WO2003046449A1 - Method and device for solar thermal refrigeration - Google Patents

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WO2003046449A1
WO2003046449A1 PCT/EP2002/013436 EP0213436W WO03046449A1 WO 2003046449 A1 WO2003046449 A1 WO 2003046449A1 EP 0213436 W EP0213436 W EP 0213436W WO 03046449 A1 WO03046449 A1 WO 03046449A1
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refrigeration
desorber
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Marcus Reuss
Peter Noeres
Daniel HÖLDER
Bernd Dietz
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F24S23/70Arrangements for concentrating solar-rays for solar heat collectors with reflectors
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    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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Definitions

  • the invention relates to a method for solar thermal refrigeration according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing such a method.
  • Processes for thermal cooling are part of the known prior art and are used primarily in the context of the recovery of waste heat and the associated secondary energy. Reference is made to a method for the use of waste heat from heating power plants according to the teaching according to DE 199 40 465 AI. Here, an absorption refrigeration device is described, which among other things. is also used for cooling a photovoltaic device.
  • Thermal refrigeration processes can be used wherever there is sufficient thermal energy, either in the form of waste heat or as primary energy.
  • thermal refrigeration processes results from the fact that energy forms which are otherwise unused in the environment, in particular thermal energy, can be used for technical purposes.
  • higher-quality forms of energy such as electrical energy or chemical energy stored in fuels, can be saved and / or the environmental pollution associated with energy generation due to pollutant emissions or carbon dioxide emissions can be reduced.
  • Thermal cooling processes therefore play an important role in energy projects for the purpose of environmental protection.
  • the method proposed here is used for solar thermal cooling and can e.g. for storage cooling, food cooling, air conditioning using ice stores, production of artificial snow, provision of cold for pumpable brine-ice mixtures as well as for process cooling.
  • Another interesting energy saving effect of solar thermal refrigeration is that the regenerative solar energy available in nature is as possible can be used directly and not via the detour of generating electricity.
  • the object on which the invention is based is therefore to specify an inexpensive and effective method and a device for cooling, which is based on the use of solar energy.
  • the object of the invention is achieved with a method for solar thermal refrigeration according to claim 1, wherein the subclaims contain at least useful refinements and developments.
  • the method is based on the principle of a two-stage absorption refrigerator known per se.
  • This comprises a refrigerant circulating in a refrigerant circuit, as well as an absorption or solvent circulating in two solvent circuits, together with evaporator, condenser, two expellers and two absorbers.
  • the thermal energy required for operating the desorber is collected in the form of solar energy within a solar heating system and supplied to the absorption medium in the solar heating system.
  • the method according to the invention can thus be used in any case emission-free and independent of existing electrical and district heating supply networks.
  • the cooling is preferably carried out continuously as part of the method.
  • an absorption chiller is used as the refrigeration system, which is designed as a two-stage water-ammonia AKM.
  • the mixture of substances called absorbent and refrigerant is separated within the solar heating system by their different evaporation temperatures in a desorber.
  • the refrigerant will then liquefied in a condenser and evaporated in an evaporator, whereby heat is extracted from the environment. Then the refrigerant vapor is absorbed again by the absorbent.
  • the absorption medium heated in the solar heating system can in principle be used for other purposes.
  • a parabolic trough collector is provided as part of a desorber, the focal point of which is extended to a focal line by the extruded parabolic shape of a collector mirror.
  • a heating section is thus formed within the focal line of the collector mirror, in which the absorbent flowing through is continuously heated.
  • the use of the parabolic trough collector is a particularly easy to implement, therefore inexpensive and particularly efficient due to the high concentration factor of the solar thermal energy within the focal line of the collector mirror of the solar thermal energy use.
  • Ammonia water is used as the working pair. This system has been known for a long time and can be mastered with existing technology. Both substances are available at low cost. Ammonia can be used without any problems, since with existing technology and due to the low odor threshold, NH3 leakages can be detected early.
  • a refrigerant is cooled in the evaporator to transport the cold to the actual place of use, then transported to the customer site and then returned to the evaporator.
  • the coolant can be an aqueous brine, water at temperatures above 0 ° C or a pumpable water (brine) - ice system. With this process, coolant temperatures down to -40 ° C are possible under favorable conditions.
  • the arrangement of the condenser and the absorber is actively cooled.
  • the active cooling of the condensers and / or the absorbers takes place by means of a liquid flow, for example a cooling water circuit.
  • cooling can be carried out by means of evaporative cooling systems.
  • this is designed by air cooling.
  • the refrigerant / absorbent / vapor mixture is passed over a heat exchange surface, which enables the most intensive possible thermal contact with the surrounding air.
  • the invention is formed by an arrangement of a desorber of an absorption refrigeration machine, which contains a heating section, which is located in a combustion zone of a solar collector or collector field and through which a medium flows, with a coupling to an arrangement comprising at least one rectification column and / or a steam separator, these components are connected in a solar circuit.
  • the solar collector or the collector array is expediently designed as a parabolic collector array with a linear tubular heating section.
  • Fig. 1 is a schematic overview of an embodiment of the solar thermal refrigeration according to the invention, including, among other things, a solar heating system designed as a parabolic trough collector field as part of a desorber and
  • Fig. 2 is a schematic representation of a parabolic trough collector.
  • Fig. 1 shows a basic embodiment for solar thermal refrigeration.
  • a mixture of water and ammonia is circulated by means of a circulation pump P4, which flows through a parabolic trough collector field PRK in a plurality of line branches 2, 3, 4 and via a throttle valve VI
  • Flow path 5 is supplied to a desorber Des2 with a steam separator DA and a rectification column RK.
