WO2015055159A1

WO2015055159A1 - Absorptionskältemaschine

Info

Publication number: WO2015055159A1
Application number: PCT/DE2013/100356
Authority: WO
Inventors: Fabian Schmid; Thomas Brendel; Marius MÜLLER; René HAHN
Original assignee: Universität Stuttgart
Priority date: 2013-10-18
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2015-04-23
Also published as: EP3058289A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Absorptionskältemaschine (1) enthaltend einen in einem Kreisprozess geführten, abhängig vom Kreisprozess in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen eines Lösungsmittels und eines Kältemittels vorliegenden Arbeitsstoff, einen Hochdruckbereich (2) mit einem das Kältemittel unter Wärmezufuhr aus dem Lösungsmittel treibenden Austreiber (14) als erste Komponente und einem ausgetriebenes Kältemittel kondensierenden Kondensator (20), als zweite Komponente, einen Niederdruckbereich (3) mit einem das Kältemittel unter Wärmeentzug verdampfenden Verdampfer (25) als dritte Komponente und einem Absorber (28) zur Absorption von Kältemitteldampf im Lösungsmittel als vierte Komponente, ein zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich angeordnetes Kältemittelexpansionsventil (24), ein zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich angeordnetes Lösungsmittelexpansionsventil (30) sowie eine zwischen Absorber und Austreiber angeordnete Arbeitsstoffpumpe (8) sowie gegebenenfalls einem zwischen Austreiber und Kondensator angeordneten Dephlegmator (10) als fünfte Komponente sowie gegebenenfalls einem Lösungsmittelwärmeübertrager (23) als sechster Komponente. Um die Kosten einer Absorptionskraftmaschine zu senken und deren Effizienz zu erhöhen, ist zumindest eine Komponente für sich oder in Kombination mit zumindest einer weiteren Komponente als Plattenwärmeübertrager ausgebildet.

Description

Absorptionskältemaschine

Die Erfindung betrifft eine Absorptionskältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Absorptionskältemaschinen dienen beispielsweise der Kühlung von Räumen, wobei Wärme als Antriebsenergie eingesetzt wird. Hierbei wird ein aus einem Lösungsmittel und einem Kältemittel bestehender Arbeitsstoff einem Kreisprozess unterzogen, bei dem mittels unterschiedlicher Komponenten und Wärmezufuhr oder Entzug das Kältemittel aus dem Lösungsmittel ausgetrieben und wieder absorbiert wird. Typische Arbeitsstoffe kön- nen Ammoniak/Wasser-Mischungen, bei denen Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel, Mischungen aus Lithiumbromid und Wasser, bei denen Wasser als Kältemittelmittel dient, und dergleichen sein. Die Phasenänderungen des Kältemittels und die Mischungsverhältnisse des Arbeitsstoffes erfolgen in entsprechend ausgebildeten, im Kreisprozess angeordneten Komponenten. Ein Kreisprozess enthält zumindest einen arbeitenden Hochdruckbereich mit einem das Kältemittel unter Wärmezufuhr aus dem Lösungsmittel treibenden Austreiber als erste Komponente und einem ausgetriebenes Kältemittel kondensierenden Kondensator als zweite Komponente, einen Niederdruckbereich mit einem das Kältemittel unter Wärmeentzug verdampfenden Verdampfer als dritte Komponente und einem Absorber zur Absorption von Kältemitteldampf im Lösungsmittel als vierte Komponente, ein zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich angeordnetes Kältemittelexpansionsventil, ein zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich angeordnetes Lösungsmittelexpansionsventil sowie eine zwischen Absorber und Austreiber angeordnete Arbeitsstoffpumpe. Zur Verbesserung der Trennung von Kältemittel und Lösungsmittel kann gegebenenfalls ein zwischen Austreiber und Kondensator angeordneter Dephlegmator als fünfte Komponente und ein Lösungsmittelwärmeübertrager als sechste Komponente vorgesehen sein. Die EP 2 584 287 A1 zeigt eine mögliche Form einer Absorptionskältemaschine. Durch die Art der Ausgestaltung der Komponenten, beispielsweise unter Verwendung eines beheizten Behälters als Austreiber ist der Wirkungsgrad der Absorptionskältemaschine, beispielsweise deren Leistungszahl in Form des Quotienten aus der der Umwelt entzogenen Wärme und der hierzu aufgewendeten Wärme nicht optimal. Weiterhin erfordern die einzelnen Komponenten einen großen Bauraum. Des Weiteren sind zum Austausch von Wärme zwischen zwei Fluiden sogenannte Plattenwärmeübertrager beispielsweise aus der WO 201 1/003496 A2 bekannt, bei denen mehrere aneinander geordnete gegeneinander geschaltete Platten zwei Strömungskanäle mit großer Oberfläche für die beiden in Wärmeaustausch stehenden Fluide bilden. Ein Betrieb unter vermindertem Druck und zur Trennung von Dreiphasengemischen mit derartigen Plattenwärmeübertragern ist nicht vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist die vorteilhafte Weiterbildung einer Absorptionskältemaschine. Die Weiterbildung soll die Leistungszahl verbessern. Die Weiterbildung soll der Erzielung einer kompakten Bauform dienen. Weiterhin soll eine Bauform die Anzahl der Bauteile verringern. Weiterhin soll die Fertigung vereinfacht und die Kosten der Herstellung gesenkt werden.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.

