Denna arbetsmedie1ösning kan ha en koncentration av natriumhydroxid på 40 ä 50 %, innebärande att dess kokpunkt 1igger vid cirka 14000. Då generatorn befinner sig på 1âgtrycksnivàn, är trycket i kär1et 18 cirka 0,1 bar, vi1ket innebär, att den starka arbetsmedie1ösningen i kär1et 18 kokar vid 80 ä 9000.The core 18 of the generator 12 is fed to a strong working medium solution, dilute sodium hydroxide solution, through line 24 at an intermediate level in the vessel 18. This working medium solution may have a concentration of sodium hydroxide of 40 to 50%, meaning that its boiling point is at about 14000. When the generator is at the pressure pressure level, the pressure in the vessel 18 is about 0.1 bar, which means that the strong working medium solution in the vessel 18 boils at 80 to 9000.

Vattnet avkokas från den starka arbetsmedie1ösningen i kär1et 18 genom att ett medium vid en temperatur på 80 ä 100°C får cirku1era genom mante1n 19 under ti11förse1 av värmeeffekten QG. Angan 1ämnar kär1ets 18 topp genom 1edningen 26, medan svag arbetsmedie1ösning, dvs koncentrerad natriumhydroxid1ösning, 1ämnar kär1et nedti11 genom 1edningen 25. För säkerstä11ande av att ingen natriumhydroxid fö1jer med ångan genom 1edningen 26 ti11 kondensorn 13, är cyk1onapparaten 27 inkopp1ad i 1edningen för avski1jning av eventue11t förekommande natriumhydroxid och återföring av denna ti11 1edningen genom 1edningen 29. I kondensorn 13 kondenseras ångan mede1st ky1vatten, som cirku1eras genom s1ingan 21 och bortför värmeeffekten QK vid en temperatur på 15 ä °C. Kondensatet 1ämnar kondensorn genom den som barometriskt fa11rör anordnade 1edningen 28 och ti11föres förängarens 11 kär1 16 vid dettas botten.The water is boiled from the strong working medium solution in the vessel 18 by allowing a medium at a temperature of 80 to 100 ° C to circulate through the jacket 19 while supplying the heating effect QG. The vapor leaves the top of the vessel 18 through the line 26, while weak working medium solution, i.e. concentrated sodium hydroxide solution, leaves the vessel down through the line 25. To ensure that no sodium hydroxide accompanies the vapor through the line 26 to the condenser 13, the cyclone device in the connection 27 is switched off. sodium hydroxide present and returning it to the feed through line 29. In condenser 13, the steam is condensed by means of cooling water, which is circulated through loop 21 and removes the heat effect QK at a temperature of 15 ° C. The condensate passes the condenser through the line 28 arranged as a barometric tube and is fed to the vessel 16 of the evaporator 11 at its bottom.

Vattnet i förångaren förängas genom att ett värmeavgivande medium får cirku1era genom mante1n 17 under ti11förse1 av värmeeffekten QF, och den bi1dade ångan avgår uppti11 i kär1et 16 genom 1edningen 22 för att ti11föras absorbatorns 10 kär1 14 vid den nära bottnen anordnade mynningen 23. Vid bottnen av kär1et 14 ti11föres även den genom 1edningen 25 kommande svaga arbetsmedie1ösningen från generatorn 12.The water in the evaporator is evaporated by allowing a heat-emitting medium to circulate through the jacket 17 while supplying the heating power QF, and the mixed steam escapes upwards into the vessel 16 through the line 22 to be supplied to the vessel 14 of the absorber 10 at the near bottom of the mouth 23. the vessel 14 is also supplied with the weak working medium solution coming through the line 25 from the generator 12.

Nyttovärmeeffekten QA uttages från absorbatorn genom att ett medium cirku1eras genom absorbatorns mante1 15.The useful heat output QA is extracted from the absorber by circulating a medium through the mantle of the absorber.