  • the solvent, water in the application example described here, is conducted via flow paths 6, 7, 8, 9 in a solvent circuit with the desorber Des2, a solution heat exchanger LWT2, an absorber Abs2 and a throttle valve V3, which is circulated by a solvent pump P2.
  • a further desorption process is provided, which is designated in FIG. 1 by the flow paths 10, 11, 12, 13, 14, 15 and which contains a desorber Desl, another solution heat exchanger LWT1, and another absorber Absl with a throttle valve V2, which is circulated by a further solvent pump Pl.
  • Absorber Abs2 from the first solvent circuit and Desorber Desl from the further solvent circuit are included via a heat transfer circuit O
  • Flow paths 16, 17 coupled, which is driven by a circulation pump P3 and in which heat is transported from the absorber Abs2 to the desorber Desl.
  • the ammonia expelled from the desorbers Des2 and Des2 is fed via the flow paths 11, 20, 21, 22, 23, 24 to a refrigerant circuit, the one
  • the refrigerant circuit is connected to a circuit for cooling water 18, 19, which actively cools the absorber Absl and the condenser Koni, in a heat-transferring manner.
  • a coolant circuit 25, 26 is provided, which introduces the heat extracted from the environment into the evaporator Verl and is used, for example, as a coolant in the brine or cold water.
  • the Desorber Des2 provides the actual parabolic trough collector field PRK with the additional steam separator DA or
  • Ammonia is an uncritical medium compared to steel and the use of the two-stage process means that the operating pressures in a range of less than 25 bar overpressure are selected and therefore easy to control.
  • the almost water-free ammonia vapor released from the Desorber Des2 is deposited in the Koni condenser and expanded into the evaporator via the throttle valve V4.
  • the low-ammonia solution flowing out of the desorber Des2 flows into the absorber Abs2.
  • ammonia evaporating at low vapor pressure is absorbed again from the evaporator Verl.
  • the heat of absorption released in this process is conveyed via the heat transfer circuit into the further solvent circuit to the desorber Desl.
  • the heat transfer circuit into the further solvent circuit to the desorber Desl.
  • the solvent cycle has a significantly lower average water content, so that ammonia can be expelled from the solution at almost the same temperature level as in Absorber Abs2.
  • the steam released in the Desorber Desl is also deposited in the condenser Koni together with the steam from the Desorber Des2.
  • the solution depleted in ammonia from the desorber Desl is conveyed to the absorber Absl at a low pressure level. There the absorber takes up some of the ammonia released in the evaporator.
  • the solution, now enriched with ammonia, is conveyed back to the desorber and the solution cycle closes.
  • the solution cycle composed of Desorber Des2 and Absorber Abs2 works analogously.
  • temperature changers are used both in the solution circles and in the line between the condenser Koni and the evaporator Verl. These can partially compensate for the heat loss from the higher to the lower temperature or pressure level.
  • FIG. 2 shows the parabolic trough collector PRK used for steam generation in more detail.
  • a trough-shaped parabolic rail PS the cross section of which is essentially parabolic and the surface of which is reflective, produces a focal line in which there is a heating tube HR, through which the absorption medium flows continuously.
  • the absorption medium W occurs in liquid form as condensate W-KON.
  • the application example described here and shown in FIG. 1 is a mixture of ammonia and water.
  • the diameter of the header pipe, the throughput and the pipe lengths are determined in such a way that the medium reaches the desired pressures and temperatures in accordance with the required thermal performance, while maintaining the permissible flow velocities.
  • the medium can evaporate partially or not at all. In the latter case, a vapor container is connected downstream of the parabolic trough collector, in which flash evaporation with integrated rectification can take place.
  • air cooling can be carried out as active cooling, in which a fan continuously draws in air and ensures a continuous flow around the heat-emitting walls between the condenser Koni and the ambient air and prevents the formation of an insulating air layer. Even higher performance data and efficiencies are achieved if the process is recooled with river water, sea water or also with evaporative cooling systems.

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Abstract

The invention relates to a method of refrigeration by solar thermal means. On implementing the method, parabolic channel collectors are preferably employed. An adsorption refrigeration unit is preferably employed in the refrigeration process, in particular a two-stage water/NH3 absorption process. The above is embodied for the direct connection to a parabolic channel collector field and the high operating temperatures thus achievable. Very high back-cooling conditions of up to 50 °C and more are also achievable. The latter is particularly essential for hot countries. As temperatures of below 0 °C can also be achieved with said method, multiple application possibilities are given.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur solarthermischen Kälteerzeugung Method and device for solar thermal refrigeration
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.The invention relates to a method for solar thermal refrigeration according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing such a method.
Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung gehören zum vorbekannten Stand der Technik und werden vor allem im Rahmen der Verwertung anfallender Abwärme und der damit verbundenen Sekundärenergie genutzt. Verwiesen sei auf ein Verfahren zur Nutzung anfallender Abwärme an Heizkraftwerken gemäß der Lehre nach DE 199 40 465 AI. Hierbei wird eine Absorptionskälteeinrichtung beschrieben, die u.a. auch zur Kühlung einer Photovoltaikeinrichtung verwendet wird.Processes for thermal cooling are part of the known prior art and are used primarily in the context of the recovery of waste heat and the associated secondary energy. Reference is made to a method for the use of waste heat from heating power plants according to the teaching according to DE 199 40 465 AI. Here, an absorption refrigeration device is described, which among other things. is also used for cooling a photovoltaic device.
Thermische Kälteverfahren sind überall dort einsetzbar, wo Wärmeenergie, entweder in Form von Abwärme oder als Primärenergie in ausreichendem Maße verfügbar ist.Thermal refrigeration processes can be used wherever there is sufficient thermal energy, either in the form of waste heat or as primary energy.
