WO1990010836A1 - Verdampfer für eine diffusionsabsorptionsanlage - Google Patents

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Hans Stierlin
John Ross Ferguson
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Hans Stierlin
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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
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/10—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type with inert gas
    • 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
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A30/00—Adapting or protecting infrastructure or their operation
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the present invention relates to an evaporator for a diffusion absorption system.
  • Diffusion absorption systems have long been known as small refrigeration systems for use in household refrigerators.
  • the efficiency of these absorption refrigeration systems has been significantly improved.
  • Such an aggregate is e.g. described in detail in Swiss Patent No. 475,527.
  • these units have a relatively low performance.
  • ammonia and water are used as substance pairs, the water being the absorbent substance and the ammonia the refrigerant.
  • Hydrogen or helium is generally used as the pressure-equalizing auxiliary gas.
  • the aim of the present invention is therefore to show an evaporator for a diffusion absorption system of high performance.
  • Figure 1 is a schematic representation of a diffusion absorption system of high performance.
  • Figure 2 is a partially cutaway partial view of an evaporator
  • FIG. 3 is a top view of the evaporator according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows the diagram of a diffusion absorption system with a high output.
  • a diffusion absorption system with a high output.
  • Such a unit comprises a gas burner 1 or another heat source, an expeller with a gas bubble pump 2 in which the refrigerant vapor is expelled.
  • This steam passes through a steam line into the condenser 4 via a triple heat exchanger 2a.
  • the refrigerant vapor condenses and the condensate flows through a condensate line into an evaporator 5, where it evaporates while absorbing heat.
  • the auxiliary gas which has become rich through the evaporation, flows into a gas heat exchanger 6 and cools the poor gas flowing in there.
  • the rich gas then flows into an absorber 3, where part of the refrigerant vapor is absorbed by the poor solution.
  • the solution that has become rich through the absorption process passes through the triple heat exchanger 2a into the expeller 2.
  • the refrigerant is expelled here, as mentioned, and the solution that has become poor is pumped up by means of the gas-bladed pump and thereby enabled to reach the top in the To flow absorber, the poor solution is also previously passed through the triple heat exchanger 2a.
  • the absorber 3 and the condenser 4 are flowed through by the medium of a secondary system absorbs heat there at a high temperature level.
  • the evaporator 5 is flowed through by a medium of a further secondary system, which supplies it with heat at a low temperature level.
  • FIG. 3 shows this coaxial arrangement in a top view.
  • the liquid of the secondary system which gives off heat to the evaporator, flows inside the tubes of these coils 9 to 12.
  • the liquid of the secondary system is fed in in parallel through inlets 23 to 26 and is removed at the end of the four coils through outlets 13 to 16.
  • the coils 9 to 12 are located in a cylindrical housing 17 which has a blind tube 18 on the inside.
  • the dummy tube 18 and the housing 17 are firmly connected at the top and bottom, each with a cover, the dummy tube being open to the surroundings, so that atmospheric pressure prevails inside the dummy tube.
  • the auxiliary gas used in the diffusion absorption heat pump flows in the space formed by the dummy tube 18 and the housing 17 along the outer surfaces of the tube coils.
  • the auxiliary gas is supplied through a gas inlet tube 28 and is carried away through a gas outlet tube 27.
  • the refrigerant, here ammonia comes from the condenser and is divided into four partial flows in order to be fed to the evaporator through feeds 19 to 22.
  • feeds 19 to 22 are arranged in the upper part of the absorber in such a way that the refrigerant is fed individually to the coils through one of each feeder 19 to 22 (FIG. 3).
  • the tubes of the coils 9 to 12 have a flat oval cross section. This can be seen in the cut part of FIG. 2.
  • This cross-sectional shape has considerable advantages over the usual circular cross-sections in several respects.
  • the heat transfer of the liquid of the secondary system is considerably improved by the form factor. The flatter the pipe profile, the better the heat transfer. Flattening the pipe profile also increases the pressure loss that occurs during the
  • the flat profile of the coils also has a favorable effect on the uniform distribution of the refrigerant over the entire pipe surface, a requirement that must be met for an efficient evaporator.
  • the poor auxiliary gas coming from the absorber passes through a gas heat exchanger into the upper part of the evaporator and is charged by the evaporating ammonia.