Die vorgeschlagene Absorptionskältemaschine enthält zur Durchführung eines Kreisprozesses wie thermodynamischen Kreisprozessen einen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen eines Lösungsmittels und eines Kältemittels vorliegenden Arbeitsstoff, vorzugsweise eine Ammoniak/Wasser-Mischung mit Ammoniak als Kältemittel, eine wässrige Lithiumbromid-Lösung mit Wasser als Kältemittel oder dergleichen. Der Kreis- prozess gliedert sich in einen bei Ammoniak/Wasser-Mischungen unterhalb von Atmosphärendruck und bei einer wässrigen Lithiumbromidlösung oberhalb des

Atmosphärendrucks arbeitenden Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich mit unterhalb des Drucks des Hochdruckbereichs arbeitendem Druck. Im Hochdruckbereich und Niederdruckbereich sind zumindest folgende Komponenten des Kreisprozesses vorgesehen:

- Ein in dem Hochdruckbereich das Kältemittel unter Wärmezufuhr aus dem Lösungsmittel treibender Austreiber, ein ausgetriebenes Kältemittel kondensierender Kondensator sowie ein gegebenenfalls zwischen Austreiber und Kondensator angeordneter Dephlegmator. Der Dephlegmator kann auch als Rektifikator zur weiteren Reinigung des Kältemittels vorgesehen sein.

- Ein im Niederdruckbereich das Kältemittel unter Wärmeentzug verdampfender Verdampfer und ein Absorber zur Absorption von Kältemitteldampf im Lösungsmittel.

- Zur Trennung des Hoch- und Niederdruckbereichs ein Kältemittelexpansionsventil zum gesteuerten Transport des Kältemittels von dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbe- reich.

- Ein Lösungsmittelexpansionsventil zum gesteuerten Transport des Lösungsmittels beziehungsweise einer an Kältemittel abgereichterten Mischung des Arbeitsstoffs von dem Hochdruckbereich und in Niederdruckbereich.

Die Zuführung des im Absorber auf die im Wesentlichen ursprünglichen Mischungsverhältnisse eingestellten Arbeitsstoffs erfolgt mittels einer zwischen Absorber und Austreiber angeordneten Arbeitsstoffpumpe wie Umwälzpumpe. Vor der Umwälzpumpe kann ein Sammelbehälter für den Arbeitsstoff vorgesehen sein. Um die vorgeschlagene Absorptionskältemaschine effektiv bezüglich Leistungszahl, Herstellungsaufwand und Kompakt- heit auszubilden, ist zumindest eine der Komponenten für sich oder in Kombination mit zumindest einer weiteren Komponente als Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Dies bedeutet, dass beispielsweise der Austreiber, der Kondensator, der Verdampfer sowie zusätzlich vorgesehene Komponenten wie Lösungsmittelwärmeübertrager, Vorkühler und dergleichen als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein können und mehrere dieser Komponenten zu einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein können. Hierbei muss ein Plattenwärmeübertrager bei Ammoniak/Wasser-Mischungen an die spezifischen Anforderungen der einzelnen Komponenten angepasst werden, beispielsweise auf Drücke unterhalb des Atmosphärendrucks, auf die Behandlung von flüssigen und gasförmigen Phasensystemen des Arbeitsstoffs und dergleichen angepasst werden.