Der Nutzen von thermischen Kälteverfahren ergibt sich daraus, dass ansonsten in die Umgebung ungenutzt abgegebene Energieformen, insbesondere Wärmeenergie, einer technischen Verwendung zugeführt werden können. Dadurch können höherwertige Energieformen, wie beispielsweise elektrische Energie oder in Brennstoffen gespeicherte chemische Energie eingespart und/oder die mit der Energieerzeugung verbundenen Umweltbelastungen durch Schadstoffemissionen oder Ausstoß von Kohlendioxid vermindert werden. Thermischen Kälteverfahren kommt somit eine wichtige Rolle bei Energieprojekten zum Zwecke des Umweltschutzes zu.The benefit of thermal refrigeration processes results from the fact that energy forms which are otherwise unused in the environment, in particular thermal energy, can be used for technical purposes. As a result, higher-quality forms of energy, such as electrical energy or chemical energy stored in fuels, can be saved and / or the environmental pollution associated with energy generation due to pollutant emissions or carbon dioxide emissions can be reduced. Thermal cooling processes therefore play an important role in energy projects for the purpose of environmental protection.
Das hier vorgeschlagene Verfahren dient der solarthermischen Kälteerzeugung und kann z.B. für die Lagerkühlung, Lebensmittelkühlung, Klimatisierung unter Nutzung von Eisspeichern, Erzeugung von Kunstschnee, Bereitstellung von Kälte für pumpfähige Sole-Eis-Gemische sowie zur Prozesskühlung eingesetzt werden.The method proposed here is used for solar thermal cooling and can e.g. for storage cooling, food cooling, air conditioning using ice stores, production of artificial snow, provision of cold for pumpable brine-ice mixtures as well as for process cooling.
Ein weiterer interessanter Energie-Einsparungseffekt solarthermischer Kälteerzeugung besteht darin, dass die in der Natur vorhandenen regenerative Solarenergie möglichst direkt und nicht über den Umweg der Erzeugung elektrischen Stromes genutzt werden kann.Another interesting energy saving effect of solar thermal refrigeration is that the regenerative solar energy available in nature is as possible can be used directly and not via the detour of generating electricity.
Die Nutzung solarer Energie ist einfach, kostengünstig und bietet damit besonders in Gegenden der Dritten Welt, die sich meist in Gebieten mit einer hohenThe use of solar energy is simple, inexpensive and thus offers particularly in areas of the third world, which are mostly in areas with a high
Jahressonnenscheindauer befinden, eine Möglichkeit, entweder kostengünstig elektrische Energie zu erzeugen oder die solare Energie direkt technisch zu nutzen.Annual sunshine duration, a possibility either to produce electrical energy inexpensively or to use the solar energy directly technically.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht somit darin, ein kostengünstiges und effektives Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung anzugeben, welches auf der Nutzung solarer Energie beruht.The object on which the invention is based is therefore to specify an inexpensive and effective method and a device for cooling, which is based on the use of solar energy.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung nach Anspruch 1, wobei die Unteransprüche mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen beinhalten.The object of the invention is achieved with a method for solar thermal refrigeration according to claim 1, wherein the subclaims contain at least useful refinements and developments.
Erfindungsgemäß basiert das Verfahren auf dem an sich bekannten Prinzip einer zweistufigen Absorptionskältemaschine. Diese umfasst ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel, sowie ein in zwei Lösungsmittelkreisläufen zirkulierendes Absorptions- oder Lösungsmittel nebst Verdampfer, Kondensator, zwei Austreibern und zwei Absorbern. Die für den Betrieb des Desorbers erforderliche Wärmeenergie wird erfindungsgemäß in Form von Sonnenenergie innerhalb einer solaren Heizanlage gesammelt und dem Absorptionsmedium in der solaren Heizungsanlage zugeführt.According to the invention, the method is based on the principle of a two-stage absorption refrigerator known per se. This comprises a refrigerant circulating in a refrigerant circuit, as well as an absorption or solvent circulating in two solvent circuits, together with evaporator, condenser, two expellers and two absorbers. According to the invention, the thermal energy required for operating the desorber is collected in the form of solar energy within a solar heating system and supplied to the absorption medium in the solar heating system.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit in jedem Falle emissionsfrei und unabhängig von vorhandenen elektrischen und Fernwärmeversorgungsnetzen einsetzbar.The method according to the invention can thus be used in any case emission-free and independent of existing electrical and district heating supply networks.
Vorzugsweise erfolgt die Kälteerzeugung im Rahmen des Verfahrens kontinuierlich. Als Kälteanlage kommt aus diesem Grunde eine Absorptionskältemaschine zur Anwendung, die als zweistufige Wasser-Ammoniak-AKM ausgeführt ist.The cooling is preferably carried out continuously as part of the method. For this reason, an absorption chiller is used as the refrigeration system, which is designed as a two-stage water-ammonia AKM.
Hierbei wird das als Arbeitspaar bezeichnete Stoffgemisch aus Absorptionsmittel und Kältemittel innerhalb der solaren Heizanlage durch deren unterschiedliche Verdampfungstemperaturen in einem Desorber geschieden. Das Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator verflüssigt und verdampft in einen Verdampfer, wodurch der Umgebung Wärme entzogen wird. Anschließend wird der Kältemitteldampf wieder vom Absorptionsmittel aufgenommen.Here, the mixture of substances called absorbent and refrigerant is separated within the solar heating system by their different evaporation temperatures in a desorber. The refrigerant will then liquefied in a condenser and evaporated in an evaporator, whereby heat is extracted from the environment. Then the refrigerant vapor is absorbed again by the absorbent.