Som nämndes ovan, är förångaren 11 p1acerad på 3 m 1ägre nivå än absorbatorn 10, och an1edningen härti11 är att natriumhydroxid1ösningen i absorbator-generator-systemet har ungefär 1,4 gånger så stor täthet som vattnet i förångaren och pe1aren upp ti11 kondensorn, så att absorbatorn måste p1aceras högre för upprätthå11ande av den önskade tryckski11naden på 1 bar re1ativt generatorn 12.As mentioned above, the evaporator 11 is located at a level 3 m lower than the absorber 10, and the reason for this is that the sodium hydroxide solution in the absorber-generator system has about 1.4 times the density of the water in the evaporator and the column up to the condenser, so that the absorber must be placed higher in order to maintain the desired pressure difference of 1 bar relative to the generator 12.

I absorbatorn hâ11es arbetsmedie1ösningen just under kokpunkten. Den starka arbetsmedie1ösning, som 1ämnar absorbatorn, har högre temperatur och innehå11er mera vatten än den svaga arbetsmedie1ösning, som 1ämnar generatorn. Den starka arbetsmedie1ösningen har också 1ägre densitet. Därigenom tvingas den starka arbetsmedie1ösningen upp i 1edningen 24 ti11 generatorn.In the absorber, the working medium solution is kept just below the boiling point. The strong working medium solution which leaves the absorber has a higher temperature and contains more water than the weak working medium solution which leaves the generator. The strong working medium solution also has a lower density. As a result, the strong working medium solution is forced up into the line 24 to the generator.

Emedan trycket där är 1ägre, börjar den starka arbetsmedie1ösningen att koka på väg upp ti11 generatorn genom 1edningen 24 en1igt termosifonprincipen. För förhindrande av s k Geiser-effekt bör i ut1oppet från kär1et 14 ti11 1edningen 24 vara anordnad en strypning.While the pressure there is lower, the strong working medium solution begins to boil on its way up to the generator through the line 24 according to the thermosyphon principle. To prevent so-called Geiser effect, a choke should be provided in the outlet from the vessel 14 to the line 24.

Den starka arbetsmedie1ösningen i absorbatorn avgår ti11 generatorn genom termosifonverkan me11an den starka och den svaga arbetsmedie1ösningen under värmeväx1ing med den från generatorn ti11 absorbatorn överförda svaga arbetsmedie1ösningen, som så1unda uppvärmes. -20 470 M2 Vid start av värmetransformatorn sker avluftning genom ledningen 30 via vattenkärlet 3l, och denna ledning tjänar även som säkerhetsventil. Lämpligen är i ledningen 30 anordnad en backventil, som hindrar backflöde genom ledningen. Till ledningen 30 kan också eventuellt vara ansluten en vakuumpump för avluftning vid start.The strong working medium solution in the absorber is transferred to the generator by thermosyphon action between the strong and the weak working medium solution during heat exchange with the weak working medium solution transferred from the generator to the absorber, which is thus heated. -20 470 M2 When starting the heat transformer, venting takes place through the line 30 via the water vessel 31, and this line also serves as a safety valve. Suitably, a non-return valve is arranged in the line 30, which prevents back-flow through the line. A vacuum pump for venting at start-up may also be connected to line 30.

Tryckskillnaden mellan värmetransformatorns lâgtrycksdel och högtrycksdel angavs ovan vara av storleksordningen l bar (ca l - ca l,5 bar). Mindre tryckskillnader kan också fungera, men temperaturskillnaden mellan tillfört och avgivet värme blir då betydligt mindre, kanske rudimentär. Även större tryckskillnader skulle kunna ifrågakomma, men detta innebär högre anläggningskostnader utan nämnvärd ökning av temperaturskillnaden.The pressure difference between the low-pressure part of the heat transformer and the high-pressure part was stated above to be of the order of 1 bar (approx. 1 - approx. 1.5 bar). Smaller pressure differences can also work, but the temperature difference between applied and emitted heat will then be significantly smaller, perhaps rudimentary. Larger pressure differences could also be considered, but this means higher construction costs without a significant increase in the temperature difference.

