WO2012126023A2 - Solarkühlung mit einer ammoniak-wasser-absorptionskältemaschine - Google Patents

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WO2012126023A2
WO2012126023A2 PCT/AT2012/000065 AT2012000065W WO2012126023A2 WO 2012126023 A2 WO2012126023 A2 WO 2012126023A2 AT 2012000065 W AT2012000065 W AT 2012000065W WO 2012126023 A2 WO2012126023 A2 WO 2012126023A2
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Gerhard Kunze
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Solar Frost Labs Pty Ltd
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B27/00—Machines, plants or systems, using particular sources of energy
    • F25B27/002—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy
    • F25B27/007—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using solar energy in sorption type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/02—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a liquid, e.g. brine
    • 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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    • Y02A30/27—Relating to heating, ventilation or air conditioning [HVAC] technologies
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the invention relates to a single-stage ammonia-water absorption chiller. Although chillers consume a large proportion of electricity worldwide, no solar chiller has made a breakthrough yet. This is probably due to the complicated requirement profile that is placed on such a machine:
  • Cooling temperature should also allow freezing, as the most important
  • thermal solar collectors decreases with increasing temperature.
  • the recooling temperature should be as high as possible, because humid cooling towers do not work there. Instead, the waste heat should be able to be released into the ambient air.
  • the machine should also be able to cool in the night hours, where no sun shines.
  • Claim F is not only aimed at optimal
  • absorption chillers use rectifiers, which means that the mixed steam from the cooker flows upwards through a heat exchanger where heat is removed at a temperature higher than the condensation temperature, thereby condensing the water and from above flows back into the cooker.
  • Rectifiers consume energy, space and generate additional costs. Therefore, they are undesirable.
  • the generator of the first cycle transfers its ammonia vapor to the absorber of the second cycle, whereby the second cycle gets a higher concentration.
  • the second generator then forwards its vapor to the condenser, the condensate entering the evaporator where the cooling effect takes place and the resulting vapor returning to the first cycle via the first absorber. See: AT 500935.
  • the cold solution absorbs ammonia vapor at the surface, it creates a thin floating boundary layer with a high concentration, the density of which is much lower than that of the underlying solution. This largely prevents further absorption through the boundary layer.
  • a depressurizer as being a device in which ammonia-water solution is brought into a state where the ammonia vapor is simultaneously allowed to penetrate from the side or from below into the solution, so that no horizontal barrier layer can form. This is done, for example, by allowing the solution to flow through gravity through a gas space from top to bottom,
  • a solution heat exchanger is usually installed between the hot generator and the cold absorber, so that the boiled hot solution is passed from the generator in countercurrent to the enriched strong solution from the absorber. This preheated solution enters the generator and the absorber is fed with cold solution.
  • the task of the generator is to add heat to the solution so that ammonia can evaporate.
  • this is a container to which solution and heat are continuously fed, while also continuously the boiled solution and the vapor flow out of it.
  • the generator is used together with a steam pump, one could theoretically speak of a periodically repeated batch process, because the pump strokes of the steam pump typically take one to several minutes.
  • it does not make sense to abandon the concept of continuity in such a case, because the generator pressure and also the output of steam and boiled solution remain almost constant. This is not the case with the present invention (see below), therefore it differs as a true batch process from such quasicontinuous systems.
  • the object of the absorber is to reintroduce the solution which has been boiled out in the generator to the ammonia vapor coming from the evaporator and to dissolve it therein.
  • the resulting heat of dissolution must be removed from the absorber. This can, as in the classic ammonia water chillers happen so that the trickle solution in an ammonia atmosphere trickle over internally cooled pipes or run in the "falling-film" process in a vertical pipe along the cooled from the outside pipe inner wall.
  • the efficiency of the falling-film process can be further enhanced by: one inserts in the pipe a voltage applied to the pipe inner wall wire spiral.
  • a plate system as described in AT506358 is useful for ammonia-water absorption refrigerators only to a limited extent.
  • the main problem with ammonia is that the system must be completely leakproof under all operating conditions. It is not only about the tightness to the outside but also about inner tightness between components with different operating pressure. From the logic of the plate system follows that in an absorption chiller usually on one and the same plate zones with different pressure adjacent to each other. Soldered plates typically withstand pressures up to 15 bar, glued plates adhere even worse, but the operating pressure in ammonia water chillers can be significantly higher, especially in hot climates (with higher condenser temperatures).
  • the entire chiller would be housed in a single block, would be hot and cold . Cold zones next to each other and the resulting thermal bridges would reduce the thermal efficiency of the machine sensitive.
  • the generator Since there should be no solution pump, the generator must reduce its pressure automatically after complete processing of a portion of solution under the pressure of the absorber, so that from there solution can flow over a check valve in the generator.
  • the pressure reducer drains excess gas from the generator to the absorber before it is triggered, and is triggered only when the generator pressure is only slightly above the absorber pressure, the pressure reducer can be made smaller and its action is faster. This increases the cooling capacity per volume of the whole machine.
  • the invention is not to be realized by a juxtaposition of components, each of which solves one of the tasks set, as is done in conventional plant construction, but by a simple and homogeneous system in which all the different functions the same basic idea and their construction grown.
  • a single-stage ammonia water absorption chiller with low heating temperature, high recooling temperature and low cooling temperature to build batch process without solution pump and without rectification, where all steps of the solution concentration optimization happen in the generator is achieved according to the invention that the generator together with a recooled input vessel and the pressure reducer form a construction and pressure unit, wherein the pressure reducer lowers the generator pressure at the beginning of each cycle under the absorber pressure, so that from there via a check valve solution flows into the recooled generator inlet vessel, this fills and that from there the solution of gravity gradually flowing into a hot zone, which may advantageously but not necessarily consist of a heated from the absorber ago preheating and an externally heated hot zone, where ammonia vapor is formed, with a Sipho From the bottom flows through the still remaining in the generator inlet vessel residual solution and where from the upper end of this generator input vessel, a gas line through a check valve to the condenser, while flowing out of the hot zone boiled solution flows through the pressure reducer and through
  • - Siphon or siphon consisting of a pipe which leads from the top of the heated generator zone upwards to above the top of the cooled inlet vessel, turns down there again and leads to the bottom of the cooled inlet vessel into which it opens.
  • - Siphon or siphon consisting of a pipe leading from the top of the cooled inlet vessel down to the inlet of the hot zone of the generator where it discharges into a small solution tank.
  • the task of building a pressure reducer which is triggered at the end of the cycle by the change from solution to gas and which, as soon as the generator has sucked enough solution breaks off the pressure drop action, can according to the invention by two superimposed recooled containers passing through two or more lines or siphons are connected to be solved, wherein during the generator process, the path of the solution or the gas from the lower to the upper tank and from there through a check valve to the absorber.
  • the upper and lower vessels are interconnected by two conduits where the first conduit connects the bottom of the upper vessel to the bottom of the lower vessel and the second conduit descends first from the upper region of the lower vessel, just above Bottom of the lower container turns up and then opens in the bottom region of the upper container in this.
  • the first line does not open directly into the bottom of the lower container but below this container forms a U-tube, the apex of which must form the lowest point of the entire pressure sagger and on the other hand, the second line is interrupted in its upwardly aspiring part by a regulating valve.
  • the object to build an absorber with upward aspiring solution for absorption heat recovery is achieved by an absorber consisting of two sections and an output collection, where in the first section hot, weakly concentrated solution flows upward while absorbing ammonia vapor and the resulting heat to the preheating zone of the Generator outputs. Subsequently, the cooled solution passes into an overlying second section, which is recooled from the outside, where the solution flows downwards according to gravity. From the cold section, the solution runs to the bottom of an underlying solution reservoir which has been cooled back from a liquid medium.
  • the object of a thermal starting device according to the invention is achieved in that there is a three-way valve at the inflow of the recooled medium to the cooling jacket of the absorber output collection which allows a short time to send a hot medium through the associated with this solution storage cooling jacket.
  • the pressure reducer can only work with cold solution, but the heat recovery from the absorber is only possible if the absorber hot solution with generator temperature is included in the equipment of the pressure lowering and a heat exchanger, on the primary side of the hot coming from the generator solution is guided and cooled and on the secondary side, the solution flowing from the pressure reducer to the absorber solution is reheated.
  • the hot zone of the generator has a preheating zone in which evaporation can already take place, where heat is absorbed from the hot part of the absorber and an actual heating zone where the heat is supplied from the outside.
  • the hot section of the absorber to the primary side of a heat exchanger while serving as the secondary side thereof the preheating zone of the generator.
  • An external heat storage device can be avoided according to the invention by installing a storage vessel with a closable outlet at the condenser outlet in front of the throttle, which conducts the liquid ammonia to the evaporator.
  • a second storage vessel whose inflow and outflow must also be closed, is installed between the pressure reduction stage between generator and absorber and the actual absorber. The spatial position of this second storage vessel should be above the absorber. This second vessel is connected to the absorber exit vessel through a vent line so that both vessels are at the same pressure.
  • a suitable for this chiller small, cheap, pressure-tight construction without thermal bridges consists of a plate stack, which are alternately arranged successively mold plates made of elastic sealing material, which are perforated through holes and channel-shaped cutouts and serve for the conduction of liquids or gases, and separating plates
  • Metal sheet in which holes are made for the conduction of liquids or gases transversely to the plane of the plate is constructed, which is pressed together by screws between two stronger metal outer plates, so that between each two mold plates a partition plate and between each two separating plates is a mold plate to lie except at any point in the plate stack, where instead of a mold plate, a hydraulic pressure pad between two separator plates comes to rest, which consists of an elastic, self-contained sealing strip which is clamped along the plate edges between these two partition plates or glued there, so that between these two so interconnected partition plates, a hydraulic fluid or a hardening liquid resin can be filled under high pressure, wherein also in the whole plate pack on each mold plate, the different pressure zones from
  • the design of the solar chiller in the form of a single-stage by liquid media heated and recooled ammonia water absorption chiller in the batch process consisting of an absorber, a condenser, an evaporator and a generator, which is an automatic Solution concentration optimization and a pressure reducer, which allows him to automatically suck on solution to process these and then pressed into the absorber from the effect that is sucked in each cycle from the absorber ago a serving solution of medium concentration, the first part of this Solution, as soon as it enters the hot generator zone, it begins to boil at very low pressure because the resulting ammonia vapor is immediately absorbed by the remaining cold solution still in the input vessel.
  • the concentration and thus also the pressure in the generator rise slowly in this input vessel, while at the same time solution flows out of this vessel into the hot zone.
  • this solution boils at low pressure, its final concentration is lower than for a solution which would have been boiled at full condenser pressure and at the same temperature.
  • the generator pressure rises to the condenser pressure, and then the solution, which is now highly concentrated, also enters the hot zone from the input vessel. Because of its high concentration, it can also evaporate ammonia at a relatively high condenser pressure (eg, high engine ambient temperature), which is then used for cooling, even if the generator heating temperature is not very high.
  • the concentration of the boiled solution is slightly higher at the end of the process than at the beginning of the process, but on average the concentration of the solution fed to the absorber is significantly lower than without the passage of the generator steam through the cooled input vessel, hence the cooling temperature of this chiller is lower than without Invention. Since all of the ammonia vapor flows through the recooled input vessel, the vapor going from the generator to the condenser is cold and contains only very small amounts of water vapor, so a rectifier is unnecessary in this case. It should be noted that the non-absorbable ammonia vapor can not condense in the recooled input vessel because its temperature is always a few degrees above the condensation temperature because of the heat of absorption released there.
  • the reason for passing the boiled solution through the depressurizer is as follows: A pressure reducer, which comes into action after each completed generator process, must be triggered by the change, if not more solution but gas is transported. As this weak solution, the excess gas from the To absorb generator, it is advantageous to use for this purpose the boiled solution of the generator. It follows that the output path of the generator to the absorber should lead directly through the pressure reducer, because only to ensure that the solution is renewed in the pressure reducer after each cycle.
  • the first siphon or siphon serves to allow emptying of the generator input vessel towards the heated generator zone only when this container is full as a result of Generatoransaugreaes, because while the generator sucks solution, the already located in the generator solution may not be heated yet because this would interrupt the suction process. Since this siphon must be very thin, on the one hand to allow the fluid flow to the hot zone on the one hand and limit it, as with any fluid lifter in which the flow is very small, there is the danger that fix down in the downstream flow after the Heberscheitel gas bubbles hinder the flow. To avoid this effect, the ventilated collecting basin and the fact that the siphon pipe narrows only below this collecting basin serve.
  • the second siphon or siphon serves to direct the ammonia gas produced in the heated zone from below through the input vessel, but at the same time prevents the solution from entering the heated zone directly via this path, thereby shorting the first siphon.
  • the third siphon or siphon is used during the suction phase of the pressure drop to suck gas from above the input vessel, so not During this phase, residual solvents can enter the heated zone, but at the same time this siphon must prevent the ammonia gas produced in the heated zone from entering the input vessel from above. This is prevented by the small solution tank located in front of the entrance to the heated zone of the generator: The gas pressure of the heated zone presses from above on the liquid of this solution tank and allows solution to rise in the channel of this third trap until the hydraulic pressure produced is as high as that which counteracts the second siphon when it is to guide gas under the solution in the cooled input vessel.
  • All depressurizers of the three described types have the effect that, as soon as the solution flow of the generator is stopped, and the generator emits only gas, first forms a large gas bubble in the lower tank and then the solution of the emptied upper tank in the lower, wherein there is a turbulence between solution and gas, which absorbs the excess gas from the generator. As soon as the generator has again sucked in solution from the generator, this solution passes through the hot generator zone and closes shortly after the Druckabsenkerzugang so that now new solution enters from below into the two containers and fills them.
  • the effect of the third line is that the suction down process of the pressure reducer is stopped more quickly after refilling the generator inlet vessel with solution, which reduces the cycle time and thus increases the specific power of the machine per volume.