Das in der solaren Heizanlage erhitzte Absorptionsmedium kann grundsätzlich zu weiteren Zwecken eingesetzt werden. So ist beispielsweise eine auf diesen basierende Warm- oder Heißwasserversorgung, sowie eine solarthermische Stromerzeugung mittels einer mit einem Generator gekoppelten Dampfturbine möglich. Damit ist eine flexible Verwendung der von der solaren Heizanlage gesammelten Wärmeenergie in Abhängigkeit von den bestehenden Einsatzaufgaben gewährleistet.The absorption medium heated in the solar heating system can in principle be used for other purposes. For example, a hot or hot water supply based on these, as well as solar thermal power generation by means of a steam turbine coupled to a generator, is possible. This ensures flexible use of the thermal energy collected by the solar heating system, depending on the existing application.
Für die solare Heiz- oder Energiegewinnungsanlage ist als Bestandteil eines Desorbers ein Parabolrinnenkollektor vorgesehen, dessen Brennpunkt durch die extrudierte Parabelform eines Kollektorspiegels zu einer Brennlinie ausgezogen ist. Mit Hilfe von Parabolrinnenkollektorsystemen können durch die Fokussierung der direktenFor the solar heating or energy recovery system, a parabolic trough collector is provided as part of a desorber, the focal point of which is extended to a focal line by the extruded parabolic shape of a collector mirror. With the help of parabolic trough collector systems, by focusing the direct
Sonnenstrahlung Temperaturen von 180 °C bei Kollektorwirkungsgraden von über 50% erzielt werden. Bei diesen hohen Temperaturen können Absorptionskälteprozesse wie der hier vorgestellte Wasser-NH3-Absorptionsprozeß zweistufig ausgeführt werden. Hierdurch kann die Effektivität des Prozesses, auch in der Literatur als COP (Kälteleistung/Thermische Antriebsleistung, Coefficient of Performance) nahezu verdoppelt werden. Der COP kann nach Abschätzungen für den hier betrachteten Betriebsfall (Verdampfertemperatur 0 °C, Kondensator und Absorber 1 bei 50°C sowie Temperatur des Desorbers 2 bei ca. 180°C) ein COP von 0.9 bis 1 erzielt werden. Das Arbeitspaar wird innerhalb eines in der Brennlinie befindlichen Heizrohres aufgeheizt und verdampft. Alternativ dazu kann dem Parabolrinnenkollektor ein Dampferzeuger nachgeschaltet sein.Solar radiation temperatures of 180 ° C with collector efficiencies of over 50% can be achieved. At these high temperatures, absorption cooling processes such as the water-NH3 absorption process presented here can be carried out in two stages. This can almost double the effectiveness of the process, also in the literature as COP (cooling capacity / thermal drive power, coefficient of performance). According to estimates for the operating case considered here (evaporator temperature 0 ° C, condenser and absorber 1 at 50 ° C and temperature of desorber 2 at approx. 180 ° C), the COP can achieve a COP of 0.9 to 1. The working pair is heated and evaporated within a heating pipe located in the focal line. Alternatively, a steam generator can be connected downstream of the parabolic trough collector.
Innerhalb der Brennlinie des Kollektorspiegels wird somit eine Heizstrecke gebildet, in der das durchfließende Absorptionsmittel kontinuierlich erhitzt wird. Die Anwendung des Parabolrinnenkollektors stellt eine besonders einfach zu realsierende, damit kostengünstige und durch den hohen Konzentrationsfaktor der solaren Wärmeenergie innerhalb der Brennlinie des Kollektorspiegels besonders effiziente Art der solaren Wärmeenergienutzung dar. Als Arbeitspaar wird Ammoniak-Wasser verwendet. Dieses System ist schon lange bekannt und kann mit vorhandener Technik gut beherrscht werden. Beide Stoffe sind kostengünstig verfügbar. Ammoniak kann ohne Probleme genutzt werden, da mit vorhandener Technik und aufgrund der niedrigen Geruchsschwelle NH3-Leckagen schon frühzeitig festgestellt werden können.A heating section is thus formed within the focal line of the collector mirror, in which the absorbent flowing through is continuously heated. The use of the parabolic trough collector is a particularly easy to implement, therefore inexpensive and particularly efficient due to the high concentration factor of the solar thermal energy within the focal line of the collector mirror of the solar thermal energy use. Ammonia water is used as the working pair. This system has been known for a long time and can be mastered with existing technology. Both substances are available at low cost. Ammonia can be used without any problems, since with existing technology and due to the low odor threshold, NH3 leakages can be detected early.
Für den Transport der Kälte zum eigentlichen Anwendungsort wird im Verdampfer ein Kälteträgermedium gekühlt, anschließend zum Abnehmerort transportiert und dann wieder zum Verdampfer zurückgefördert. Der Kälteträger kann eine wässrige Kältesole, Wasser bei Temperaturen über 0 °C oder auch ein pumpfähiges Wasser(Sole)- Eis- System darstellen. Mit diesem Prozess sind unter günstigen Bedingungen Kälteträgertemperaturen bis -40 °C möglich.A refrigerant is cooled in the evaporator to transport the cold to the actual place of use, then transported to the customer site and then returned to the evaporator. The coolant can be an aqueous brine, water at temperatures above 0 ° C or a pumpable water (brine) - ice system. With this process, coolant temperatures down to -40 ° C are possible under favorable conditions.