  • the thermal energy required by the evaporation process is taken from the medium of the secondary system.
  • the diffusion absorption heat pump shown here has an output of approx. 3 kW on the heat side, approx. 1 kW coming from the evaporation output of the evaporator.
  • this area is provided by four concentrically arranged coils. So that the evaporation can take place evenly over the entire surface area, it is necessary that every point of the pipe surface is provided with ammonia. There are two main measures for this. On the one hand, the individual turns of the coils are spaced from one another, as can be seen in FIG. 2. This can occur in the gap formed by this distance
  • each coil Collect ammonia due to its surface tension and flow spirally downwards, whereby part of the refrigerant is continuously distributed vertically downwards over the pipe surface and mixes again with the refrigerant in the gap formed by the next spiral.
  • the uppermost turn of each coil has an increased distance and therefore forms a larger gap. This ensures that the ammonia entering through the feeds 19 to 22 very quickly wets the entire radial circumference of a pipe coil.
  • the surface of the coils has to be such that uniform wetting is achieved. In the exemplary embodiment, this is achieved in that the tubes are provided with a cross profile, a so-called knurling.
  • the tube surface can also be obtained in a manner different from knurled, the decisive factor is its capillary effectiveness.
  • the tubes can be provided with tightly laid notches running spirally around the tubes.
  • Pipe spirals should be kept as small as possible. Likewise the Distance between the outermost pipe coil 9 and the cylindrical housing 17 and the innermost pipe coil 12 and the blind pipe 18. Because the gaps formed by these distances are flowed through by the poor auxiliary gas. The smaller this space is, the more effectively the ammonia diffuses into the gas (FIG. 2). However, these gaps must not be arbitrarily small, since otherwise the pressure drop for the auxiliary gas flowing through would result in too great a pressure loss, which would prevent sufficient circulation of the auxiliary gas in the overall system.
  • the blind tube 18 arranged inside the evaporator not only has the task of forming a small gap necessary for efficient diffusion, it also reduces the volume under pressure. This is of crucial importance for the safety of the apparatus (boiler formula).
  • the coils 13 to 16 Due to their concentric arrangement, the coils 13 to 16 have diameters of different sizes, which means that the tube surface of the individual coils also has different sizes. It must therefore be ensured that the individual coils are fed with different amounts of ammonia depending on their surface.
  • a distributor device which is connected between the condenser and the evaporator, divides this into four different partial flows of the ammonia.

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Abstract

Der Verdampfer weist vier konzentrisch angeordnete Rohrspiralen (9, 10, 11, 12) in einem Gehäuse (17) auf. Im Innern des Gehäuses ist ein Blindrohr (18) angeordnet. Das Kältemittel wird, in vier Teilströme aufgeteilt, durch vier Zuführungen (19, 20, 21, 22) auf die Rohrspiralen geführt. Die Profile der Rohre der Rohrspiralen sind flachoval ausgebildet. Eine gleichmässige Verteilung des Kältemittels wird einerseits durch eine kapillarwirksame Ausbildung der Rohroberflächen erreicht andererseits dadurch, dass die einzelnen Windungen der Rohrspiralen einen Spalt bilden, in welchem sich die Lösung sammelt, nach unten geführt und neu verteilt wird. Die im Verdampfer benötigte Wärme wird von einer Flüssigkeit eines Sekundärsystems, die im Innern der Rohrspiralen fliesst, zugeführt.

Description

Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage.