  • the effect of the fourth and fifth line and the second check valve is that the depressurizer after the formation of the gas bubble in the lower container does not immediately allow the flow of the solution from the upper to the lower container, but first the majority of excess amount of gas from the generator can be deducted directly into the absorber and only then absorbs the rest of the gas.
  • the falling solution creates a negative pressure in the entire cold section, which sucks the ammonia vapor coming from the evaporator and the hot solution upwards through the hot section.
  • the final recooled absorber output collecting vessel in the bottom of which cold solution and any unabsorbed gas discharge from the second section of the absorber, further enhances this effect.
  • the hot and gas-absorbing solution (exothermic process) flowing upwards in the first section runs countercurrently to the generator solution, which, by gravity, flows through the hot zone of the generator and boils out steam (endothermic process).
  • this special form of absorber allows the use of a countercurrent heat exchanger which delivers a portion of the resulting heat of absorption to the generator.
  • the solution collects in the absorber output receptacle before it is sucked in by the generator via a non-return valve.
  • the three-way valve through which hot medium can be briefly conducted into the cooling jacket of the absorber outlet container, allows the pressure in the absorber outlet collector to be increased, so that solution is pressed into the generator for the machine to start.
  • the solution boiled out in the generator is used to reduce the pressure, it must first be cooled down.
  • the heat to be removed for this purpose should be returned to the system.
  • the heat exchanger, on the primary side of the hot coming from the generator solution is cooled in and on the secondary side of the pressure reducer to the absorber flowing solution is heated in the effect that the pressure reducer only cold solution is supplied from the latter for the absorption of the residual gas the generator is needed, but that the absorber only hot solution with low concentration is supplied to the absorber so that the absorption process takes place there at the highest possible temperature, so that this heat of absorption from the hot part of the absorber can be returned to the preheating zone of the generator.
  • the energy storage device has the effect that even at times when no sun shines, can be cooled when only weakly concentrated solution and enough liquid ammonia have been formed only in the sunshine phases. It is then possible at any time to allow the weak solution to flow into the absorber and allow ammonia to flow in via the evaporator from the condenser outlet tank and can cool as long as supplies last. The resulting highly concentrated solution is stored in the absorber output tank until the next sunshine phase.
  • An additional effect is that with cooling using the ammonia and weak solution reservoirs, the cooling effect occurs immediately, whereas without this device, an ammonia water absorption chiller normally takes quite a long time to cool off.
  • FIG. 2 b shows a version with an additional siphon, which terminates the pressure reduction process more rapidly
  • FIG. 2 c shows a version which first allows excess gas to be withdrawn from the generator into the absorber and only for a long time then lower the remaining pressure.
  • FIG.3 shows a functional diagram of the refrigeration unit with heat recovery and storage tanks
  • Figure 5 shows a detail of a plate pack to explain the need for linear seals.
  • FIG. 1 shows a functional diagram of the refrigerator in the simplest embodiment without heat recovery.
  • On display are a generator -1 - with inlet vessel -3- and pressure reducer -29-, an absorber -14- with absorber outlet vessel -21 -, a condenser -25 and an evaporator -24-.
  • the arrows indicate the main direction of flow of solution or gas. Heating and cooling media are not shown.
  • Each process cycle begins with the filling of the generator input vessel -3- by highly concentrated solution from the Absorberausgangsgefäß -21-, which is sucked through the input check valve -2- as soon as the generator pressure is lower than the absorber pressure.
  • the solution level in the generator inlet vessel -3- rises, it also rises in the first siphon or lift -4-.
  • the liquid level reaches the level of the top of the lift -4-, due to the gas resistance in the siphon tube -4-, only a thin trickle trickles into the reservoir -5-, but it entrains gas, which makes the solution flow faster that the sump -5- fills up quickly, with the gas flowing through the vent -6- back into the inlet vessel -3-.
  • the solution then runs slowly through a narrow connecting channel -7- in the heated generator -1 -. There, the solution warms to boiling and thereby evaporates ammonia, which is connected through the steam pipes -13- and the second siphon or lift -8- with the input vessel -3-. The ammonia vapor then bubbles from below through the cold solution, which is still in the inlet vessel -3-, in the initial phase of the cycle, this vapor is completely absorbed in the solution. This increases their concentration and thus the pressure in the generator system -1 - and because of the connection through the check valve -27- also in the condenser -25.
  • both tanks -32- and -33- are filled with cold weakly concentrated solution.
  • the hot solution flowing in through the inlet -30- cools down quickly. It then flows from the lower tank -32- through the two pipes -34- and -36- into the upper tank -33- and from there through the check valve -40- and the control valve -17- to the absorber -14-.
  • gas is introduced into the lower tank -32- instead of the solution.
  • a gas bubble forms in the lower tank -32- and the solution level drops while the solution is displaced through the pipe -34- into the upper tank -33-.
  • the solution level in the leg of the siphon line sinks, which opens towards the lower container. Since this solution part is hydrostatically connected to the solution in the lower tank -32- via the detour through the upper tank -33-, the solution level in the line -36- and in the lower tank -32- are always at the same level during this displacement process until the lower extreme point of the line -36- is reached. At this moment - we call it the release of the pressure reducer - gas penetrates into the leg of the pipe upwards to the upper tank -33- and gets into the lower part of the upper tank -33-.
  • solution now flows from the upper tank -33- through the pipe -34- into the lower tank -32- and in so doing draws gas up through the pipe -36-. Since this gas is immediately absorbed in the cold solution of the container -33- (because it comes from below), the pressure in the pressure reducer -29- drops very rapidly. The suction propagates via the siphon or siphon -9- into the generator inlet vessel -3-, so that this new solution sucks. The check valve -40- prevents solution from being sucked from the absorber -14-into the pressure reducer-29-.
  • the weakly concentrated solution enters the absorber -14-.
  • the flow direction in the absorber always only downwards, following the gravitational force.
  • the solution absorbs the coming through the check valve -15- ammonia vapor, which has previously passed after its condensation in the condenser -25- through the throttle or pressure stage -26- in the evaporator -24- and there again in gas was transformed, with the desired cooling effect has arisen.
  • Fig. 2a shows a pressure reducer in its simplest design. It consists of a lower -32- and an upper container -33-. Solution or gas is supplied at the inlet -30-, wherein it is advantageous if the mouth of this inflow pipe is in the upper region of the container -32-.
  • both containers -32- and -33- are filled with cold weakly concentrated solution, the solution from the lower container -32- through the two lines -34- and -36- into the upper container -33- and from there through the check valve -40- to the output -31 - f reads.
  • Fig. 2b shows a pressure drop, which is largely identical to Fig.2a, but is improved by the additional lift -37-.
  • the function of this lift is to turn off the pressure reducer faster at the beginning of the cycle, as soon as the pressure in the generator begins to increase.
  • a stable solution lake has not formed, but it flows a foamy mixture of solution and steam in the lower tank -32-, and fills this indeed, but the absorption process in the upper container -33- continues because because of the increased generator pressure solution through the output - flows - / whereby additional space in the upper container -33- is free.
  • the gas flow through the line -36- is so fast that the solution reaching the lower tank -32- is immediately entrained in the upper tank -33-.
  • the lower container -32- is almost full, while in the line -36- the liquid levels oscillate rapidly up and down, which can not reach enough solution in the upper container -33- to fill the gas bubble there.
  • the lift -37- interrupts this oscillation process, whereby the described critical phase is terminated.
  • Fig. 2c shows a pressure dropper, which has been further developed from the simplest version (Fig.2a).
  • the solution level in the siphon -36- initially changes only slightly, because of the adjustable flow resistance -42-, whereas the solution level in the siphon -39- moves synchronously with the solution level in the lower tank - 32- down until the bottom of the line -39- is reached.
  • the U-tube -35- guarantees that for the time being no gas can get into the upper container -33-.
  • lines -38- and -39- empty their solution contents into the lower container -32-.
  • Gas from generator -1 - which now flows into the lower tank -32-, can now flow freely through the check valve -41 - to the outlet -31 -, which causes the generator pressure to increase in the absorber (not shown in this figure) approaches.
  • On display are a generator (1, 11, 12) with input vessel -3-, a warm-up zone -11 -, a heated zone -12- and Druckabsenker -29-, an absorber with a Absorbereingangsgefäß -20-, a warm zone -18 - where the solution flows upwards and a cold zone -19- where the solution flows downwards and with an absorber outlet vessel -21 -, a condenser -25- with a condenser outlet vessel -28- and an evaporator -24-.
  • the arrows indicate the main direction of flow of solution or gas. Heating and cooling media are not shown.
  • horizontal temperature zones are indicated on the left side of the screen, which apply to the entire machine, with the exception of tanks -20-, -21- and -28-: heated zone -54-, a temperature transition zone -55-, in the bottom-up the temperature of heating temperature drops to recooling temperature, the recooling zone -56- with ambient temperature and the cooling zone -58- with the desired cooling temperature.
  • the heat exchanger -62- serves to deliver the heat of absorption arising in the warm part -18- of the absorber to the warming up zone of the generator -11.
  • the heat exchanger -63- serves to cool the hot solution coming from the heated zone -12- of the generator and flowing to the pressure reducer -29- and to reheat it after its passage through the pressure reducer -29-.
  • Fig. 4 shows a practical embodiment of the inventive concept on the basis of a disassembled plate stack -50-, which shows a mold plate - 44- with parts of Druckabsenker -29-, evaporator -24- and the heated generator zone -12-.
  • the horizontal temperature zones are drawn: the heated zone -54-, a temperature transition zone -55-, in which from bottom to top the temperature drops from heating temperature to recooling temperature, the recooling zone -56- with ambient temperature, another transition zone, as a thermal insulation zone - 57- is formed with openings in the metal plates - 53- and the cooling zone -58- with the desired cooling temperature.
  • transition bars - 69,70- serve both for a firm connection between the cooling zone and the rest of the machine and for the passage of channels -70-. From the outside (not visible in the illustration) the plate stack -50- is of course also surrounded by a thermal insulation.
  • the plate stack -50- At the very front of the plate stack -50- you can see an outer plate -43-, which is thicker than the other plates. Like all the plates in the bolted embodiment, it has screw holes -51 - so that the associated screws (not shown) can produce the necessary primary mounting pressure. Moreover, in the area of the thermal insulation zone, it has slab openings -53-.
  • the plate stack -50- is shown disassembled in two parts so that there is an entire sample plate -44- and an example plate -49- between them. Different parts of the machine concept (see FIG. 3) are represented by channels on different forms -44-. Connections of such channels to other mold plates in the stack of plates -50- through the separator plates -49- are ensured through through holes -52-, whereby mold plates -44- can also have through-holes.
  • the mold plate -44- contains part of the evaporator -24-, the upper tank -33- and the lower tank -32- of the pressure reducer -29-, a part of the heat exchanger -63- and a part of the heated generator zone -12-.
  • the Druckabsenkerzone -29- is surrounded by a linear seal -46-.
  • the mold plate -44- has no plate openings -53-, since it is made of poor heat conductive material, the partition plate -49-, however, has already Plattenö réelleen -53-, since it consists of metal.
  • the line A-B indicates a section, which is shown in Fig. 5.
  • Fig. 5a shows a section of 3 different partition plates -49- with intermediate mold plates -44,45-. Since the section shown is orthogonal to the plate planes, you can see of the mold plates -44- only transversely cut through webs -45-. The cut surfaces of the separator plates -49- appear as straight vertical lines. However, this is an idealized representation that is only approximated correctly if in all remaining spaces between the illustrated Formplattenstegen -45- the same pressure prevails.
  • Fig. 5b shows the same section as Fig.5a for the case that the pressure in the cavities shown is not equal.
  • the pressure in the cavities shown is not equal.
  • the mold plates are to be made of elastic synthetic gaskets, the mold plate web -64- is easily squeezed together, opening a connecting gap between the high pressure zone -59 and the low pressure zone -60- through which solution or gas will pass.
  • this effect is so strong that even separating plates -49- made of 1 mm thick stainless steel sheet permanently deform at such a point by a few tenths of a millimeter.
  • Fig. 5c shows the same section as Fig.5b, with the same pressure distribution and the same plate deformation.
  • a longitudinal channel is inserted, in which a round sealing cord -66- is located. As this cord protrudes from the plate surface of -65-, it can bridge the gap to the adjoining separator plate -49-.
  • Fig. 5d also shows the same section as Fig. 5b, with the same pressure distribution and the same plate deformation.
  • an elastic sealing tape -68- is glued to the form plate web - 67-.
  • this sealing tape also compresses the plate bar -67- a bit. But since this band protrudes from the plate surface of -45-, it can bridge the gap up to the adjoining separator plate -49-.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine einstufige Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine im Batch-Verfahren bestehend aus Generator (1) mit Druckabsenker (29) und Lösungskonzentrationsoptimierung (3), Absorber (14), Kondensator (25), Verdampfer (24) wobei der Generator (1) zusammen mit einem rückgekühlten Eingangsgefäß (3) und dem Druckabsenker eine Bau- und Druckeinheit bilden, worin der Druckabsenker (29) zu Beginn jedes Arbeitszyklus den Generatordruck unter den Absorberdruck absenkt, sodass von dort über ein Rückschlagventil (69) Lösung in das rückgekühlte Generatoreingangsgefäß (3) fließt, dieses füllt und dass von dort die Lösung der Schwerkraft folgend allmählich in eine heiße Zone (1) fließt, welche insbesondere aus einer vom Absorber (18) her gewärmten Vorwärmzone (11) und einer extern beheizten heißen Zone (12) besteht, wo Ammoniakdampf entsteht, der mit einer Siphonleitung (8) von unten durch die noch im Generatoreingangsgefäß (3) befindliche restliche Lösung strömt und wo vom oberen Ende dieses Generatoreingangsgefäßes eine Gasleitung durch ein Rückschlagventil (27) zum Kondensator (25) führt, während die aus der heißen Zone (1) ausfließende ausgekochte Lösung durch den Druckabsenker (29) und durch ein Rückschlagventil (40) sowie eine Druckverminderungsstufe (17) zum Absorber (14) strömt.