Zur Abfuhr der von der Kälteanlage aufgenommenen Wärme aus der Umgebung sowie der Solarwärme ist die Anordnung aus Kondensator sowie Absorber aktiv gekühlt.To remove the heat absorbed by the refrigeration system from the environment and the solar heat, the arrangement of the condenser and the absorber is actively cooled.
Bei einer ersten Ausführungsform erfolgt die aktive Kühlung der Kondensatoren und/oder der Absorber mittels einer Flüssigkeitsströmung beispielsweise eines Kühlwasserkreislaufs. Weiterhin kann eine Kühlung mittels Verdunstungsrückkühlwerken erfolgen.In a first embodiment, the active cooling of the condensers and / or the absorbers takes place by means of a liquid flow, for example a cooling water circuit. Furthermore, cooling can be carried out by means of evaporative cooling systems.
Bei einer weiteren Ausführungsform der aktiven Kühlung ist diese durch eine Luftkühlung ausgelegt. Hierbei wird das Kältemittel/Absorptionsmittel-Dampfgemisch über eine Wärmetauschfläche geleitet, welche einen möglichst intensiven Wärmekontakt mit der umgebenden Luft ermöglicht. Durch ein Gebläse wirdIn a further embodiment of the active cooling, this is designed by air cooling. Here, the refrigerant / absorbent / vapor mixture is passed over a heat exchange surface, which enables the most intensive possible thermal contact with the surrounding air. By a blower
Umgebungsluft angesaugt und mit der Wärmetauschfläche strömend in thermischen Kontakt gebracht.Ambient air sucked in and brought into thermal contact with the heat exchange surface.
Vorrichtungsseitig wird die Erfindung durch eine Anordnung aus einem Desorber einer Absorptionskältemaschine gebildet, der eine sich in einer Brennzone eines solaren Kollektors oder Kollektorfeldes befindliche, von einem Medium durchströmte Heizstrecke mit einer Kopplung zu einer Anordnung aus mindestens einer - Rektifizierkolonne und/oder einem Dampfabscheider enthält, wobei diese Komponenten in einen Solarkreislauf geschaltet sind. Zweckmäßigerweise ist der solare Kollektor oder das Kollektorfeld als ein Parabolkollektorfeld mit einer linearen röhrenförmigen Heizstrecke ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren zur solarthermischen Kälteerzeugung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Abbildungen Fig. 1 und Fig. 2.On the device side, the invention is formed by an arrangement of a desorber of an absorption refrigeration machine, which contains a heating section, which is located in a combustion zone of a solar collector or collector field and through which a medium flows, with a coupling to an arrangement comprising at least one rectification column and / or a steam separator, these components are connected in a solar circuit. The solar collector or the collector array is expediently designed as a parabolic collector array with a linear tubular heating section. The method according to the invention for solar thermal refrigeration will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying illustrations in FIGS. 1 and 2 serve to illustrate this.
Hierbei zeigt:Here shows:
Fig. 1 einen schematischen Gesamtüberblick über eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen solarthermischen Kälteerzeugung, umfassend unter anderem eine als Parabolrinnenkollektorfeld ausgeführte solare Heizanlage als Bestandteil eines Desorbers undFig. 1 is a schematic overview of an embodiment of the solar thermal refrigeration according to the invention, including, among other things, a solar heating system designed as a parabolic trough collector field as part of a desorber and
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Parabolrinnenkollektors.Fig. 2 is a schematic representation of a parabolic trough collector.
Fig. 1 zeigt eine prinzipielle Ausführungsform zur solarthermischen Kältererzeugung. In einem Solarkreislauf mit Fließwegen 1,2,3,4,5 wird ein Wasser-Ammoniak-Gemisch mittels einer Umwälzpumpe P4 umgetrieben, wobei dieses ein Parabolrinnenkollektorfeld PRK in einer Mehrzahl von Leitungsverzweigungen 2,3,4 durchströmt und über ein Drosselventil VI über den Fließweg 5 einem Desorber Des2 mit einem Dampfabscheider DA und einer Rektifikationskolonne RK zugeführt wird.Fig. 1 shows a basic embodiment for solar thermal refrigeration. In a solar circuit with flow paths 1, 2, 3, 4, 5, a mixture of water and ammonia is circulated by means of a circulation pump P4, which flows through a parabolic trough collector field PRK in a plurality of line branches 2, 3, 4 and via a throttle valve VI Flow path 5 is supplied to a desorber Des2 with a steam separator DA and a rectification column RK.
Das Lösungsmittel, im hier beschriebenen Anwendungsbeispiel Wasser, wird über Fließwege 6,7,8,9 in einem Lösungsmittelkreislauf mit dem Desorber Des2, einem Lösungswärmetauscher LWT2, einem Absorber Abs2 und einem Drosselventil V3 geführt, der von einer Lösungsmittelpumpe P2 umgewälzt wird.The solvent, water in the application example described here, is conducted via flow paths 6, 7, 8, 9 in a solvent circuit with the desorber Des2, a solution heat exchanger LWT2, an absorber Abs2 and a throttle valve V3, which is circulated by a solvent pump P2.