Diffusionsabsorptionsanlagen sind als Kleinkälteanlagen zur Verwendung in Haushaltkühlschränken seit langem bekannt. Diese Absorbtionskälteanlagen wurden bezüglich ihres Wirkungsgrads entscheidend verbessert. Ein solches Aggregat ist z.B. im Schweizer Patent Nr. 475 527 ausführlich beschrieben. Diese Aggregate weisen jedoch eine relativ geringe Leistung auf. Für grosse Kälteanla¬ gen, z.B. zur Klimatisierung oder zur Verwendung als Wärmepumpen in Heizanlagen sind sie deshalb nicht geeignet. In diesen Anlagen werden Ammoniak und Wasser als Stoffpaare eingesetzt, wobei das Wasser der absorbierende Stoff darstellt und das Ammoniak das Kältemittel. Als druckausgleichendes Hilfsgas wird in der Regel Wasserstoff oder Helium verwendet. Verdampfer in Anlagen, die eine grosse Leistung zu erbringen haben, müssen in der Lage sein, die dafür erforderlichen grossen Mengen an Kältemit¬ tel zu verdampfen und die Verdampfungswärme aus dem zu kühlenden Medium mit möglichst geringen Verlusten zu entnehmen. Bei den bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen kleiner Leistung wird die Verdampfungswärme aus der
Umgebungsluft bezogen. Bei grossen Anlagen ist das in der Regel nicht möglich oder unerwünscht, vielmehr soll die Verdampfungswärme mittels eines SekundärSystems mit flüssigem Medium zugeführt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist deshalb, einen Verdampfer für eine Diffusionsabsorptionsanlage grosser Leistung zu zeigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Verdampfer der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass in einem zylindrischen Gehäuse eine Rohrspirale angeordnet ist, deren Oberfläche kapilarwirksam ist, wobei sich die einzelnen Rohrspiral¬ windungen zu einander im Abstand befinden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Diffusionsab- sorptionsanlage grosser Leistung.
Figur 2 eine teilweise aufgeschnittene Teilansicht eines Verdampfers und
Figur 3 eine Aufsicht auf den Verdampfer gemäss Figur 2.
In Figur 1 ist das Schema einer Diffusionsabsorptionsanla- ge grosser Leistung dargestellt. Ein derartiges Aggregat umfasst einen Gasbrenner 1 oder eine andere Wärmequelle, einen Austreiber mit Gasblasenpumpe 2 in welchem der Kältemitteldampf ausgetrieben wird. Dieser Dampf gelangt über einen Dreifach-Wärmetauscher 2a durch eine Dampflei- tung in den Kondensator 4. Hier kondensiert der Kältemit¬ teldampf und das Kondensat fliesst durch eine Kondensat¬ leitung in einen Verdampfer 5, wo es unter Wärmeaufnahme verdampft. Das durch die Verdampfung reich gewordene Hilfsgas strömt in einen Gaswärmetauscher 6 und kühlt das dort einströmende arme Gas ab. Das reiche Gas strömt anschliessend in einen Absorber 3, wo ein Teil des Kältemitteldampfs durch die arme Lösung absorbiert wird. Die durch den Absorptionsvorgang reich gewordene Lösung gelangt über den Dreifach-Wärmetauscher 2a in den Austrei- ber 2. Das Kältemittel wird hier wie erwähnt ausgetrieben und die dadurch arm gewordene Lösung mittels der Gasbla¬ senpumpe hochgepumpt und dadurch in die Lage versetzt, oben in den Absorber zu fliessen, wobei die arme Lösung zuvor ebenfalls durch den Dreifach-Wärmetauscher 2a geleitet wird. Der Absorber 3 und der Kondensator 4 werden durch das Medium eines Sekundärsystems durchflössen, das dort Wärme auf einem hohen Temperaturniveau aufnimmt. Der Verdampfer 5 wird durch ein Medium eines weiteren Sekundärsystems durchflössen, das ihm Wärme auf einem tiefen Temperaturniveau zuführt.