Istället för natriumhydroxid kan i den beskrivna värmetransformatorn användas t ex litiumhydroxid eller kaliumhydroxid eller också en blandning av de nämnda hydroxiderna. ' I utförandet enligt FIG. 2 skall värmetransformatorn arbeta med två flyktiga ämnen (arbetsmediepar), varav det ena är svårflyktigt och det andra lättflyktigt, t ex trikloretylen och trikloretan eller isopentan och etylalkohol. Värmetransformatorn är utförd som i FIG. l med undantag av att ledningen 29 är ansluten direkt till ledningen 26 lcyklonapparaten 27 utelämnad) och att en förstärkare 32 (destillationskolonn) är inkopplad mellan generatorn l2 och ledningen 26. Denna förstärkare innefattar en mantel 33 och ett inre kärl 34 med bafflar 35, varvid kärlet 34 utgör en fortsättning på generatorns 12 kärl 18. I generatorn skiljes det lättflyktiga ämnet från det svårflyktiga ämnet genom avkokning under tillförsel av värmeeffekten QG, men då båda ämnena är flyktiga, kan 47Ü Linz en dei av det svårfiyktiga ämnet föija med det iättfiyktiga ämnet. Det åstadkommes därför en ytteriigare separering i förstärkaren 32 genom kyining, varvid värmeeffekten QF aviägsnas.Instead of sodium hydroxide, for example, lithium hydroxide or potassium hydroxide or a mixture of the mentioned hydroxides can be used in the described heat transformer. In the embodiment according to FIG. 2, the heat transformer must work with two volatile substances (working medium pairs), one of which is volatile and the other volatile, eg trichlorethylene and trichloroethane or isopentane and ethyl alcohol. The heat transformer is designed as in FIG. 1 except that line 29 is connected directly to line 26 (the cyclone apparatus 27 is omitted) and that an amplifier 32 (distillation column) is connected between generator 12 and line 26. This amplifier comprises a jacket 33 and an inner vessel 34 with baffles 35, wherein the vessel 34 is a continuation of the vessel 18 of the generator 12. In the generator the volatile substance is separated from the volatile substance by decoction while supplying the heat effect QG, but since both substances are volatile, 47Ü Linz one of the difficult substance can be added to the volatile substance. . Therefore, a further separation is provided in the amplifier 32 by cooling, whereby the heat effect QF is removed.

Väsentïigt vid de beskrivna utförandena är att cirkuïationen av arbetsmedieparet upprätthåïies genom sjäivcirkuiation, åstadkommen genom den föreiiggande tryckskiiinaden meiian absorbatorn och förångaren å ena sidan och generatorn och kondensorn å andra sidan, utan användning av pumpar eïier ett tredje, inert ämne.It is essential in the described embodiments that the circulation of the working medium pair is maintained by self-circulation, effected by the present pressure line with the absorber and the evaporator on the one hand and the generator and the condenser on the other hand, without the use of pumps or a third, inert substance.

Claims

10 15 20 25 30 35 470 412 PATENT CLAIMS

Absorption heat pump with self-circulation by thermosiphon effect, comprising absorber (10), evaporator (11), generator (12) and condenser (13) with the absorber and evaporator on the one hand and the generator and the condenser on the other hand arranged at different levels to maintain the for the self-circulation required pressure difference between absorber / evaporator and generator / condenser through the said level difference and the liquid columns between the absorber and the generator or the evaporator and the condenser, whereby a working medium solution is circulated through the absorber and generator and in the generator separate working medium by condenser and evaporator is returned to the working medium solution in the absorber and wherein the absorption heat pump is arranged as a heat transformer for absorbing heat at an intermediate temperature value and emitting heat at a lower and a higher temperature value, characterized in that the absorber and the evaporator are arranged on it the lower level and the generator and the condenser are arranged at the higher level and that the level difference is adapted to maintain the said pressure difference between the levels of the order of 1 bar.

Absorption machine according to claim 1, characterized in that the working medium solution consists of a volatile working medium and a salt.

Absorption machine according to claim 1, characterized in that the working medium solution consists of two volatile components with different volatility. k ä n n e - k ä n n e -

Absorption machine according to Claim 3, characterized in that an amplifier (32, 40) is arranged between the generator (12) and the condenser (13).