Description

S o l a r k ü h l u n g m i t e i n e r A m m o n i a k - Wa s s e r - A b s o r p t i o n s k ä l t e m a s c h i n e
1. Beschreibungseinleitung
Die Erfindung betrifft eine einstufige Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine. Obwohl weltweit Kältemaschinen einen großen Anteil des elektrischen Stroms konsumieren, ist es bis heute keiner solaren Kältemaschine gelungen, einen Durchbruch zu erlangen. Das liegt wohl am komplizierten Anforderungsprofil, das an eine solche Maschine gestellt wird:
- A) Kühltemperatur sollte auch Gefrieren ermöglichen, da die wichtigste
Anwendung im Bereich Lebensmittellagerung liegt.
- B) Heiztemperatur soll relativ niedrig sein, weil der Wirkungsgrad von
thermischen Solarkollektoren mit steigender Temperatur abnimmt.
- C) Damit Kühlung auch in feuchtem tropischem Klima funktioniert, sollte die Rückkühltemperatur möglichst hoch sein, weil feuchte Kühltürme dort nicht funktionieren. Stattdessen soll die Abwärme an die Umgebungsluft abgegeben werden können.
- D) Strombedarf soll möglichst niedrig sein.
- E) Wichtigste Baugröße im Bereich 1 - 10 KW Kühlleistung
- F) Herstellungskosten sollen im Bereich der Kosten konventioneller Kühlgeräte liegen, daher muss auch die Baugröße ähnlich klein sein.
- G) Die Maschine soll auch in den Nachtstunden kühlen können, wo keine Sonne scheint.
Aus der Forderung A, ergibt sich, dass nur eine Wasser-Ammoniak- Absorptionskältemaschine in Frage kommt. Aus den Forderungen B und C folgt die Notwendigkeit einer Verbesserung der im Kühlzyklus verwendeten
Lösungskonzentrationen gegenüber dem klassischen Ammoniak-Wasser- Absorptionszyklus. Forderungen D und E führen dazu, auch die
Lösungsumwälzbewegung mit thermischer Energie zu betreiben, da es für diesen Leistungsbereich - speziell für Ammoniak - kaum brauchbare, langlebige und preiswerte Elektropumpen gibt. Forderung F zielt nicht nur auf optimalen
Wirkungsgrad durch teilweise Wiederverwendung von Abwärme sondern auch auf eine kleine, simple und für Massenproduktion geeignete Bauart ab. Aus Forderung G folgt die Notwendigkeit einer Art von Energiespeicherung. Der Stand dieser Technik wird in den unten stehenden Abschnitten 2.1. bis 2.5. dargestellt.
2. Stand der Technik
2.1. Optimierung der Konzentrationsverhältnisse
Die wichtigsten Konzentrationskorrekturen in Ammoniak-Wasser Absorptionszyklen kommen an drei verschiedenen Stellen dieser Zyklen vor. Am häufigsten will man für die Verdampfung im Kühlvorgang möglichst reinen Ammoniak haben (siehe 2.1.1.). Will man dagegen eine möglichst niedrige Heiztemperatur für die Kältemaschine einsetzen (Forderung B), soll die Lösung, die in den Generator kommt, eine möglichst hohe Konzentration haben. Soll die Rückkühltemperatur möglichst hoch sein (Forderung C) muss die Lösung im Absorber eine möglichst niedrige Konzentration haben. Die beiden letzteren Zielsetzungen werden üblicherweise gemeinsam angegangen und in 2.1.2. und 2.1.3. beschrieben.
2.1.1. Rektifikation
Aus einer kochenden Ammoniak-Wasserlösung tritt nicht nur Ammoniakdampf sondern auch Wasserdampf aus. In dem für die Beheizung von Absorptionskältemaschinen typischen Temperaturbereich beträgt der Wassergehalt im Dampf einige Prozent. Bei der Kondensation dieses Dampfes entsteht also kein reiner Ammoniak sondern eine hochprozentige Ammoniaklösung. Soll durch Verdampfung dieser Flüssigkeit Kälte erzeugt werden, so muss man bedenken, dass diese Lösung bei vorgegebenem Druck eine höhere Siedetemperatur hat als reiner Ammoniak. Das bedeutet, dass die Kühltemperatur höher wird, als erwartet.
Um dieses Problem zu beseitigen verwenden viele Absorptionskältemaschinen Rektifikatoren, das bedeutet, dass der gemischte Dampf aus dem Kocher aufwärts durch einen Wärmetauscher strömt, wo ihm bei einer Temperatur, die höher sein muss als die Kondensationstemperatur, Wärme entzogen wird wodurch das Wasser kondensiert und von oben in den Kocher zurückfließt.
Rektifikatoren verbrauchen Energie, Platz und erzeugen zusätzliche Kosten. Daher sind sie unerwünscht.
2.1.2. Zweistufige Maschinen mit verbundenem Kältemittelsystem
Eine Methode um einerseits eine sehr hohe Generatorlösungskonzentration und gleichzeitig eine sehr niedrige Absorberlösungskonzentration zu erreichen besteht darin, zwei miteinander verbundene Zyklen zu verwenden, von denen jeder sowohl einen Generator als auch einen Absorber hat. Im ersten Zyklus verwendet man eine relativ niedrige Konzentration und der Generator des ersten Zyklus gibt seinen Ammoniakdampf an den Absorber des zweiten Zyklus weiter, wodurch der zweite Zyklus eine höhere Konzentration bekommt. Der zweite Generator gibt dann seinen Dampf an den Kondensator weiter, wobei das Kondensat in den Verdampfer kommt, wo der Kühleffekt stattfindet, und der entstandene Dampf wieder über den ersten Absorber in den ersten Zyklus gelangt. Siehe dazu: AT 500935.
2.1 .3. Bypass
Eine andere Methode um einerseits eine sehr hohe Generatorlösungskonzentration und gleichzeitig eine sehr niedrige Absorberlösungskonzentration zu erreichen besteht darin, die vom Generator kommende Lösung auf einem niedrigeren Druckniveau weiter zu kochen und die vom Absorber kommende Lösung mit diesem Dampf in Kontakt zu bringen, bevor sie in den Generator gepumpt wird. Ein Teil des Ammoniaks zirkuliert daher nicht über den Kondensator und den Verdampfer, sondern kehrt über einen„Bypass" genannten Parallelweg zum Generator zurück. Diese Methode findet sich unter anderem in AT 506356. Der gesamte Ammoniakumsatz, der bei diesem System ohne Kühleffekt zu erzeugen verdampft und wieder absorbiert werden muss, ist kleiner als beim zweistufigen System 2.1 .2. wodurch auch der Wirkungsgrad besser ist. Details siehe unter: http: / /www.solarfrost.com/PDF/icebook.pdf
Die Verwendung von mehrstufigen Systemen oder des so genannten Bypass in Kombination mit Dampfpumpen ist kompliziert und fehleranfällig. Sowohl beim zweistufigen System als auch beim Bypass müssen parallele Flüssigkeitsströme synchron mittels zweier getrennter Pumpen geführt werden. Die Pumpleistung von Dampfpumpen lässt sich aber nur schlecht und mit ziemlich großer Zeitverzögerung regeln. Dies führt zu für Rückkopplungen typischen Oszillationsvorgängen, die den Wirkungsgrad des Systems negativ beeinflussen.
Eine andere Art der automatischen Regelung der parallelen Flüsse besteht in elektromechanischen Regelventilen und/oder Schwimmerventilen. Dabei kommen aber neue Verschleißteile ins Spiel und solche Bauteile lassen sich auch nur schwer in eine Plattenbauweise integrieren. 2.2. Bewegung der Lösung zwischen unterschiedlichen Druckzonen durch thermische Energie
Wesentlich für jede Absorptionskältemaschine ist es, dass Lösung abwechselnd erhitzt und wieder gekühlt wird. Praktisch löst man das am Einfachsten, indem man die Lösung zwischen heißen und kalten Zonen hin und her bewegt. Das geht von heiß nach kalt gewissermaßen selbsttätig, da der Dampfdruck einer heißen Lösung größer ist als der einer kalten Lösung vergleichbarer Konzentration. Umgekehrt von kalt nach heiß muss aber Arbeit aufgewendet werden, um die Lösung zu bewegen. Die meisten Absorptionskältemaschinen verwenden für diese Aufgabe mechanische Pumpen. Dabei kommen für Maschinen großer Leistung Kreiselpumpen zum Einsatz. Für kleine Leistungen ist es aber ein echtes Problem, preiswerte, effiziente und langlebige mechanische Pumpen zu finden.
In dem hier interessierenden Leistungsbereich zwischen 1 und 10 KW soll daher die Lösung ausschließlich durch Wärmeenergie bewegt werden. Es gibt für diesen Zweck bereits Dampfpumpen. Man muss dabei aber unterscheiden, für welche Art von Absorptionskältemaschine solche Pumpen dienen sollen. Einerseits gibt es so genannte Diffusions-Absorptionskältemaschinen, die ein inertes Hilfsgas, meist Wasserstoff, verwenden, sodass in Generator und Absorber nahezu der gleiche Gesamtdruck herrscht, wenn auch der jeweilige Ammoniakdampfdruck sehr verschieden ist. Andererseits gibt es Maschinen ohne Hilfsgas, bei denen der Druckunterschied zwischen Generator und Absorber mehrere bar beträgt. Im ersten Fall genügt für die thermisch betriebene Lösungsbewegung eine einfache Blasenpumpe, ähnlich jenen Dampfpumpen, die man aus Filterkaffeemaschinen kennt. Im zweiten Fall, zur Überwindung eines großen Druckunterschieds braucht man andere Pumpen die im Weiteren beschrieben werden.
2.2.1. Lösungsbewegung durch Temperaturunterschiede
Prinzipiell scheint es nahe liegend anzunehmen, dass es sehr einfach sei, eine Ammoniak-Wasser Lösung durch induzierte Temperaturunterschiede zu bewegen, weil ihr Ammoniakdampfdruck bei Erwärmung stark ansteigt. Man kann also durch Erwärmung einer solchen Lösung diese aus einem Behälter austreiben, und man sollte annehmen, dass man durch Abkühlung einen entsprechenden Saugeffekt erreichen kann. Das ist aber nur mit Einschränkungen der Fall: Kühlt man eine unbewegte Ammoniak-Wasser Lösung in einem geschlossenen Gefäß ab, so sinkt der Druck in der über der Lösung stehenden Gasblase viel weniger stark ab, als anhand der Dampfdruckkurve zu erwarten wäre.
Die kalte Lösung absorbiert zwar Ammoniakdampf an der Oberfläche, allerdings entsteht dabei eine dünne schwimmende Grenzschicht mit hoher Konzentration, deren Dichte viel geringer ist, als die der darunter liegenden Lösung. Damit wird eine weitere Absorption durch die Grenzschicht hindurch weitgehend verhindert. Jedes System in dem eine Ammoniak-Wasser Lösung durch Wärme nachhaltig umgewälzt werden soll, muss den bei der Erwärmung entstandenen Dampf auch wieder absorbieren können. In der Regel erfordert das spezielle Einrichtungen zur Druckabsenkung.
Allgemein könnte man einen Druckabsenker so definieren, dass es eine Vorrichtung ist, in der Ammoniak-Wasser-Lösung in eine Zustand gebracht wird, wo es dem Ammoniakdampf gleichzeitig ermöglicht wird, von der Seite oder von unten in die Lösung einzudringen, so dass sich keine horizontale Sperrschicht bilden kann. Dies geht zum Beispiel, indem man die Lösung der Schwerkraft folgend durch eine Gasraum von oben nach unten fließen lässt,
Man kann einen Druckabsenker auch so bauen, dass er in einem genau definierten Moment ausgelöst wird. Dadurch wird es möglich dass eine Portion der Lösung ihren Druck periodisch um mehrere bar hebt und senkt, wodurch der Bau von Pumpen ohne mechanisch bewegte Teile ermöglicht wird, wenn man von den dabei verwendeten Rückschlagventilen absieht.
Derartige Dampfpumpen finden sich z. B. in WO 03095844 A1 , AT500935 und AT 504399
2.3. Wä'rmerückgewinnung
In den klassischen Ammoniak-Wasser-Kältemaschinen wird in der Regel ein Lösungs- Wärmetauscher zwischen dem heissen Generator und dem kalten Absorber eingebaut, sodass die ausgekochte heisse Lösung aus dem Generator im Gegenstrom zur angereicherten starken Lösung aus dem Absorber geführt wird. Dadurch gelangt bereits vorgeheizte Lösung in den Generator und der Absorber wird mit kalter Lösung gespeist.
So wichtig diese Art der Wärmerückführung ist, betrifft sie doch nur einen Teil der Wärmemenge, die in den meisten Absorptionskältemaschinen in Form von Absorptionswärme verloren geht.
Beim Ammoniak-Wasser Absorptionskühlungsprozess wird nämlich ziemlich genau der gleiche Wärmebetrag, der in den Verdampfungsprozess des Ammoniaks hineingesteckt werden muss, beim anschließenden Absorptionsprozess als Abwärme wieder frei gesetzt. Sowohl die zum Austreiben erforderliche Wärme als auch die entstehende Abwärme sind nicht an eine feste Temperatur gebunden. Stattdessen steigt beim Austreiben (bei festem Kondensationsdruck) die Siedetemperatur der Lösung stetig an und ebenso sinkt die Absorptionstemperatur (bei festem Absorptionsdruck) stetig ab. Die Temperaturintervalle für Verdampfung und für Absorption überlappen sich im Normalfall, so dass ein Teil der entstehenden Absorptionswärme zu neuerlicher Verdampfung verwendet werden kann, wodurch der Wirkungsgrad (COP) einer solchen Maschine deutlich erhöht werden kann.