In Figur 2 wird ein Verdampfer dargestellt. Dieser Verdampfer besteht aus vier koaxial angeordneten Rohr¬ schlangen 9 bis 12, wobei die äusserste Schlange 9 sichtbar ist und die inneren Schlangen 10 bis 12 im aufgeschnittenen Teil der Zeichnung im Querschnitt erkennbar sind. Die Figur 3 zeigt diese koaxiale Anordnung in der Aufsicht von oben. Im innern der Rohre dieser Rohrschlangen 9 bis 12 fliesst die Flüssigkeit des SekundärSystems, die dem Verdampfer Wärme abgibt. Die Einspeisung der Flüssigkeit des SekundärSystems erfolgt parallel durch Einlasse 23 bis 26 und wird am Ende der vier Rohrschlangen durch Auslässe 13 bis 16 entnommen. Die Rohrschlangen 9 bis 12 befinden sich in einem zylindri¬ schen Gehäuse 17, das im innern ein Blindrohr 18 aufweist. Das Blindrohr 18 und das Gehäuse 17 sind oben und unten mit je einem Deckel fest verbunden, wobei das Blindrohr offen gegenüber der Umgebung ist, damit innerhalb des Blindrohrs atmosphärischer Druck herrscht. Das in der Diffusionsabsorptionswärmepumpe verwendete Hilfsgas strömt in dem durch das Blindrohr 18 und dem Gehäuse 17 gebilde¬ ten Raum entlang den äusseren Oberflächen der Rohrschlan¬ gen. Zugeführt wird das Hilfsgas durch ein Gaseinlassrohr 28 und weggeführt wird es durch ein Gasauslassrohr 27. Das Kältemittel, hier Ammoniak, kommt aus dem Kondensor und wird in vier Teilströme aufgeteilt, um dem Verdampfer durch Zuführungen 19 bis 22 zugeführt zu werden. Diese Zuführungen 19 bis 22 sind im oberen Teil des Absorbers so angeordnet, dass den Rohrschlangen durch je eine der Zuführungen 19 bis 22 das Kältemittel einzeln zugeführt wird (Figur 3) . Die Rohre der Rohrschlangen 9 bis 12 weisen einen flachovalen Querschnitt auf. Dieser ist im aufgeschnitte¬ nen Teil der Figur 2 ersichtlich. Diese Querschnittsform weist gegenüber den sonst üblichen kreisrunden Querschnit- ten in mehrfacher Hinsicht erhebliche Vorteile auf. Zum einen wird nämlich der Wärmeübergang der Flüssigkeit des SekundärSystems durch den Formfaktor ganz erheblich verbessert. Der Wärmeübergang wird um so besser, je flacher das Rohrprofil ist. Eine Verflachung des Rohrpro- fils vergrössert aber auch den Druckverlust, der beim
Durchströmen der Flüssigkeit im innern der Rohre entsteht. Es hat sich gezeigt, dass ein Profil mit einer inneren lichten Weite von 4 mm bezüglich Wärmeübergangsverbesse¬ rung noch vertretbarem Druckverlust am günstigsten ist.
Das flache Profil der Rohrschlangen wirkt sich zum anderen aber auch günstig aus für die gleichmässige Verteilung des Kältemittels über die ganze Rohroberfläche, ein Erforder¬ nis, das für einen leistungsfähigen Verdampfer erfüllt werden muss. Das aus dem Absorber stammende arme Hilfsgas gelangt durch einen Gaswärmetauscher in den oberen Teil des Verdampfers und wird durch das verdampfende Ammoniak aufgeladen. Die durch den Verdampfungsvorgang benötigte Wärmeenergie wird dem Medium des SekundärSystems entnom- men. Die hier dargestellte Diffusionsabsorptionswärmepumpe weist wärmeseits eine Leistung von ca. 3 kW auf, wobei ca. 1 kW aus der Verdampfungsleistung des Verdampfers stammt. Um eine derart hohe Leistung zu erzielen, ist es erforder¬ lich, dass im Verdampfer eine grosse Oberfläche mit Kältemittel benetzt wird, damit dem Medium des Sekundär¬ systems ausreichend Wärmeenergie entzogen werden kann. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel wird diese Fläche durch vier konzentrisch angeordnete Rohrschlangen zur Verfügung gestellt. Damit die Verdampfung gleichmässig über dem ganzen Oberflächenbereich stattfinden kann, ist es notwendig, dass jede Stelle der Rohroberflächen konti- nuierlich mit Ammoniak versorgt wird. Dazu dienen im wesentlichen zwei Massnahmen. Zum einen sind die einzelnen Windungen der Rohrschlangen im Abstand zueinander angeord¬ net, wie dies aus Figur 2 entnommen werden kann. In dem durch diesen Abstand gebildeten Spalt kann sich das
Ammoniak infolge seiner Oberflächenspannung sammeln und spiralförmig nach unten fliessen, wobei kontinuierlich ein Teil des Kältemittels immer wieder über die Rohrfläche praktisch senkrecht nach unten verteilt wird und sich in dem durch den nächsten Spiralgang gebildeten Spalt mit dem dort vorhandenen Kältemittel wieder vermischt. Die oberste Windung jeder Rohrschlange weist einen erhöhten Abstand auf und bildet demnach einen grösseren Spalt. Dies gewährleistet, dass das durch die Zuführungen 19 bis 22 eintretende Ammoniak sehr schnell den ganzen radialen Umfang einer Rohrschlange benetzt. Zum andern hat die Oberfläche der Rohrschlangen so beschaffen zu sein, dass eine gleichmässige Benetzung zustande kommt. Im Ausfüh¬ rungsbeispiel wird das dadurch erreicht, dass die Rohre mit einem Kreuzprofil, einer sogenannten Rändelung, versehen sind. Bei diesem Profil ist darauf zu achten, dass die einzelnen Einkerbungen durchgehend sind und bei den Kreuzungen mit den quer dazu verlaufenden Kerbungen nicht verschlossen werden. Dies gewährleistet eine ausserordentlich gute Benetzung der ganzen Rohroberflächen mit einer dünnen Kältemittelschicht. Zudem vergrössert diese Randrierung die Oberfläche der Rohre. Das Ammoniak wird auf der Rohroberfläche gleichsam verwirbelt.