Weiterhin ist ein weiterer Desorptionsprozess vorgesehen, der in Fig. 1 durch die Fließwege 10,11,12,13,14,15 bezeichnet ist und der einen Desorber Desl, einen weiteren Lösungswärmetauscher LWT1, und einen weiteren Absorber Absl mit einem Drosselventil V2 enthält, der von einer weiteren Lösungsmittelpumpe Pl umgewälzt wird. Absorber Abs2 aus dem ersten Lösungsmittelkreislauf und Desorber Desl aus dem weiteren Lösungsmittelkreislauf sind über einen Wärmeträgerkreislauf mit OFurthermore, a further desorption process is provided, which is designated in FIG. 1 by the flow paths 10, 11, 12, 13, 14, 15 and which contains a desorber Desl, another solution heat exchanger LWT1, and another absorber Absl with a throttle valve V2, which is circulated by a further solvent pump Pl. Absorber Abs2 from the first solvent circuit and Desorber Desl from the further solvent circuit are included via a heat transfer circuit O
Fließwegen 16,17 gekoppelt, der von einer Umwälzpumpe P3 angetrieben wird und bei dem ein Wärmetransport vom Absorber Abs2 zum Desorber Desl erfolgt.Flow paths 16, 17 coupled, which is driven by a circulation pump P3 and in which heat is transported from the absorber Abs2 to the desorber Desl.
Das aus den Desorbern Des2 und Des2 ausgetriebene Ammoniak wird über die Fließwege 11,20,21,22,23,24 einem Kältemittelkreislauf zugeführt, der einenThe ammonia expelled from the desorbers Des2 and Des2 is fed via the flow paths 11, 20, 21, 22, 23, 24 to a refrigerant circuit, the one
Kondensator Koni und einen Vorkühler VK1 enthält. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Kreislauf für Kühlwasser 18,19, der der aktiven Kühlung des Absorbers Absl und des Kondensators Koni dient, in wärmeübertragender Weise verbunden.Contains capacitor Koni and a precooler VK1. The refrigerant circuit is connected to a circuit for cooling water 18, 19, which actively cools the absorber Absl and the condenser Koni, in a heat-transferring manner.
Weiterhin ist ein Kälteträgerkreislauf 25,26 vorgesehen, der die der Umgebung entzogene Wärme in den Verdampfer Verl einleitet und in dem Sole oder Kaltwasser beispielhaft als Kälteträger verwendet wird.Furthermore, a coolant circuit 25, 26 is provided, which introduces the heat extracted from the environment into the evaporator Verl and is used, for example, as a coolant in the brine or cold water.
Bei dem zweistufigen Prozess stellt der Desorber Des2 das eigentliche Parabolrinnen- Kollektorfeld PRK mit dem zusätzlichen Dampfabscheider DA bzw. derIn the two-stage process, the Desorber Des2 provides the actual parabolic trough collector field PRK with the additional steam separator DA or
Rektifikationskolonne RK dar. Ammoniak ist gegenüber Stahl ein unkritisches Medium und durch die Verwendung des zweistufigen Prozesses sind die Betriebsdrücke in einem Bereich kleiner als 25 bar Überdruck gewählt und somit gut zu beherrschen. Der aus dem Desorber Des2 freigesetzte, nahezu wasserfreie Ammoniakdampf wird im Kondensator Koni niedergeschlagen und über das Drosselventil V4 in den Verdampfer entspannt. Die aus dem Desorber Des2 ausfließende ammoniakarme Lösung strömt in den Absorber Abs2. Dort wird aus dem Verdampfer Verl auf niedrigem Dampfdruck verdampfendes Ammoniak wieder absorbiert. Die hierbei frei werdende Absorptionswärme wird über den Wärmeträgerkreislauf in den weiteren Lösungsmittelkreislauf zu dem Desorber Desl gefördert. In diesemRK rectification column. Ammonia is an uncritical medium compared to steel and the use of the two-stage process means that the operating pressures in a range of less than 25 bar overpressure are selected and therefore easy to control. The almost water-free ammonia vapor released from the Desorber Des2 is deposited in the Koni condenser and expanded into the evaporator via the throttle valve V4. The low-ammonia solution flowing out of the desorber Des2 flows into the absorber Abs2. There, ammonia evaporating at low vapor pressure is absorbed again from the evaporator Verl. The heat of absorption released in this process is conveyed via the heat transfer circuit into the further solvent circuit to the desorber Desl. In this
Lösungsmittelkreislauf herrscht ein deutlich geringerer mittlerer Wassergehalt, so dass bei nahezu demselben Temperaturniveau wie in Absorber Abs2 Ammoniak aus der Lösung ausgetrieben werden kann. Der im Desorber Desl freigesetzte Dampf wird ebenfalls im Kondensator Koni gemeinsam mit dem Dampf aus dem Desorber Des2 niedergeschlagen. Die aus dem Desorber Desl an Ammoniak verarmte Lösung wird zum Absorber Absl auf niedrigem Druckniveau gefördert. Dort nimmt der Absorber einen Teil des im Verdampfer freigesetzten Ammoniaks wieder auf. Die nun wieder an Ammoniak angereicherte Lösung wird zurück zum Desorber gefördert und der Lösungskreislauf schließt sich. Analog dazu arbeitet der aus Desorber Des2 und Absorber Abs2 sich zusammensetzende Lösungskreislauf. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades oder Prozesseffektivität (COP) werden sowohl in den Lösungskreisen als auch in der Leitung zwischen Kondensator Koni und Verdampfer Verl Temperaturwechsler eingesetzt. Diese können den Verlustwärmestrom vom höheren zum niedrigeren Temperatur- bzw. Druckniveau teilweise kompensieren.The solvent cycle has a significantly lower average water content, so that ammonia can be expelled from the solution at almost the same temperature level as in Absorber Abs2. The steam released in the Desorber Desl is also deposited in the condenser Koni together with the steam from the Desorber Des2. The solution depleted in ammonia from the desorber Desl is conveyed to the absorber Absl at a low pressure level. There the absorber takes up some of the ammonia released in the evaporator. The solution, now enriched with ammonia, is conveyed back to the desorber and the solution cycle closes. The solution cycle composed of Desorber Des2 and Absorber Abs2 works analogously. To increase the efficiency or process effectiveness (COP), temperature changers are used both in the solution circles and in the line between the condenser Koni and the evaporator Verl. These can partially compensate for the heat loss from the higher to the lower temperature or pressure level.