Es ist wichtig darauf hin zu weisen, dass eine solche Absorptionswärmerückgewinnung nur gemeinsam und gleichzeitig mit dem eingangs erwähnten Lösungswärmetausch möglich ist. Hat man den Generator und den Absorber voneinander getrennt und dazwischen einen Lösungswärmetauscher fließt in den Absorber kalte Lösung ein und die Absorptionswärme entsteht bei niedriger Temperatur, die nicht in den Generatorprozess rückgeführt werden kann,
Ein Beispiel für eine solche Absorptionswärmerückführung findet sich in: AT 504399. Dabei gibt das flüssige Heizmedium zuerst in einem als Hochleistungswärmetauscher ausgeführten Generator im Gegenstrom zur Ammoniak-Wasser-Lösung einen Großteil seiner Wärme ab und anschließend holt es einen Teil der Absorptionswärme in einem Absorber der ebenfalls als Hochleistungswärmetauscher gebaut ist im Gegenstrom zur Lösung zurück.
Das in AT 504399 beschriebene Verfahren zur Absorptionswärmerückführung erfüllt zwar seine Aufgabe, allerdings nicht optimal, weil die rückgeführte Wärme über zwei Trennschichten geführt wird, einmal vom Absorber in das Heizmedium und einmal vom Heizmedium in den Generator. Es wäre natürlich besser, den wärmeren Teil der Absorberwärme direkt über einen einzigen Hochleistungswärmetauscher an den kühleren Teil des Generators weiter zu geben. Dabei wird es aber schwierig, die erforderliche Gegenströmung zu garantieren: Da die ausgekochte Lösung des Generators spezifisch schwerer ist als die stark konzentrierte zufließende Lösung ist es vorteilhaft, wenn die Lösung im Generator von oben nach unten fließt und wenn sie sich schon während dieses Prozesses kontinuierlich vom entstehenden Dampf befreit. Umgekehrt ist es aber auch für den Absorber einfacher, wenn seine Lösung wie in einem Druckabsenker von oben nach unten fließt. Damit wird aber ein Wärmetauscher im Gegenstrom ausgeschlossen.
2.4. Bauweise
2.4.1 . Generator
Aufgabe des Generators ist es, der Lösung Wärme zuzuführen, damit Ammoniak verdampfen kann. Klassisch handelt es sich dabei um einen Behälter, dem kontinuierlich Lösung und Wärme zugeführt wird, während ebenso kontinuierlich die ausgekochte Lösung und der Dampf daraus abfließen. Wird der Generator zusammen mit einer Dampfpumpe verwendet, könnte man theoretisch von einem periodisch wiederholten Batch-Prozess sprechen, weil die Pumpenhübe der Dampfpumpe typischerweise eine bis mehrere Minuten lang dauern. Es ist aber nicht sinnvoll, in einem solchen Fall vom Begriff der Kontinuität abzugehen, weil dabei der Generatordruck und auch der Ausstoß von Dampf und ausgekochter Lösung nahezu konstant bleiben. Das ist bei der vorliegenden Erfindung (siehe unten) nicht der Fall, weshalb sie sich als echter Batch-Prozess von solchen quasikontinuierlichen Systemen unterscheidet.
2.4.2. Absorber
Aufgabe des Absorbers ist es, der im Generator ausgekochten Lösung den aus dem Verdampfer kommenden Ammoniakdampf wieder zuzuführen und darin zu lösen. Zu diesem Zweck muss dem Absorber die entstehende Lösungswärme entzogen werden. Dies kann, wie in den klassischen Ammoniak-Wasser Kältemaschinen so geschehen, dass man die schwache Lösung in einer Ammoniakatmosphäre über von innen gekühlte Rohre rieseln lässt oder im „falling-film" Verfahren in einem senkrechten Rohr entlang der von außen gekühlten Rohrinnenwand herablaufen lässt. Die Effizienz des falling-film Verfahrens kann noch gesteigert werden, indem man in das Rohr eine an die Rohrinnenwand anliegende Drahtspirale einfügt.
In beiden Fällen kommt das unter 2.2.1 . definierte Verfahren des Druckabsenkers zur Anwendung. Beide Verfahren implizieren aber auch eine einheitliche Kühltemperatur für den Absorptionsprozess. Sie sind daher für eine Absorptionswärmerückführung nicht geeignet. Absorptionswärme kann nur dann effektiv gewonnen werden, wenn der Absorptionsprozess bei gleich bleibendem Druck und kontinuierlicher, allmählicher Abkühlung der Lösung und gleichzeitig ansteigender Konzentration stattfindet.
Wegen des Problems der Druckabsenkung wurde in AT 504399 der Hochleistungswärmetauscher zur Wärmerückgewinnung als eng gewickelte Rohrspirale ausgeführt durch die sowohl die schwache Lösung als auch der Ammoniakdampf gemeinsam geleitet wurden, sodass sich die beiden Medien in den engen Rohrwindungen innig vermischen und ineinander lösen konnten.
2.4.3. Plattensysteme
Eines der größten Probleme von Absorptionskältemaschinen gegenüber Kompressionskühlung besteht in ihrer relativen Größe und damit auch in den hohen Anschaffungskosten. Die Problematik ist ähnlich wie im chemischen Reaktorbau. In AT506358 wurde daher ein System bestehend aus ebenen Platten vorgeschlagen, das die Baugröße von Absorptionskältemaschinen deutlich verringern könnte. Übersetzt man das Bauprinzip einer herkömmlichen Ammoniak-Wasser- Absorptionskältemaschine in die Form eines derartigen Plattenpaketes gleicher Leistung, so hat dieses nur noch ca. 3% des ursprünglichen Volumens.
Ein Plattensystem, wie in AT506358 beschrieben, ist für Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschinen nur mit Einschränkungen brauchbar. Hauptproblem beim Ammoniak ist, dass das System unter allen Betriebsbedingungen vollkommen dicht sein muss. Dabei geht es nicht nur um die Dichtigkeit nach außen sondern auch um innere Dichtigkeit zwischen Bauteilen mit unterschiedlichem Betriebsdruck. Aus der Logik des Plattensystems folgt, dass in einer Absorptionskältemaschine in der Regel auf ein und derselben Platte Zonen mit unterschiedlichem Druck benachbart zueinander liegen. Gelötete Platten halten typischerweise Druck bis 15 bar aus, geklebte Platten haften noch schlechter, der Betriebsdruck in Ammoniak-Wasser Kältemaschinen kann aber - besonders in heißem Klima (mit höherer Kondensatortemperatur) - deutlich höher liegen. Selbst wenn ein solcher Plattenstapel, wie in AT506358 vorgeschlagen, zwischen dicken Endplatten an den Rändern zusammengepresst wird, lässt sich damit nicht vermeiden, dass im Zentralbereich der Platten undichte Stellen auftreten, weil bei der für Kältemaschinen typischen Baugröße der Platten. Die vom Druck hervorgerufenen Gesamtkräfte zu groß sind. Insbesondere dann, wenn elastische Platten in dem Stapel verwendet werden, kommt es - unter anderem auch wegen der nicht einheitlichen Form der Formplatten - zu kleinen Plattenverformungen, so dass im Zentralbereich der Platten ein winziges Auseinanderklaffen der Platten unvermeidlich ist.
Als weitere Möglichkeit kommt Schweißen in Betracht. Da aber auf jeder der Platten eines solchen Plattenpakets unterschiedliche Druckzonen herrschen, müsste die Verschweißung nicht nur am Plattenrand sondern nahezu in der ganzen Fläche erfolgen, was aufwendig ist und nur bei sehr großen Stückzahlen rentabel wäre. Ein weiteres Problem ist dann die Wärmeübertragung innerhalb eines solchen Plattenpakets.
Wird ein solches Plattenpaket vollflächig verschweißt, kann es keine Isolationsplatten haben.
Wird, was wünschenswert wäre, die gesamte Kältemaschine in einem einzigen Block untergebracht, kämen heiße und. kalte Zonen nebeneinander zu liegen und die dabei entstehenden Wärmebrücken würden den thermischen Wirkungsgrad der Maschine empfindlich verringern.
2.5. Energiespeicherung
Das Problem, Solarenergie auch dann zu nützen wenn keine Sonne scheint, wird in den allermeisten Fällen durch thermisch isolierte Heißwassertanks gelöst, in Einzelfällen auch durch Latentwärmespeicher. In jedem Fall erhöht eine solche Anlage das Volumen, die Kosten, insbesondere aber auch den Installationsaufwand eines Solarsystems beträchtlich. 3. Aufgaben der Erfindung
Aus einem Vergleich der Liste der Forderungen an eine ideale solare Kältemaschine mit dem aktuellen Stand der Technik ergibt sich die Aufgabenstellung für die vorliegende Erfindung:
- Sie soll bei niedriger Heiztemperatur und bei relativ hoher Rückkühltemperatur eine niedrige Kühltemperatur erreichen
- Einstufiger Prozess
- Keine Lösungspumpe
- Statt dessen Batch-Verfahren für den Generatorprozess in dem alle Schritte der Lösungskonzentrationsoptimierung stattfinden, und kalter Ammoniakdampf produziert wird, der ohne Rektifikation zum Kondensator geleitet werden kann.
- Batch Prozess soll ohne äußere Steuerung oder Regelung selbsttätig verlaufen und sich periodisch wiederholen
- Da es keine Lösungspumpe geben soll, muss der Generator seinen Druck selbsttätig nach vollendeter Verarbeitung einer Portion Lösung seinen Druck unter den Druck des Absorbers senken, damit von dort Lösung über ein Rückschlagventil in den Generator nachfließen kann.
- Der dafür nötige Druckabsenker muss genau dann ausgelöst werden, wenn alle Lösung des Generators verbraucht ist und nur hoch das restliche Gas zum Absorber bewegt wird.
- Sobald der Generator genügend Lösung angesaugt hat, muss die Aktion des Druckabsenkers abgebrochen werden.
- Wenn der Druckabsenker vor seiner Auslösung überschüssiges Gas aus dem Generator zum Absorber abfließen lässt und erst ausgelöst wird, wenn der Generatordruck nur noch wenig über dem Absorberdruck liegt, kann der Druckabsenker kleiner gebaut werden und seine Aktion geht schneller. Dadurch steigt die Kühlleistung pro Volumen der ganzen Maschine.
- Ein möglichst großer Teil der entstehenden Abwärme sollte im Kühlprozess wieder verwertet werden.
- Absorber mit aufwärts strebender Lösung zur Absorptionswärmerückgewinnung
- Weil es keine Lösungspumpe gibt ist thermische Startvorrichtung nötig
- Kleine und billige Bauweise aus Platten, die dicht ist und keine Wärmebrücken hat Vermeidung von externen Wärmespeichern
Dabei ist zu beachten, dass die Erfindung nicht durch eine Aneinanderreihung von Komponenten realisiert werden soll, die jede für sich eine der gestellten Aufgaben lösen, wie dies im konventionellen Anlagenbau geschieht, sondern durch ein einfaches und homogenes System, bei dem die verschiedenen Funktionen alle aus der gleichen Grundidee und deren Bauweise erwachsen.
4. Lösung der gestellten Aufgabe
4.1. Allgemeine Funktion
Die Aufgaben, eine einstufige Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine mit niedriger Heiztemperatur, hoher Rückkühltemperatur und niedriger Kühltemperatur, im Batch -Verfahren ohne Lösungspumpe und ohne Rektifikation zu bauen, wo alle Schritte der Lösungskonzentrationsoptimierung im Generator passieren, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Generator zusammen mit einem rückgekühlten Eingangsgefäß und dem Druckabsenker eine Bau- und Druckeinheit bilden, worin der Druckabsenker zu Beginn jedes Arbeitszyklus den Generatordruck unter den Absorberdruck absenkt, sodass von dort über ein Rückschlagventil Lösung in das rückgekühlte Generatoreingangsgefäß fließt, dieses füllt und dass von dort die Lösung der Schwerkraft folgend allmählich in eine heiße Zone fließt, welche vorteilhafterweise aber nicht notwendig aus einer vom Absorber her gewärmten Vorwärmzone und einer extern beheizten heißen Zone bestehen kann, wo Ammoniakdampf entsteht, der mit einer Siphonleitung von unten durch die noch im Generatoreingangsgefäß befindliche restliche Lösung strömt und wo vom oberen Ende dieses Generatoreingangsgefäßes eine Gasleitung durch ein Rückschlagventil zum Kondensator führt, während die aus der heißen Zone ausfließende ausgekochte Lösung durch den Druckabsenker und durch ein Rückschlagventil sowie eine Druckverminderungsstufe zum Absorber strömt.
4.2. Generatoraufbau
Die Aufgabe, dass der Batch-Prozess ohne äußere Steuerung oder Regelung selbsttätig verlaufen und sich periodisch wiederholen soll, wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, dass das gekühlte Generatoreingangsgefäß mit drei Siphonsystemen verbunden ist:
- Siphon oder Heber, bestehend aus einer engen Leitung, die vom Eingangsgefäßboden aufwärts bis zur maximalen Füllhöhe dieses Gefäßes führt, sich dort wieder nach unten wendet und unterhalb des Eingangsgefäßes in ein kleines zur Gefäßoberseite hin ventiliertes Sammelbecken mündet. Von diesem Sammelbecken führt eine enge Verbindungsleitung, in die ein Regulierelement eingebaut sein kann, in die darunter liegende beheizte Generatorzone.
- Siphon oder Heber, bestehend aus einer Leitung, die vom Oberteil der beheizten Generatorzone aufwärts bis oberhalb der Oberkante des gekühlten Eingangsgefäßes führt, sich dort wieder nach unten wendet und zur Unterseite des gekühlten Eingangsgefäßes führt, in das sie dort einmündet.
- Siphon oder Heber, bestehend aus einer Leitung, die vom oberen Bereich des gekühlten Eingangsgefäßes abwärts bis zum Eingang der heißen Zone des Generators führt und dort in ein kleines Lösungssammelbecken mündet.