Die Rohroberfläche kann auch anders als gerändelt beschaf¬ fen sein, entscheidend ist ihre Kapilarwirksamkeit. So können beispielsweise die Rohre mit eng gelegten spiralig um die Rohre verlaufende Kerben versehen werden.
Der Abstand zwischen den konzentrisch angeordneten
Rohrspiralen ist möglichst klein zu halten. Ebenso der Abstand zwischen der äussersten Rohrschlange 9 und dem zylindrischen Gehäuse 17 und der innersten Rohrschlange 12 und dem Blindrohr 18. Denn die durch diese Abstände gebildeten Spalte werden durch das arme Hilfsgas durch- strömt. Je kleiner dieser Raum ist, desto effektiver erfolgt die Diffusion des Ammoniaks in das Gas (Figur 2) . Allerdings dürfen diese Zwischenräume nicht beliebig klein sein, da sonst für das durchströmende Hilfsgas ein zu grosser Druckverlust entstehen würde, der eine hinreichen- de Zirkulation des Hilfsgases im Gesamtsystem verhindern würde. Das im innern des Verdampfers angeordnete Blindrohr 18 hat aber nicht nur die Aufgabe, einen für eine lei¬ stungsfähige Diffusions notwendigen geringen Spalt zu bilden, es reduziert auch das unter Druck stehende Volumen. Dies ist für die Sicherheit des Apparats von entscheidender Bedeutung (Kesselformel) .
Die Rohrschlangen 13 bis 16 besitzen infolge ihrer konzentrischen Anordnung verschieden grosse Durchmesser, dadurch wird auch die Rohroberfläche der einzelnen Schlangen unterschiedlich gross. Es muss also dafür gesorgt werden, dass die einzelnen Rohrschlangen ihrer Oberfläche entsprechend mit verschieden grossen Mengen von Ammoniak gespeist werden. Eine Verteilervorrichtung die zwischen Kondensator und Verdampfer geschaltet ist, nimmt diese Aufteilung in vier unterschiedliche Teilströme des Ammoniaks vor. Mit dem am Ausführungsbeispiel dargestell¬ ten Verdampfer wird es möglich, Diffusionsabsorptionswär- meanlagen mit ausreichend grossen Leistungen herzustellen, die in der Lage sind, als Wärmepumpen in Heizanlagen oder zum Zwecke der Klimatisierung Verwendung zu finden.

Claims

Patentansprüche
1. Verdampfer für eine Diffusionsabsortionsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zylindrischen Gehäuse (17) eine Rohrspirale (9) angeordnet ist, deren
Oberfläche kapilarwirksam ist, wobei sich die einzelnen Rohrspiralwindungen zu einander im Abstand befinden.
2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des Rohres der Rohrspirale flachoval ausgebildet ist.
3. Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Abstand der obersten Spiralwindung zur nächsten Spiralwindung grosser ist als die übrigen indungsabstände der Spirale.
4. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im innern des Verdampfergehäuses koaxial ein Blindrohr (18) angeordnet ist.
5. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere weitere Rohrspi¬ ralen (10,11,12) im Verdampfergehäuse (17) vorgesehen sind, die zur ersten Rohrspirale (9) koaxial verlaufen.
6. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspira¬ len gerändelt ausgebildet ist.
7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohroberfläche der Rohrspira¬ len mit spiralig um die Rohre verlaufenden Kerben versehen ist.
PCT/CH1990/000068 1989-03-14 1990-03-14 Verdampfer für eine diffusionsabsorptionsanlage WO1990010836A1 (de)

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