In Fig. 2 ist der zur Dampferzeugung dienende Parabolrinnenkollektor PRK detaillierter dargestellt. Eine rinnenförmige Parabolschiene PS, deren Querschnitt im wesentlichen parabelförmig ausgebildet ist und deren Oberfläche reflektierend gestaltet ist, erzeugt eine Brennlinie, in der sich ein Heizrohr HR befindet, welches vom Absorptionsmedium kontinuierlich durchströmt wird. Dabei tritt das Absorptionsmedium W in flüssiger Form als Kondensat W-KON ein. Im hier beschriebenen und in Fig. 1 dargestellten Anwendungsbeispiel handelt es sich um eine Mischung aus Ammoniak und Wasser. Der Durchmesser des Sammelrohres, die Durchsatzmenge sowie die Rohrlängen sind so bestimmt, dass entsprechend der geforderten thermischen Leistungen das Medium die gewünschten Drücke und Temperaturen erreicht, wobei die zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten einzuhalten sind. Das Medium kann teilweise oder gar nicht verdampfen. Für den letzteren Fall wird dem Parabolrinnenkollektor ein Brüdenbehälter nachgeschaltet, in dem eine Entspannungsverdampfung mit eingebundener Rektifikation stattfinden kann.2 shows the parabolic trough collector PRK used for steam generation in more detail. A trough-shaped parabolic rail PS, the cross section of which is essentially parabolic and the surface of which is reflective, produces a focal line in which there is a heating tube HR, through which the absorption medium flows continuously. The absorption medium W occurs in liquid form as condensate W-KON. The application example described here and shown in FIG. 1 is a mixture of ammonia and water. The diameter of the header pipe, the throughput and the pipe lengths are determined in such a way that the medium reaches the desired pressures and temperatures in accordance with the required thermal performance, while maintaining the permissible flow velocities. The medium can evaporate partially or not at all. In the latter case, a vapor container is connected downstream of the parabolic trough collector, in which flash evaporation with integrated rectification can take place.
Um einen möglichst großen Wirkungsgrad der Kälteanlage zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Betriebslast, d.h. die Temperaturdifferenz zwischen der unmittelbaren Umgebung des Kondensators Koni und dem Verdampfer Verl möglichst gering zu halten. Aus diesem Grund kann eine Luftkühlung als aktive Kühlung ausgeführt werden, bei der ein Gebläse fortwährend Luft ansaugt und eine kontinuierliche Strömung um die wärmeabgebenden Wände zwischen Kondensator Koni und Umgebungsluft gewährleistet und das Zustandekommen einer isolierenden Luftschicht verhindert. Noch höhere Leistungsdaten bzw. Wirkungsgrade werden erzielt, wenn mit Flusswasser, Seewasser oder auch mit Verdunstungsrückkühlwerken eine Rückkühlung des Prozesses eingerichtet wird.In order to achieve the greatest possible efficiency of the refrigeration system, it is advantageous to reduce the operating load, i.e. to keep the temperature difference between the immediate vicinity of the condenser Koni and the evaporator Verl as low as possible. For this reason, air cooling can be carried out as active cooling, in which a fan continuously draws in air and ensures a continuous flow around the heat-emitting walls between the condenser Koni and the ambient air and prevents the formation of an insulating air layer. Even higher performance data and efficiencies are achieved if the process is recooled with river water, sea water or also with evaporative cooling systems.
Bezugszeichenliste 1 ... 5 SolarkreislaufLIST OF REFERENCE NUMBERS 1 ... 5 solar circuit
12 ... 15 erster Lösungsmittelkreislauf12 ... 15 first solvent cycle
10, 11, Kältemittelkreislauf10, 11, refrigerant circuit
21 ... 2421 ... 24
16, 17 Wärmeträgerkreislauf16, 17 heat transfer circuit
18, 19 Kühlwasserkreislauf18, 19 cooling water circuit
27, 26 Kälteträgerkreislauf27, 26 refrigerant circuit
Absl Absorber 1Absl absorber 1
Abs2 Absorber 2Abs2 absorber 2
DA DampfabscheiderDA steam separator
Desl Desorber 1Desl Desorber 1
Des2 Desorber 2Des2 Desorber 2
HR HeizrohrHR heating tube
Koni KondensatorKoni capacitor
LWT LösungswärmetauscherLWT solution heat exchanger
RK RektifikationskolonneRK rectification column
Pl, P2 LösungsmittelpumpenPl, P2 solvent pumps
P3 Pumpe WärmeträgerkreislaufP3 Pump heat transfer circuit
P4 Umwälzpumpe KollektorfeldP4 circulation pump collector array
PRK Parabolrinnenkollektor, ParabolrinnenkollektorfeldPRK parabolic trough collector, parabolic trough collector field
PS ParabolrinnePS parabolic trough
VI ... V4 DrosselventileVI ... V4 throttle valves
Verl VerdampferLeave vaporizer
VK1 VorkühlerVK1 precooler
W-KON Absorptionsmedium, flüssigW-KON absorption medium, liquid
W-D Absorptionsmedium, Dampf W-D absorption medium, steam

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur thermischen Kälteerzeugung, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass - zur Kälteerzeugung eine auf dem Prinzip einer zweistufigen1. Process for thermal refrigeration, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et that - for refrigeration one on the principle of a two-stage
Absorptionskältemaschine beruhende Kälteanlage verwendet wird, wobeiAbsorption refrigerator based refrigeration system is used, wherein
- zur Verdampfung des Arbeitspaares eine Wärmezufuhr über eine mit solarer Energie betriebene Heizanlage erfolgt, die- For evaporation of the working couple, heat is supplied via a heating system operated with solar energy
- als Bestandteil eines Desorbers (Des2) der Absorptionskältemaschine ausgeführt ist.- Is designed as part of a desorber (Des2) of the absorption refrigerator.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et, dass eine kontinuierliche Kälteerzeugung in der Absorptionskältemaschine erfolgt.2. The method of claim 1, d a d u rc h g e ke n n ze i c h n et that continuous refrigeration takes place in the absorption refrigerator.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et, dass das von der solaren Heizanlage erhitzte Absorptionsmedium auch zur Erzeugung elektrischer Energie mittels eines mit einer Dampfturbine gekoppelten Generators oder einer damit vergleichbaren Vorrichtung genutzt wird.3. The method according to any one of claims 1 or 2, so that the absorption medium heated by the solar heating system is also used to generate electrical energy by means of a generator coupled to a steam turbine or a device comparable to it.
4. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass das von der solaren Heizanlage erhitzte Absorptionsmittel optional auch für Heizungsaufgaben genutzt wird.4. The method according to claim 2, so that the absorption medium heated by the solar heating system is optionally also used for heating tasks.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass die mit Solarenergie betriebene Heizanlage des Desorbers als ein Parabolrinnenkollektor (PRK) ausgeführt ist, wobei5. The method according to any one of claims 2 to 6, such that the desorber's heating system operated with solar energy is designed as a parabolic trough collector (PRK), wherein
- das Arbeitspaar innerhalb eines sich in einer Brennlinie eines Parabolspiegels befindlichen Heizrohres (HR) aufgeheizt wird und verdampft;- The working pair is heated and evaporated within a heating tube (HR) located in a focal line of a parabolic mirror;
- oder in einem dem Parabolrinnenkollektor nachgeschalteten Dampferzeuger verdampft wird.- Or is evaporated in a steam generator downstream of the parabolic trough collector.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u rc h ge ken n ze i c h n et, dass als Arbeitspaar Wasser als Lösungsmittel und Ammoniak als Kältemittel verwendet werden.6. The method according to any one of the preceding claims, dadu rc h ge ken n ze ichn et that water as the solvent and ammonia as the refrigerant can be used as the working pair.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da d u rch g eken nzei ch net, dass mit der Kälteanlage verbundene Verbraucher durch einen Kälteträger, insbesondere Kältesole, Wasser, Ammoniak oder dergleichen Kälteträgermittel mittels eines Kälteträgerkreislaufs (25,26) versorgt werden.7. The method according to any one of the preceding claims, since d u rch g eken nzei ch net that consumers connected to the refrigeration system are supplied by a refrigerant, in particular brine, water, ammonia or the like refrigerant by means of a refrigerant circuit (25, 26).
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da d u rch g eken nzeich net, dass eine Anordnung innerhalb der Kälteanlage vorhandener Kondensatoren (Koni) sowie Absorber (Absl) aktiv gekühlt ist.8. The method according to any one of the preceding claims, since d u rch g eken nzeich net that an arrangement within the refrigeration system existing condensers (Koni) and absorbers (Absl) is actively cooled.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u rch g e ken nzeich n et, dass die aktive Kühlung des Kondensators (Koni) mittels einer Flüssigkeitsströmung realisiert wird.9. The device according to claim 8, so that the active cooling of the condenser (Koni) is realized by means of a liquid flow.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, da d u rc h g e ken nzeich n et, dass die aktive Kühlung des Kondensators (Koni) und/oder des Absorbers mittels eines Kühlwasserkreislaufs (18,19) und/oder Verdunstungsrückkühlwerken erfolgt.10. The method according to any one of claims 8 or 9, since it is characterized by the fact that the active cooling of the condenser (Koni) and / or the absorber takes place by means of a cooling water circuit (18, 19) and / or evaporative cooling systems.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden11. Device for performing the method according to one of the preceding
Ansprüche, da d u rch g e ken nzeich n et, dass zur aktiven Kühlung des Kondensators (Koni) und des Absorbers (Absl) ein Gebläse und eine mit dem durch das Gebläse erzeugten Luftströmung in Wärmekontakt stehende Wärmeübertragerfläche vorhanden ist.Claims, since it is characterized by the fact that for the active cooling of the condenser (Koni) and the absorber (Absl) there is a blower and a heat transfer surface which is in thermal contact with the air flow generated by the blower.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g eke n n zei ch n et d u rch einen Desorber aus einem solaren Kollektorfeld mit einer innerhalb einer Brennzone des Kollektors angeordneten, von einem Medium durchströmten Heizstrecke mit einer Kopplung zu einer Anordnung aus mindestens einer Rektifizierkolonne (RK) und/oder einem Dampfabscheider (DA) in einem Solarkreislauf (1,2,3,4,5) 12. Device according to one of the preceding claims, g eke nn zei ch n et du rch a desorber from a solar collector field with a heating section arranged within a combustion zone of the collector and through which a medium flows and with a coupling to an arrangement comprising at least one rectification column (RK ) and / or a steam separator (DA) in a solar circuit (1,2,3,4,5)
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, geken nzeich net d u rch als ein Parabolkollektorfeld (PRK) ausgeführtes Kollektorfeld mit einer linearen durchströmten, röhrenförmigen Heizstrecke (HR). 12. The apparatus according to claim 11, characterized as a parabolic collector field (PRK) designed collector field with a linear flow, tubular heating section (HR).
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