4.3. Druckabsenker
Die Aufgabe, einen Druckabsenker zu bauen, der am Zyklusende durch den Wechsel von Lösung zu Gas ausgelöst wird und der, sobald der Generator genügend Lösung angesaugt hat, die Druckabsenkaktion abbricht, kann erfindungsgemäß durch zwei übereinander angeordnete rückgekühlte Behälter, die durch zwei oder mehr Leitungen bzw. Siphons verbunden sind, gelöst werden, wobei während des Generatorprozesses der Weg der Lösung bzw. des Gases vom unteren in den oberen Behälter geht und von dort durch ein Rückschlagventil zum Absorber. Aufbauend auf dieser Grundidee lassen sich verschiedene Bauweisen für den Druckabsenker finden:
1. Der obere und der untere Behälter sind durch zwei Leitungen miteinander verbunden, wo die erste Leitung den Boden des oberen Behälters mit dem Boden des unteren Behälters verbindet und die zweite Leitung ausgehend vom oberen Bereich des unteren Behälters zuerst abwärts führt, den knapp oberhalb des Bodens des unteren Behälters sich nach oben wendet und dann im Bodenbereich des oberen Behälters in diesen einmündet.
2. Wie die erste Version, nur dass eine dritte Leitung hinzu kommt, die etwa aus der Mitte des abwärts strebenden Teils der zweiten Leitung abzweigt und nach oben führt, dann im oberen Bereich des unteren Behälters sich nach unten wendet und in den unteren Bereich des aufwärts zum oberen Behälter strebenden Teils der zweiten Leitung mündet. 3. Wie die erste oder die zweite Version, wobei aber einerseits die erste Leitung nicht direkt in den Boden des unteren Behälters einmündet sondern unterhalb dieses Behälters ein U-Rohr bildet, dessen Scheitel den tiefsten Punkt des ganzen Druckabsenkers bilden muss und andererseits die zweite Leitung in ihrem aufwärts strebenden Teil durch ein Regulierventil unterbrochen wird. Dazu kommt noch ein zweites Rückschlagventil, parallel zu dem ersten am oberen Ausgang des oberen Behälters in Flussrichtung zum Absorber, und zwar ebenfalls in Flussrichtung zum Absorber, gespeist von zwei parallelen Zuflüssen nämlich einer vierten und einer fünften Leitung, wobei die vierte Leitung vom Boden des unteren Behälters direkt aufwärts zum zweiten Rückschlagventil führt, während die fünfte Leitung ausgehend vom oberen Bereich des unteren Behälters zuerst abwärts führt, den knapp oberhalb des Bodens des unteren Behälters sich nach oben wendet und dann ebenfalls zum zweiten Rückschlagventil führt.
4.4. Absorber mit aufwärts strömender Lösung und mit Ausgangssammelbehälter
Die Aufgabe, einen Absorber mit aufwärts strebender Lösung zur Absorptionswärmerückgewinnung zu bauen wird erfindungsgemäß durch einen Absorber bestehend aus zwei Abschnitten und einem Ausgangssammelbehälter gelöst, wo im ersten Abschnitt heiße, schwach konzentrierte Lösung aufwärts fließt und gleichzeitig Ammoniakdampf absorbiert und die entstehende Wärme an die Vorwärmzone des Generators abgibt. Anschließend gelangt die abgekühlte Lösung in einen darüber liegenden zweiten Abschnitt, der von außen rückgekühlt ist, wo die Lösung der Schwerkraft folgend abwärts fließt. Aus dem kalten Abschnitt rinnt die Lösung zur Unterseite eines darunter liegenden von einem flüssigen Medium rückgekühlten Lösungsspeichers.
4.5. Absorberausgangsgefäß mit Starter
Die Aufgabe einer thermischen Startvorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sich am Zufluss des Rückkühlmediums zum Kühlmantel des Absorber- Ausgangssammelbehälters ein Dreiwegventil befindet welches es erlaubt, kurzzeitig ein heißes Medium durch den mit diesem Lösungsspeicher verbundenen Kühlmantel zu schicken.
4.6. Wärmerückgewinnung
Die Aufgabe, einen möglichst großen Teil der entstehenden Abwärme wieder zu verwenden wird erfindungsgemäß durch zwei einander ergänzende Methoden gelöst.
1. Da der Druckabsenker nur mit kalter Lösung funktionieren kann, die Wärmerückgewinnung aus dem Absorber aber nur möglich ist, wenn in den Absorber heiße Lösung mit Generatortemperatur einfließt, gehört zur Ausstattung des Druckabsenkers auch ein Wärmetauscher, auf dessen Primärseite die heiße vom Generator kommende Lösung geführt und abgekühlt wird und auf dessen Sekundärseite die vom Druckabsenker zum Absorber fließende Lösung wieder aufgewärmt wird.
2. Die heiße Zone des Generators hat eine Vorwärmzone in der auch schon Verdampfung stattfinden kann, wo Wärme aus dem heißen Teil des Absorbers aufgenommen wird und eine eigentliche Heizzone, wo die Wärme von außen zugeführt wird. Zur Absorptionswärmerückgewinnung wird der heiße Abschnitt des Absorbers zur Primärseite eines Wärmetauschers während als Sekundärseite desselben die Vorwärmzone des Generators dient.
4.7. Integrierter Energiespeicher
Ein externer Wärmespeicher kann erfindungsgemäß vermieden werden, wenn man am Kondensatorausgang vor der Drossel, die den flüssigen Ammoniak zum Verdampfer leitet, ein Speichergefäß mit verschließbarem Ausgang einbaut. Ein zweites Speichergefäß, dessen Zu- und Abfluss ebenfalls verschließbar sein müssen, wird zwischen der Druckminderungsstufe zwischen Generator und Absorber und dem eigentlichen Absorber eingebaut. Die räumliche Position dieses zweiten Speichergefäßes soll oberhalb des Absorbers liegen. Dieses zweite Gefäß wird mit dem Absorberausgangsgefäß durch eine Lüftungsleitung verbunden, damit beide Behälter auf gleichem Druck stehen.
4.8. Bauweise mit hydraulischem Druckpolster und Formplatten mit daraus herausragenden Dichtelementen
Eine für diese Kältemaschine geeignete kleine, billige, druckdichte Bauweise ohne Wärmebrücken besteht erfindungsgemäß aus einem Plattenstapel, der mit abwechselnd hintereinander angeordneten Formplatten aus elastischem Dichtungsmaterial, die durch Löcher sowie kanalförmige Ausschnitte durchbrochen sind und zum Leiten von Flüssigkeiten oder Gasen dienen, und Trennplatten aus Metallblech, in denen Löcher zur Leitung von Flüssigkeiten oder Gasen quer zur Plattenebene gemacht sind, aufgebaut ist, der durch Schrauben zwischen zwei stärkeren metallischen Aussenplatten zusammengepresst ist, so dass zwischen je zwei Formplatten eine Trennplatte und zwischen je zwei Trennplatten eine Formplatte zu liegen kommt, mit Ausnahme an einer beliebigen Stelle des Plattenstapels, wo anstelle einer Formplatte ein hydraulischer Druckpolster zwischen zwei Trennplatten zu liegen kommt, der aus einem elastischen, in sich geschlossenen Dichtungsstreifen besteht, der entlang der Plattenränder zwischen dieser beiden Trennplatten eingeklemmt oder dort festgeklebt ist, so dass zwischen diese beiden derart miteinander verbundenen Trennplatten eine hydraulische Flüssigkeit oder ein aushärtendes flüssiges Harz unter hohem Druck einfüllbar ist, wobei außerdem im ganzen Plattenpaket auf jeder Formplatte die unterschiedlichen Druckzonen voneinander durch aus den Plattenebenen hervorragende linienförmige elastische Dichtungselemente abgegrenzt sind, was entweder durch Bekleben jeder Formplatte durch elastische, durchgehende Dichtungsstreifen geschieht oder dadurch, dass jede Formplatte entlang der zur Dichtung vorgesehenen Linien durch schmale Kanäle durchbrochen ist, in die Dichtungsschnüre aus dichtendem Elastomer gelegt sind, und dass in diesem Plattenstapel die Bauteile der Kältemaschine so angeordnet sind, dass der heisse Teil des Generators zu unterst zu liegen kommt, daran aufwärts anschließend die zur Wärmerückführung vorgesehenen Wärmetauscher, deren Temperatur von unten nach oben von heiss zu kalt geht, darüber die rückgekühlten Teile des Absorbers, des Generators und des Druckabsenkers und ganz zu oberst der kalte Verdampfer, wobei an der Grenze zwischen rückgekühlter Zone und kalter Verdampferzone in die metallenen Trennplatten und Aussenplatten Öffnungen gemacht sind, wo schmale Verbindungsstege zu belassen sind, bzw. dort, wo Kanäle in den Formplatten den Verdampfer mit der restlichen Kühlmaschine verbinden.
5. Effekte der Erfindung und Unteransprüche
5.1. Allgemeine Funktion
Die Bauweise der solaren Kältemaschine in Form einer einstufigen durch flüssige Medien beheizte und rückgekühlte Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine im Batch-Verfahren, bestehend aus einem Absorber, einem Kondensator, einem Verdampfer und einem Generator, welcher eine selbsttätige Lösungskonzentrationsoptimierung und einen Druckabsenker enthalt, was ihm erlaubt selbsttätig Lösung an zu saugen, diese zu verarbeiten und danach in den Absorber aus zu pressen hat den Effekt, dass bei jedem Zyklus vom Absorber her eine Portion Lösung mittlerer Konzentration angesaugt wird, wobei der erste Teil dieser Lösung, sobald er in die heisse Generatorzone gelangt noch bei sehr niedrigem Druck zu sieden beginnt, weil der entstehende Ammoniakdampf sofort von der restlichen kalten Lösung , die noch im Eingangsgefäß ist, absorbiert wird. In dieser Prozessphase steigen in diesem Eingangsgefäß langsam die Konzentration und damit auch der Druck im Generator, während gleichzeitig Lösung aus diesem Gefäß in die heiße Zone abfließt. Da diese Lösung dabei aber bei niedrigem Druck siedet, ist ihre Endkonzentration niedriger als bei einer Lösung die bei vollem Kondensatordruck und bei gleicher Temperatur ausgekocht worden wäre. Im weiteren Prozessverlauf steigt der Generatordruck auf den Kondensatordruck und dann kommt auch die mittlerweile stark konzentrierte Lösung aus dem Eingangsgefäß in die heiße Zone. Wegen ihrer hohen Konzentration kann sie auch bei einem relativ hohen Kondensatordruck (z.B. bei hoher Umgebungstemperatur der Maschine) Ammoniak verdampfen, der dann zur Kühlung verwendet wird, selbst wenn die Generatorheiztemperatur nicht sehr hoch ist. Die Konzentration der ausgekochten Lösung ist am Prozessende etwas höher als am Prozessbeginn, aber im Mittel ist die Konzentration der dem Absorber zugeführten Lösung deutlich niedriger als ohne die Durchleitung des Generatordampfs durch das gekühlte Eingangsgefäß, folglich ist auch die Kühltemperatur dieser Kältemaschine niedriger, als ohne diese Erfindung. Da der gesamte Ammoniakdampf durch das rückgekühlte Eingangsgefäß strömt, ist der vom Generator zum Kondensator gehend Dampf kalt und enthält nur sehr geringe Mengen Wasserdampf, weshalb ein Rektifikator in diesem Fall unnötig ist. Anzumerken ist, dass der nicht absorbierbare Ammoniakdampf nicht im rückgekühlten Eingangsgefäß kondensieren kann, weil dessen Temperatur wegen der dort frei werdenden Absorptionswärme immer einige Grade über der Kondensationstemperatur liegt.
Die Ausgekochte Lösung durch den Druckabsenker zu leiten hat folgenden Grund: Ein Druckabsenker, der nach jedem beendigten Generatorprozess in Aktion tritt, muss durch den Wechsel ausgelöst werden, wenn nicht mehr Lösung sondern Gas transportiert wird. Da dabei schwache Lösung das überschüssige Gas aus dem Generator absorbieren soll, ist es vorteilhaft, für diesen Zweck die ausgekochte Lösung des Generators zu verwenden. Daraus folgt, dass der Ausgangsweg des Generators zum Absorber hin direkt durch den Druckabsenker führen soll, weil nur so gewährleistet ist, dass die Lösung im Druckabsenker nach jedem Zyklus erneuert wird.
5.2. Generatoraufbau
Die drei Siphonsysteme, mit denen das gekühlte Generatoreingangsgefäß verbunden ist haben die Effekte:
1. Der erste Siphon oder Heber dient dazu, eine Entleerung des Generatoreingangsgefäßes zur beheizten Generatorzone hin erst dann zu ermöglichen, wenn dieser Behälter in Folge des Generatoransaugprozesses voll ist, denn während der Generator Lösung ansaugt, darf die bereits im Generator befindliche Lösung noch nicht erhitzt werden, weil dies den Ansaugprozess unterbrechen würde. Da diese Heberleitung sehr dünn sein muss, um den Flüssigkeitsstrom zur heißen Zone hin einerseits zu ermöglichen und andererseits zu begrenzen, besteht wie bei jedem Flüssigkeitsheber in dem die Strömung sehr klein ist, die Gefahr, dass sich im Abwärtsstrom nach dem Heberscheitel Gasblasen festsetzen, die die Strömung behindern. Um diesen Effekt zu vermeiden dienen das ventilierte Sammelbecken und die Tatsache, dass sich die Heberleitung erst unterhalb dieses Sammelbeckens verengt. Sobald sich das Eingangsgefäß beim Ansaugprozess gefüllt hat, gelangt Lösung über den Heberscheitel so schnell in das ventilierte Sammelbecken, dass alle Gasblasen aus dem oberen Bereich des Hebers mitgerissen werden, sodass der Heber voll funktionsfähig wird. Erst unterhalb des Sammelbeckens wird durch den engeren Kanal die Strömung des Hebers begrenzt.
2. Der zweite Siphon oder Heber dient dazu, das in der beheizten Zone entstandene Ammoniakgas von unten durch das Eingangsgefäß zu leiten, aber gleichzeitig verhindert er, dass die Lösung direkt über diesen Weg in die beheizte Zone gelangt, wodurch der erste Siphon kurzgeschlossen würde.
3. Der dritte Siphon oder Heber dient dazu, während der Saugphase des Druckabsenkers Gas von oberhalb des Eingangsgefäßes abzusaugen, damit nicht während dieser Phase Lösungsreste in die beheizte Zone gelangen können, gleichzeitig muss dieser Siphon aber verhindern, dass das in der beheizten Zone entstandene Ammoniakgas von oben in das Eingangsgefäß gelangt. Dies wird durch das kleine Lösungssammelbecken vor dem Eingang zur beheizten Zone des Generators verhindert: Der Gasdruck der beheizten Zone drückt von oben auf die Flüssigkeit dieses Lösungssammelbeckens und lässt Lösung im Kanal dieses dritten Siphons hochsteigen, bis der entstehende hydraulische Druck so groß ist, wie der, der dem zweiten Siphon entgegenwirkt, wenn er Gas unter die Lösung im gekühlten Eingangsgefäß leiten soll.
5.3. Druckabsenker
Alle Druckabsenker der drei beschriebenen Arten, insbesondere in der ersten Version, haben den Effekt, dass sich, sobald der Lösungsfluss des Generators beendet ist, und der Generator nur noch Gas ausstößt, zuerst im unteren Behälter eine große Gasblase bildet und sich danach die Lösung des oberen Behälters in den unteren entleert, wobei es zu einer Verwirbelung zwischen Lösung und Gas kommt, die das überschüssige Gas aus dem Generator aufsaugt. Sobald der Generator wieder Lösung vom Generator ansaugt hat, läuft diese Lösung durch die heiße Generatorzone und verschließt kurz danach den Druckabsenkerzugang, so dass nunmehr neue Lösung von unten in die beiden Behälter eintritt und diese füllt.
In der zweiten Version des Druckabsenkers ist der Effekt der dritten Leitung der, dass der Saugprozess des Druckabsenkers nach der Neufüllung des Generatoreingangsgefäßes mit Lösung schneller beendet wird, was die Zyklusdauer verringert und damit die spezifische Leistung der Maschine pro Volumen erhöht.
In der Dritten Version des Druckabsenkers ist der Effekt der vierten und fünften Leitung sowie des zweiten Rückschlagventils der, dass der Druckabsenker nach der Ausbildung der Gasblase im unteren Behälter nicht sofort den Fluss der Lösung vom oberen in den unteren Behälter erlaubt, sondern zuerst den Großteil der überschüssigen Gasmenge aus dem Generator direkt in den Absorber abziehen lässt und erst dann den Rest des Gases aufsaugt.
Während die beiden ersten Versionen der Druckabsenker je nach ihrer Dimensionierung nur für gewisse Außen- und Heiztemperaturen geeignet sind, eignet sich die dritte Version für alle denkbaren Fälle.
5.4. Absorber mit aufwärts strömender Lösung und mit Ausgangssammelgefäß
Die Bauweise des Absorbers aus zwei Abschnitten, einen heißen mit aufwärts fließender Lösung und einen kalten mit abwärts fließender Lösung hat die folgenden Effekte:
Durch die fallende Lösung entsteht ein Unterdruck im gesamten kalten Abschnitt, der den vom Verdampfer kommenden Ammoniakdampf und die heisse Lösung durch den heissen Abschnitt aufwärts saugt. Das abschließende rückgekühlte Absorber- Ausgangssammelgefäß, in dessen Unterseite kalte Lösung und allfälliges nicht absorbiertes Gas aus dem zweiten Abschnitt des Absorbers münden, verstärkt diesen Effekt noch. Die im ersten Abschnitt aufwärts strömende heiße und Gas absorbierende Lösung (exothermer Prozess) läuft im Gegenstrom zur Generatorlösung, die der Schwerkraft folgend, durch die heiße Zone des Generators fließt und Dampf auskocht (endothermer Prozess). Somit wird durch diese spezielle Form des Absorbers die Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers ermöglicht, der einen Teil der entstehenden Absorptionswärme an den Generator abgibt.
Im Absorber-Ausgangssammelgefäß sammelt sich die Lösung bevor sie vom Generator über ein Rückschlagventil angesaugt wird.
5.5. Absorberausgangsgefäß mit Starter
Da die Maschine keine autonome Lösungspumpe hat, besteht die Gefahr, dass sie beim Einschalten der Heizung nicht von selbst startet, weil sich im Generator gerade nicht genug Lösung befindet. Das Dreiwegventil, durch welches kurzzeitig heißes Medium in den Kühlmantel des Absorber-Ausgangsbehälters geleitet werden kann erlaubt es den Druck im Absorber-Ausgangssammelgefäß zu erhöhen, so dass Lösung in den Generator gepresst wird, damit die Maschine startet.
5.6. Wärmerückgewinnung
Wird die im Generator ausgekochte Lösung zur Druckabsenkung verwendet, muss sie erst abgekühlt werden. Die dafür zu entziehende Wärme sollte dem System wieder zurückgegeben werden. Der Wärmetauscher, auf dessen Primärseite die heiße vom Generator kommende Lösung in abgekühlt wird und auf der Sekundärseite die vom Druckabsenker zum Absorber fließende Lösung in aufgewärmt wird hat den Effekt, dass dem Druckabsenker nur kalte Lösung zugeführt wird, die von diesem zur Absorption des Restgases aus dem Generator benötigt wird, dass aber dennoch dem Absorber nur heiße Lösung mit schwacher Konzentration dem Absorber zugeführt wird, damit der Absorptionsprozess dort bei der jeweils höchsten möglichen Temperatur stattfindet, damit diese Absorptionswärme aus dem heißen Teil des Absorbers an die Vorwärmzone des Generators zurückgegeben werden kann.
5.7. Bauweise aus Platten mit hydraulischem Druckpolster
Die Bauweise der Maschine aus Platten mit einem hydraulischen Druckpolster hat den Effekt, dass an den Stellen wo bei einer Formplatte die Nachbarformplatten an den korrespondierenden Stellen analoge Stege haben, immer der zur Dichtung notwendige Anpressdruck herrscht, auch wenn der Gesamtdruck der Anlage so groß ist, dass die Außenplatten sich im Zentrum leicht nach außen biegen. An den Plattenstellen aber, wo zu einer Formplatte die Nachbarformplatten nicht die gleiche Steganordnung haben oder wo bei gleicher Steganordnung unterschiedliche Druckzonen benachbart zu liegen kommen, ist mit einer leichten Durchbiegung der dazwischen liegenden Trennplatten zu rechnen (siehe dazu Fig.5b). Da dies zu undichten Stellen zwischen benachbarten Plattenzonen mit unterschiedlichen Drücken führen kann, muss von dem in AT506358 vorgeschlagenen Prinzip der „ebenen Platten" abgegangen werden, weil es für Kältemaschinen nicht anwendbar ist, weshalb die aus den Oberflächenebenen hervorragenden linienförmigen elastischen Dichtungselemente eingeführt werden, welche den durch Trennplattenverbiegung entstehenden Hohlraum in wohl definierte Druckzonen auftrennen. Der hydraulische Druckpolster garantiert dann, dass auch in Bereichen innerhalb jeder Druckzone die Trennplatten hinreichend fest aneinander gedrückt werden, um die korrekte Funktion dieser Bauteile zu ermöglichen. Dadurch ist es nicht notwendig, entlang aller Stege in den Formplatten lineare Dichtungen anzubringen, was aufwendig wäre, sondern nur an den Grenzen unterschiedlicher Druckzonen.
Reservegefäße und Regulierventile müssen vor den Aussenplatten angebracht und über Leitungen durch die Platten hindurch zu den relevanten Stellen des Systems verbunden werden. Rückschlagventile in Form von Regenschirmventilen („umbrella valves") aus Elastomeren finden innerhalb des Plattenpakets selbst Platz. 5.8. Integrierter Energiespeicher
Der erfindungsgemäße Energiespeicher hat den Effekt, dass auch zu Zeiten, wo keine Sonne scheint, gekühlt werden kann, wenn nur in den Sonnenscheinphasen genug schwach konzentrierte Lösung und genug flüssiger Ammoniak gebildet worden sind. Man kann dann jederzeit die schwache Lösung in den Absorber fließen lassen und über den Verdampfer vom Kondensatorausgangstank her Ammoniak zufließen lassen und kann kühlen, solange der Vorrat reicht. Die dabei entstehende stark konzentrierte Lösung wird im Absorberausgangstank bis zur nächsten Sonnenscheinphase gespeichert. Ein zusätzlicher Effekt besteht darin, dass bei einer Kühlung unter Verwendung der Speicher für Ammoniak und schwacher Lösung, der Kühleffekt sofort auftritt, während eine Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine ohne diese Einrichtung normalerweise recht lange braucht bis eine Kühlung spürbar wird.
6. Aufzählung und kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Fig.1 : zeigt ein Funktionsschema der Kältemaschine in der einfachsten Ausführungsform
- Fig.2. zeigt drei verschiedene Versionen von Druckabsenkern, davon zeigt Fig2a die einfachste Ausführungsform, Fig.2b eine Version mit einem zusätzlichen Siphon, die den Druckabsenkvorgang rascher beendet, Fig. 2c eine Version, die zuerst überschüssiges Gas aus dem Generator in den Absorber abziehen lässt und erst dann den verbliebenen Druck senkt.
- Fig.3. zeigt ein Funktionsschema der Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung und Speichertanks
- Fig. zeigt eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts anhand eines auseinandergenommenen Plattenstapels, der eine Platte mit dem Druckabsenker zeigt.
- Fig.5 zeigt einen Detailauschnitt aus einem Plattenpaket um die Notwendigkeit der linearen Dichtungen zu erklären.
Die Nummern in den Zeichnungen beziehen sich auf die folgenden Begriffe:
1. Generator, heiße Zone
2. Generator-Eingangsrückschlagventil Generator - Eingangsgefäß
Generator - Eingangsgefäß, erster Siphon oder Heber
Generator - Eingangsgefäß, erster Siphon oder Heber, Sammelbecken
Generator - Eingangsgefäß, erster Siphon oder Heber, Sammelbecken Lüftung Generator - Eingangsgefäß, erster Siphon oder Heber, Sammelbecken, Verbindungskanal mit Regulierelement
Generator - Eingangsgefäß, zweiter Siphon oder Heber
Generator - Eingangsgefäß, dritter Siphon oder Heber
Generator - Eingangsgefäß, dritter Siphon oder Heber, Lösungssammelbecken Generator - Aufwärmzone
Generator - beheizte Zone
Generator - Dampfleitungen
Absorber
Absorber - Gasrückschlagventil
Absorber - Lösungsrückschlagventil
und 17' Absorber - Lösungszufluß Regulator
Absorber - warme Zone
Absorber - kalte Zone
bsorber - Eingangsgefäß
bsorber - Ausgangsgefäß
bsorber - Ausgangsgefäß, erster Absperrhahn
bsorber - Ausgangsgefäß, zweiter Absperrhahn
erdampfer
Kondensator
Kondensator - Drossel
Kondensator - Rückschlagventil
Kondensator - Ammoniakgefäß
Druckabsenker - Druckabsenker - Zufluss
ruckabsenker - Abfluss
ruckabsenker - unterer Behälter
ruckabsenker - oberer Behälter
ruckabsenker - erste Leitung 35. Druckabsenker - erste Leitung, U-Rohr
36. Druckabsenker - zweite Leitung
37. Druckabsenker - dritte Leitung
38. Druckabsenker - vierte Leitung
39. Druckabsenker - fünfte Leitung
40. Druckabsenker - erstes Rückschlagventil
41. Druckabsenker - zweites Rückschlagventil
42. Druckabsenker - Regulierventil
43. Außenplatte
44. Formplatte
45. Formplattensteg Querschnitt
46. aus der Plattenebene vorstehende lineare Dichtung
47. aus der Plattenebene vorstehende lineare Dichtung, Rundschnur
48. aus der Plattenebene vorstehende lineare Dichtung, aufgeklebt
49. Trennplatte
50. Plattenpaket
51. Schraubenlöcher
52. Durchgangslöcher
53. Plattenöffnung
54. beheizte Zone
55. Übergangszone heiß - kalt
56. rückgekühlte Zone
57. Wärmedämmzone
58. gekühlte Zone
59. Hochdruckbereich
60. erster Niederdruckbereich
61. zweiter Niederdruckbereich
62. Wärmetauscher, Absorptionswärmerückgewinnung
63. Wärmetauscher für Druckabsenker
64. Formplattensteg Querschnitt, gequetscht
65. Formplattensteg Querschnitt, mit Längskanal
66. Rundschnur Dichtung
67. Formplattensteg Querschnitt, vom Dichtungsband gequetscht 68. aufgeklebtes Dichtungsband
69. Verbindungssteg zwischen Metallplattenöffnungen
70. Verbindungssteg für Kanal
7. Beschreibung der Zeichnungen
Fig.1 zeigt ein Funktionsschema der Kältemaschine in der einfachsten Ausführungsform ohne Wärmerückführung. Zu sehen sind ein Generator -1 - mit Eingangsgefäß -3- und Druckabsenker -29-, ein Absorber -14- mit Absorberausgangsgefäß -21 -, ein Kondensator -25 und ein Verdampfer -24-. Die Pfeile geben die Hauptflussrichtung von Lösung bzw. Gas an. Heiz- und Kühlmedien sind nicht eingezeichnet.
Jeder Prozesszyklus beginnt mit der Füllung des Generatoreingangsgefäßes -3- durch stark konzentrierte Lösung aus dem Absorberausgangsgefäß -21 -, welche über das Eingangsrückschlagsventil -2- angesaugt wird, sobald der Generatordruck niedriger ist, als der Absorberdruck. Während das Lösungsniveau im Generatoreingangsgefäß -3- steigt, steigt es auch im ersten Siphon oder Heber -4-. Sobald das Flüssigkeitsniveau die Höhe des oberen Scheitels des Hebers -4- erreicht hat, rinnt zunächst wegen des Gaswiderstands im Heberrohr -4- nur ein dünnes Rinnsal in das Sammelbecken -5- , reißt dabei aber Gas mit, wodurch der Lösungsfluss schneller wird, so dass sich das Sammelbecken -5- rasch füllt, wobei das Gas über die Entlüftung -6- zurück in das Eingangsgefäß -3- strömt. Vom Sammelbecken -5- läuft die Lösung dann langsam durch einen engen Verbindungskanal -7- in den beheizten Generator -1 -. Dort erwärmt sich die Lösung bis zum Sieden und verdampft dabei Ammoniak, der durch die Dampfleitungen -13- und den zweiten Siphon oder Heber -8- mit dem Eingangsgefäß -3- verbunden ist. Der Ammoniakdampf blubbert dann von unten durch die kalte Lösung, die sich noch im Eingangsgefäß -3- befindet, wobei in der Anfangsphase des Zyklus dieser Dampf ganz in der Lösung absorbiert wird. Dadurch steigt ihre Konzentration und damit auch der Druck im Generatorsystem -1 - und wegen der Verbindung durch das Rückschlagventil -27- auch im Kondensator -25. Sobald im Kondensator -25- der Verflüssigungsprozess des Ammoniaks beginnt, wird im Kondensatoreingangsgefäß - 3- kein weiterer Ammoniak mehr absorbiert, weil die Lösung unter diesen Bedingungen schon gesättigt ist. Zusätzlicher Ammoniakdampf wird also zur Gänze zum Kondensator -25- weitergeleitet. Während dieses Prozesses läuft Lösung vom Eingangsbehälter -3-, über den Heber - 4-, durch das Sammelbecken -5-, durch den Verbindungskanal -7- und dann durch das Lösungssammelbecken -10- zum Eingang der heißen Zone des Generators -1 - wo die Lösung den Großteil ihres Ammoniaks wegkocht, zum Eingang -30- des rückgekühlten Druckabsenkers -29- der sich im oberen Teil des Behälters -32- befindet. Im Normalfall sind beide Behälter -32- und -33- mit kalter schwach konzentrierter Lösung gefüllt. Die heiße durch den Eingang -30- einströmende Lösung erkaltet rasch. Sie strömt dann vom unteren Behälter -32- durch die beiden Leitungen -34- und -36- in den oberen Behälter-33- und von dort durch das Rückschlagventil -40- und das Regelventil -17- zum Absorber -14-. Sobald die gesamte Lösung aus dem Eingangsgefäß -3- und dem Generator -1 - verbraucht ist, gelangt in den unteren Behälter -32- Gas an Stelle der Lösung. Es bildet sich eine Gasblase im unteren Behälter -32- und das Lösungsniveau sinkt, während die Lösung durch die Leitung -34- in den oberen Behälter -33- verdrängt wird. Gleichzeitig sinkt der Lösungsspiegel in dem Schenkel der Siphon-Leitung -36- welcher sich zum unteren Behälter -32- hin öffnet. Da dieser Lösungsteil mit der Lösung im unteren Behälter -32- über den Umweg durch den oberen Behälter -33- hydrostatisch verbunden ist, befinden sich der Lösungsspiegel in der Leitung -36- und im unteren Behälter -32- während dieses Verdrängungsvorganges immer auf gleicher Höhe, bis der untere Extrempunkt der Leitung -36- erreicht ist. In diesem Moment - wir nennen ihn die Auslösung des Druckabsenkers - dringt Gas in den aufwärts zum oberen Behälter -33- strebenden Schenkel der Leitung -36- und gelangt in den Unterteil des oberen Behälters -33-. Dem hydrostatischen Druckgefälle folgend strömt nun Lösung vom oberen Behälter -33- durch die Leitung -34- in den unteren Behälter -32- und saugt dabei Gas durch die Leitung -36- aufwärts. Da dieses Gas aber sofort in der kalten Lösung des Behälters -33- absorbiert wird (weil es von unten kommt), sinkt der Druck im Druckabsenker -29- sehr schnell stark ab. Die Saugwirkung pflanzt sich über den Siphon oder Heber -9- in das Generator Eingangsgefäß -3- fort, so dass dieses neue Lösung ansaugt. Das Rückschlagventil - 40- verhindert, dass Lösung aus dem Absorber -14-in den Druckabsenker-29- gesaugt wird.
Über das Rückschlagventil -40- und das Regelventil -17- gelangt die schwach konzentrierte Lösung in den Absorber -14-. In dieser einfachsten Version der Maschine ist die Strömungsrichtung im Absorber immer nur abwärts, der Schwerkraft folgend. Im rückgekühlten Absorber -14- absorbiert die Lösung den durch das Rückschlagventil -15- kommenden Ammoniakdampf, welcher zuvor nach seiner Kondensation im Kondensator -25-durch die Drossel oder Druckstufe -26- in den Verdampfer -24- gelangt ist und dort wieder in Gas verwandelt wurde, wobei der gewünschte Kühleffekt entstanden ist.
Fig. 2a zeigt einen Druckabsenker in seiner einfachsten Bauform. Er besteht aus einem unteren -32- und einem oberen Behälter -33-. Lösung oder Gas wird beim Eingang -30- zugeführt, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Mündung dieser Zuflussleitung im oberen Bereich des Behälters -32- liegt. Im Normalfall sind beide Behälter -32- und -33- mit kalter schwach konzentrierter Lösung gefüllt, wobei die Lösung vom unteren Behälter -32- durch die beiden Leitungen -34- und -36- in den oberen Behälter-33- und von dort durch das Rückschlagventil -40- zum Ausgang -31 - f ließt. Sobald Gas an Stelle der Lösung in den unteren Behälter -32- strömt, bildet sich dort eine Gasblase und das Lösungsniveau sinkt im unteren Behälter -32-, während die Lösung durch die Leitung -34- in den oberen Behälter -33- verdrängt wird. Gleichzeitig sinkt der Lösungsspiegel in dem Schenkel der Siphon-Leitung -36- welcher sich zum unteren Behälter -32- hin öffnet. Da dieser Lösungsteil mit der Lösung im unteren Behälter -32- über den Umweg durch den oberen Behälter -33- hydrostatisch verbunden ist, befinden sich der Lösungsspiegel in der Leitung -36- und im unteren Behälter -32- während dieses Verdrängungsvorganges immer auf gleicher Höhe, bis der Tiefpunkt der Leitung -36- erreicht ist. In diesem Moment dringt Gas in den aufwärts zum oberen Behälter -33- strebenden Schenkel der Leitung -36- und gelangt in den Unterteil des oberen Behälters -33-. Dem hydrostatischen Druckgefälle folgend strömt nun Lösung vom oberen Behälter -33- durch die Leitung -34- in den unteren Behälter -32- und saugt dabei Gas durch die Leitung -35- aufwärts. Da dieses Gas aber sofort in der kalten Lösung des oberen Behälters -33- absorbiert wird (weil es von unten kommt), sinkt der Druck im Druckabsenker -29- sehr schnell stark ab.
Fig. 2b zeigt einen Druckabsenker, der weitgehend mit Fig.2a identisch ist, jedoch durch den zusätzlichen Heber -37- verbessert ist. Die Funktion dieses Hebers besteht darin, am Zyklusbeginn, sobald der Druck im Generator zu steigen beginnt, den Druckabsenker schneller abzuschalten. In dieser Phase hat sich am Boden des Generators -1 - noch kein stabiler Lösungssee gebildet, sondern es strömt ein schaumartiges Gemenge aus Lösung und Dampf in den unteren Behälter -32-, und füllt diesen zwar, aber der Absorptionsvorgang im oberen Behälter -33- geht weiter, weil wegen des gestiegenen Generatordrucks Lösung durch den Ausgang - 31 - abfließt/ wodurch zusätzlicher Raum im oberen Behälter -33- frei wird. Dabei geht die Gasströmung durch die Leitung -36- so schnell, dass die in den unteren Behälter -32- gelangende Lösung sofort in den oberen Behälter -33- hinauf mitgerissen wird. Dabei ist der untere Behälter -32- fast voll, während in der Leitung -36- die Flüssigkeitsspiegel schnell auf und ab oszillieren, wodurch nicht genug Lösung in den oberen Behälter -33- gelangen kann, um die Gasblase dort aufzufüllen. Der Heber -37- unterbricht diesen Oszillationsvorgang, wodurch die beschriebene kritische Phase beendet wird.
Fig. 2c zeigt einen Druckabsenker, der aus der einfachsten Version (Fig.2a) weiterentwickelt wurde. Während der Ausbildung der Gasblase im unteren Behälter -32- ändert sich der Lösungsspiegel im Siphon -36- zunächst nur wenig, wegen des einstellbaren Strömungswiderstandes -42-, Dagegen bewegt sich der Lösungspiegel im Siphon -39- synchron mit dem Lösungsspiegel im unteren Behälter -32- abwärts, bis der Tiefpunkt der Leitung -39- erreicht ist. Das U-Rohr -35- garantiert dabei, dass einstweilen kein Gas in den oberen Behälter -33- gelangen kann. In diesem Moment entleeren die Leitungen -38- und -39- ihren Lösungsinhalt in den unteren Behälter -32-. Gas vom Generator -1 -, das nun in den unteren Behälter -32- einströmt, kann nun ungehindert durch das Rückschlagventil -41 - zum Ausgang -31 - abziehen, wodurch sich der Generatordruck dem im Absorber (in dieser Abbildung nicht dargestellt) herrschenden Druck annähert.
In der Zwischenzeit ist auch der Flüssigkeitsspiegel in Leitung -36- bis zu seinem unteren Scheitel abgesunken, wodurch der eigentliche Druckabsenkprozess ausgelöst wird. Da aber der Großteil des Gases bereits vorher zum Absorber hin abgezogen ist, geht dieser Druckabsenkvorgang nun wesentlich schneller und effektiver vor sich. Fig. 3 zeigt ein Funktionsschema der Kältemaschine mit Wärmerückgewinnung und Speichertanks. Zu sehen sind ein Generator (1 , 11 ,12) mit Eingangsgefäß -3-, einer Aufwärmzone -11 -, einer beheizten Zone -12- und Druckabsenker -29-, ein Absorber mit einem Absorbereingangsgefäß -20-, einer warmen Zone -18-, wo die Lösung aufwärts fließt und einer kalten Zone -19-, wo die Lösung abwärts fließt und mit einem Absorberausgangsgefäß -21 -, ein Kondensator -25- mit einem Kondensatorausgangsgefäß -28- und ein Verdampfer -24-. Die Pfeile geben die Hauptflussrichtung von Lösung bzw. Gas an. Heiz- und Kühlmedien sind nicht eingezeichnet. Stattdessen sind am linken Bildrand horizontale Temperaturzonen angegeben, die für die gesamte Maschine mit Ausnahme der Behälter -20-, -21 - und -28- gelten: Die beheizte Zone -54-, eine Temperaturübergangszone -55-, in der von unten nach oben die Temperatur von Heiztemperatur auf Rückkühltemperatur sinkt, die Rückkühlzone -56- mit Umgebungstemperatur und die Kühlzone -58- mit der gewünschten Kühltemperatur.
Der Wärmetauscher -62- dient dazu, die im warmen Teil -18- des Absorbers entstehende Absorptionswärme an die Aufwärmzone des Generators -11 - abzugeben.
Der Wärmetauscher -63- dient dazu, die heiße, von der beheizten Zone -12- des Generators kommende und zum Druckabsenker -29- fließende Lösung abzukühlen, und nach ihrem Weg durch den Druckabsenker -29- wieder aufzuwärmen.
Fig. 4 zeigt eine praktische Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konzepts anhand eines auseinandergenommenen Plattenstapels -50-, der eine Formplatte - 44- mit Teilen von Druckabsenker -29-, Verdampfer -24- und der beheizten Generatorzone -12- zeigt. Außerdem sind die horizontalen Temperaturzonen eingezeichnet: Die beheizte Zone -54-, eine Temperaturübergangszone -55-, in der von unten nach oben die Temperatur von Heiztemperatur auf Rückkühltemperatur sinkt, die Rückkühlzone -56- mit Umgebungstemperatur, eine weitere Übergangszone, die als Wärmedämmzone -57- mit Öffnungen in den Metallplatten - 53- ausgebildet ist und die Kühlzone -58- mit der gewünschten Kühltemperatur. Außerdem erkennt man in der Temperaturübergangszone -55- Übergangsstege - 69,70-, die sowohl zu einer festen Verbindung zwischen Kühlzone und der restlichen Maschine als auch der Durchführung von Kanälen -70- dienen. Von außen (in der Abbildung nicht sichtbar) ist der Plattenstapel -50- selbstverständlich auch mit einer Wärmedämmung umgeben.
Ganz vorne am Plattenstapel -50- erkennt man eine Außenplatte -43-, welche dicker ist als die übrigen Platten. Sie hat, wie alle Platten in der verschraubten Ausführungsform, Schraubenlöcher -51 -, damit die dazugehörigen Schrauben (nicht gezeichnet) den notwendigen primären Montagedruck herstellen können. Außerdem hat sie im Bereich der Wärmedämmzone -57- Plattenöffnungen -53-. Der Plattenstapel -50- ist so in zwei Teile auseinandergenommen dargestellt, dass dazwischen eine ganze Beispielformplatte -44- und eine Beispieltrennplatte -49- zu sehen sind. Verschiedene Teile des Maschinenkonzeptes (siehe Fig.3) werden dabei durch Kanäle auf unterschiedlichen Formblättern -44- dargestellt. Verbindungen solcher Kanäle zu anderen Formplatten im Plattenstapel -50- durch die Trennplatten -49- werden durch Durchgangslöcher -52- gewährleistet, wobei auch Formplatten -44- Durchgangslöcher -52- aufweisen können.
Auf der gegenständlichen Abbildung enthält die Formplatte -44- einen Teil des Verdampfers -24-, den oberen Behälter -33- und den unteren Behälter -32- des Druckabsenkers -29-, einen Teil des Wärmetauschers -63- sowie einen Teil der beheizten Generatorzone -12-. Die Druckabsenkerzone -29- ist von einer linearen Dichtung -46- umgeben. Das Gleiche gilt für die Durchgangslöcher -52- der Formplatte -44-. Die Formplatte -44- hat keine Plattenöffnungen -53-, da sie aus schlecht Wärme leitendem Material gefertigt ist, die Trennplatte -49- hat dagegen schon Plattenöffnungen -53-, da sie aus Metall besteht.
Die Linie A-B kennzeichnet einen Schnitt, der in Fig. 5 dargestellt wird.
Fig. 5a, b, c, d zeigen alle denselben Detailausschnitt aus einem Plattenpaket -50- entlang der Schnittlinie A-B in Fig.4:
Fig. 5a zeigt einen Ausschnitt aus 3 verschiedenen Trennplatten -49- mit dazwischen liegenden Formplatten -44,45-. Da der dargestellte Schnitt orthogonal zu den Plattenebenen liegt, sieht man von den Formplatten -44- nur quer durchgeschnittene Stege -45-. Die Schnittflächen der Trennplatten -49- erscheinen als gerade vertikale Linien. Allerdings ist das eine idealisierte Darstellungsweise, die nur dann genähert richtig ist, wenn in allen verbleibenden Räumen zwischen den dargestellten Formplattenstegen -45- der gleiche Druck herrscht.
Fig. 5b zeigt denselben Ausschnitt wie Fig.5a für den Fall dass der Druck in den gezeigten Hohlräumen nicht gleich ist. Für das Beispiel soll im Raum -59- hoher Druck herrschen, in Raum -60- ein niedrigerer Druck und in den Räumen -61 - ein noch niedrigerer Druck. Da die Formplatten aus elastischen synthetischen Dichtungsplatten gefertigt werden sollen, wird der Formplattensteg -64- leicht zusammengequetscht, wodurch sich ein Verbindungsspalt zwischen der Hochdruckzone -59- und der Niederdruckzone -60- öffnet, durch den Lösung oder Gas durchtreten wird. In realen Fällen ist dieser Effekt so stark, dass sich sogar Trennplatten -49- aus 1 mm dickem Edelstahlblech an einer solchen Stelle um einige Zehntel Millimeter dauerhaft verformen. Noch stärker ist die Verformung einer Trennplatte -49-, wenn an einer solchen kritischen Stelle die Formplattenstege -45- zu beiden Seiten dieser Trennplatte -49- nicht genau gegenüber sondern versetzt liegen. In einem solchen Fall nützt es auch nichts, Formplatten -45- aus nicht quetschbarem Material zu verwenden (z.B. Stahl)
Fig. 5c zeigt denselben Ausschnitt wie Fig.5b, mit der gleichen Druckverteilung und der gleichen Plattendeformierung. In den Formplattensteg -65- ist aber ein Längskanal eingefügt, in den eine runde Dichtungsschnur -66- liegt. Da diese Schnur aus der Plattenoberfläche von -65- hervorragt, kann sie den Spalt bis zur anliegenden Trennplatte -49-überbrücken.
Fig. 5d zeigt ebenfalls denselben Ausschnitt wie Fig.5b, mit der gleichen Druckverteilung und der gleichen Plattendeformierung. Auf den Formplattensteg - 67- ist aber ein elastisches Dichtungsband -68- aufgeklebt. Natürlich quetscht auch dieses Dichtungsband -68- den Plattensteg -67- etwas zusammen. Da aber dieses Band aus der Plattenoberfläche von -45- hervorragt, kann es den Spalt bis zur anliegenden Trennplatte -49- überbrücken.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Einstufige Ammoniak-Wasser Absorptionskältemaschine im Batch- Verfahren bestehend aus Generator (1 ) mit Druckabsenker (29) und rückgekühltem Generatoreingangsgefäß (3), Absorber (14), Kondensator (25), Verdampfer (24) dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (1 ) zusammen mit einem
rückgekühlten Eingangsgefäß (3) und dem Druckabsenker (29) eine Bau- und Druckeinheit bilden, worin der Druckabsenker (29) zu Beginn jedes Arbeitszyklus den Generatordruck unter den Absorberdruck absenkt, sodass von dort über ein Rückschlagventil (2) Lösung in das rückgekühlte Generatoreingangsgefäß (3) fließt, dieses füllt und dass von dort die Lösung der Schwerkraft folgend allmählich in eine heiße Zone (1 ) fließt, welche insbesondere aus einer vom Absorber (18) her gewärmten Vorwärmzone (11 ) und einer extern beheizten heißen Zone (12) besteht, wo Ammoniakdampf entsteht, der mit einer Siphonleitung (8) von unten durch die noch im Generatoreingangsgefäß (3) befindliche restliche Lösung strömt und wo vom oberen Ende dieses Generatoreingangsgefäßes eine Gasleitung durch ein Rückschlagventil (27) zum Kondensator (25) führt, während die aus der heißen Zone (1 ) ausfließende ausgekochte Lösung durch den Druckabsenker (29) und durch ein Rückschlagventil (40) sowie eine Druckverminderungsstufe (17) zum Absorber (14) strömt.
2. Kältemaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das gekühlte Generatoreingangsgefäß mit drei Siphon- oder Hebern (4, 8, 9) verbunden ist, deren erster (4) aus einer engen Leitung besteht, die vom Boden des
Eingangsgefäßes (3) aufwärts bis zur maximalen Füllhöhe desselben führt, sich dort wieder nach unten wendet und unterhalb desselben Gefäßes (3) in ein kleines zur Oberseite des Eingangsgefäßes hin ventiliertes (6) Sammelbecken (5) mündet, von welchem ein enger Verbindungskanal mit eingebautem Regulierelement (7), in die darunter liegende beheizte Generatorzone (1 ) führt, während der zweite Siphon oder Heber (8) aus einer Leitung besteht, die vom Oberteil der beheizten Zone (1 ) aufwärts bis oberhalb der Oberkante des gekühlten Eingangsgefäßes (3) führt, sich dort wieder nach unten wendet und zur Unterseite des gekühlten Eingangsgefäßes (3) führt, in das sie dort einmündet, während der dritte Siphon oder Heber (9) aus einer Leitung besteht, die vom oberen Bereich des gekühlten Eingangsgefäßes (3) abwärts bis zum Eingang der heißen Zone des Generators (1 ) führt und dort in ein kleines Lösungssammelbecken (10) mündet.
3. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabsenker (29) aus zwei übereinander angeordneten rückgekühlten Behältern (32, 33) besteht, die durch zwei Leitungen ( 34, 36) verbunden sind, durch welche vom Generator (1 ) kommende Lösung oder Gas zuerst durch den unteren (32) und dann durch den oberen Behälter (33) und dann durch ein
Rückschlagventil (40) zum Absorber (14) strömt, wobei die erste Leitung (34) den Boden des oberen Gefäßes (33) mit dem Boden des unteren Gefäßes (32) verbindet und die zweite Leitung (36) ausgehend vom oberen Bereich des unteren Behälters (32) zuerst abwärts führt, den knapp oberhalb des Bodens des unteren Behälters (32) sich nach oben wendet und dann im Bodenbereich des oberen Behälters (33) in diesen einmündet.
4. Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Leitung (37) im Druckabsenker (29) hinzukommt, die etwa aus der Mitte des vom Oberteil des unteren Behälters (32) abwärts strebenden Teils der zweiten Leitung (36) abzweigt und nach oben führt, sich dann im oberen Bereich des unteren Behälters (32) nach unten wendet und in den unteren Bereich des zum oberen Behälter (33) hin aufwärts strebenden Teils der zweiten Leitung (36) mündet.
5. Kältemaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vom oberen Behälter (33) kommende erste Leitung (34) des Druckabsenkers (29) unterhalb des unteren Behälters (32) ein U-Rohr (35) bildet, dessen Tiefpunkt den tiefsten Punkt des ganzen Druckabsenkers (29) bilden muss und andererseits die zweite Leitung (36) in ihrem zum oberen Behälter (33) aufwärts strebenden Teil durch ein Regulierventil (42) unterbrochen ist, und dass dieser Druckabsenker (29) noch ein zweites Rückschlagventil (41 ) hat, parallel zum ersten Rückschlagventil (40) und ebenfalls in Flussrichtung zum Absorber (14), gespeist von zwei parallelen Zuflüssen, nämlich aus einer vierten (38) und einer fünften Leitung (39), wobei die vierte Leitung (38) vom Boden des unteren Behälters (32) direkt aufwärts zum zweiten Rückschlagventil (41 ) führt, während die fünfte Leitung (39) ausgehend vom oberen Bereich des unteren Behälters (32) zuerst abwärts führt, den knapp oberhalb des Bodens des unteren Behälters (32) sich nach oben wendet und dann ebenfalls zum zweiten Rückschlagventil (41 ) führt.
6. Kältemaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Absorber (14) aus zwei Abschnitten (18, 19) und einem Ausgangssammelbeh lter (21 ) besteht, wo im ersten Abschnitt (18) heiße, schwach konzentrierte Lösung aufwärts fließt und gleichzeitig Ammoniakdampf absorbiert und die dabei entstehende Wärme über einen Wärmetauscher (62) an die
Vorwärmzone (11 ) des Generators (1 ) abgibt, wonach die so abgekühlte Lösung in einen darüber liegenden zweiten Abschnitt (19), der von außen rückgekühlt ist, geleitet ist, wo die Lösung der Schwerkraft folgend abwärts fließt, weiteren
Ammoniak absorbiert und schließlich zur Unterseite eines darunter liegenden von einem flüssigen Medium rückgekühlten Ausgangssammelbehälters (21 ) geführt ist, von welchem der Generatoreingangsbehälter (3) am Anfang jedes Zyklus die Lösung ansaugt.
7. Kältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich am Zufluss des Rückkühlmediums des Absorberausgangssammelbehälters (21 ) ein Dreiwegventil befindet, welches es erlaubt, kurzzeitig ein heißes Medium durch den mit diesem Lösungsspeicher (21 ) verbundenen Kühlmantel zu schicken.
8. Kältemaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausstattung des Druckabsenkers auch ein Wärmetauscher (63) gehört, auf dessen Primärseite die heiße vom Generator (1 , 12) kommende und zum
Druckabsenker (29) fließende Lösung geführt und abgekühlt ist und auf dessen Sekundärseite die vom Druckabsenker (29) zum Absorber fließende Lösung wieder aufgewärmt ist.
9. Kältemaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit Ausnahme der Reservebehälter (20, 21 , 28), der Regelventile (7, 17, 17', 26, 42) sowie der Absperrventile (22, 23) und deren Zuflussleitungen weitestgehend nur aus einem nach aussen wärmegedämmten Plattenstapel (50) besteht, der mit abwechselnd nacheinander angeordneten Formplatten (44) aus elastischem Dichtungsmaterial, die durch Löcher sowie kanalformige Ausschnitte durchbrochen sind und zum Leiten von Flüssigkeiten oder Gasen dienen, und Trennplatten (49) aus Metallblech, in denen Löcher zur Leitung von Flüssigkeiten oder Gasen quer zur Plattenebene gemacht sind, aufgebaut ist, der durch Schrauben zwischen zwei stärkeren metallischen Aussenplatten (43) zusammengepresst ist, so dass zwischen je zwei Formplatten (44) eine Trennplatte (49) und zwischen je zwei Trennplatten (49) eine Formplatte (44) zu liegen kommt, mit Ausnahme an einer beliebigen Stelle des Plattenstapels (50), wo anstelle einer Formplatte (44) ein hydraulischer Druckpolster zwischen zwei Trennplatten (49) zu liegen kommt, der aus einem elastischen, in sich
geschlossenen Dichtungsstreifen besteht, der entlang der Plattenränder zwischen die beiden Trennplatten (49) eingeklemmt oder dort festgeklebt ist, so dass zwischen diese beiden derart miteinander verbundenen Trennplatten (49) eine hydraulische Flüssigkeit oder ein aushärtendes flüssiges Harz unter hohem Druck einfüllbar ist, wobei außerdem im ganzen Plattenpaket (50) auf jeder Formplatte (44) die unterschiedlichen Druckzonen voneinander durch aus deren
Oberflächenebenen hervorragende linienförmige elastische Dichtungselemente (46) voneinander abgegrenzt sind, was entweder durch Bekleben jeder Formplatte durch elastische, durchgehende Dichtungsstreifen (68) geschieht oder dadurch, dass jede Formplatte (44) entlang der zur Dichtung vorgesehenen Linien (65) durch schmale Kanäle durchbrochen ist, in die Dichtungsschnüre (66) aus dichtendem Elastomer gelegt sind, und dass in diesem Plattenstapel (50) die Bauteile der Kältemaschine so angeordnet sind, dass der heisse Teil des Generators (1 , 12) zu unterst zu liegen kommt, daran aufwärts anschließend die zur Wärmerückführung vorgesehenen Wärmetauscher (62, 63), deren Temperatur von unten nach oben von heiss zu kalt geht, darüber die rückgekühlten Teile des Absorbers (19), des
Generators (1 , 3, 5) und des Druckabsenkers (29) und ganz zu oberst der kalte Verdampfer (24), wobei an der Grenze zwischen rückgekühlter Zone und kalter Verdampferzone in die metallenen Trennplatten (49) und Aussenplatten (43) Öffnungen (53) gemacht sind, wo schmale Verbindungsstege (69) zu belassen sind, bzw. dort (70), wo Kanäle in den Formplatten den Verdampfer mit der restlichen Kühlmaschine verbinden.
10. Kältemaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass sich zwischen dem Ausgang des Druckabsenkers (31 ) aber erst nach der Druckstufe (17) zum Absorber (14) hin und dem eigentlichen Eingang zum Absorber (18) ein Reservegefäß (20) befindet, und dass sich auch am Ausgang des Kondensators (25) aber noch vor der Druckstufe oder Drossel (26) ein ebensolches Reservegefäß (28) befindet, wobei diese Reservegefäße (20, 28), ebenso wie das Absorberausgangsgefäß (21 ) an ihrem Eingang und Ausgang vom Benützer des Systems durch geeignete Absperrmittel (17, 17', 22, 23, 26, 27) verschlossen sind.
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