Im Sinne der Offenbarung ist unter einer„reichen Lösung" Arbeitsstoff in seiner ursprünglichen Zusammensetzung zu verstehen, beispielsweise ammoniakreicher Arbeitsstoff mit einer Konzentration von beispielsweise 50 Gewichtsprozent Ammoniak. Entsprechend ist unter einer„armen Lösung" der an Kältemittel beispielsweise im Austreiber abgereicherte Arbeitsstoff wie ammoniakarmer Arbeitsstoff zu verstehen. Kältemitteldampf ist das noch mehr oder weniger Anteile des Lösungsmittels enthaltende, gasförmige Kältemittel. Unter Kältemittel ist das kondensierte, flüssige Kältemittel zu verstehen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorgeschlagenen Absorptionskältemaschine ist zwischen dem Absorber und dem Austreiber ein Dephlegmator mit einem zwischen Dephlegmator und Austreiber geschalteten Vorlagebehälter vorgesehen, welcher

Dephlegmator einen über einen Abscheider geführten, mit Lösungsmittel verunreinigten, zwischen Austreiber und Kondensator geführten Kältemitteldampf mittels eines mit Kältemittel angereicherten, von dem von der Arbeitsstoffpumpe in den Austreiber zugeführten Arbeitsstoff kühlt. Hierzu wird der Austreiber in bevorzugter Weise als Plattenwärmeübertrager ausgebildet, wobei der Vorlagenbehälter und der Abscheider zur Sicherung dessen Funktion in dieser Umgebung vorgesehen sind. Die im Dephlegmator vorgewärmte reiche Lösung tritt in den Vorlagenbehälter ein und durchströmt anschließend den Plattenwärmeübertrager. Hierbei wird das Kältemittel wie Ammoniak desorbiert. Die Betriebsweise erfolgt hierbei ohne Zwangsdurchströmung, so dass bereits im Dephlegmator und in einem der Arbeitsstoffpumpe nachgeschalteten Lösungsmittelwärmeübertrager ausgetrie- bener Kältemitteldampf im Vorlagebehälter abgeschieden und direkt in den Dephlegmator aufsteigen kann. Dies kann dazu führen, dass in dem Austreiber an Kältemittel gesättigter Arbeitsstoff eintritt. Diese konstante Mischung des Arbeitsstoffs am Eintritt in den Austreiber führt zu einem stabilen Betrieb des Plattenwärmeübertragers und damit zu einem stabilen Betrieb der gesamten Absorptionskältemaschine. Weiterhin können durch den Vorlagebehälter Schwankungen in dem von der Arbeitsstoffpumpe geförderten Volumenstrom ausgeglichen werden. In dem Abscheider ist bevorzugt die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemitteldampfs beispielsweise durch Querschnittserweiterung des Zugangs, eine Prallplatte und/oder verringert. Hierdurch wird weniger ammoniakarme Lösung durch den Kältemitteldampf mitgerissen, so dass die Abscheidung des Kältedampfs verbessert wird. Der Abscheider kann die Oberfläche vergrößernde, die Kondensation von Lösungsmittel fördernde Elemente, beispielsweise Raschigringe aufweisen. Durch eine Öffnung an der Unterseite des Abscheiders wird die arme Lösung abgeschieden. Auf diese Weise kann der Plattenwärmeübertrager in Funktionseinheit mit dem Vorlagebehälter, der einen konstanten Füllstand im Plattenwärmeübertrager einstellt, und dem Ab- scheider, der die arme Lösung abführt als aus drei Komponenten gebildete Baueinheit entsprechend einem Behälteraustreiber mit verringerten Abmessungen und verbesserten Trenneigenschaften vorgeschlagen werden. Ein weiterer Vorteil dieser Funktionseinheit ist deren nicht zwangsdurchströmte Betriebsweise. Hierdurch kann im Dephlegmator entstandenes an Kältemittel reiches Kondensat direkt in den Vorlagebehälter fließen, ohne in nachteiliger Weise der armen Lösung zugeführt zu werden, wie dies beispielsweise in üblichen Austreibern der Fall ist.

Wie bereits zuvor erwähnt kann zwischen dem Abscheider und dem Absorber ein Lösungsmittelwärmeübertrager vorgesehen sein. Dieser tauscht Wärme zwischen dem mit Kältemittel angereicherten Arbeitsstoff, also der reichen Lösung und einem vom Kältemit- tel abgereicherten, vom Abscheider über das Lösungsmittelexpansionsventil zum Absorber geführten Arbeitsstoff, also der armen Lösung aus. Nach dem Lösungsmittelwärmeübertrager kann ein Absorbervorkühler angeordnet und damit dem Absorber vorgeschaltet sein, der mit Kühlmedium, beispielsweise von außen mittels eines 3-Wege-Ventils gesteuert zugeführtes Kühlwasser, ein externes Rückkühlwerk oder dergleichen betriebene ist und gegenüber dem vom Kältemittel abgereicherten Arbeitsstoff eine weitere Kühlung bewirkt. Dieser Absorbervorkühler kann als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein. Eine mit einem als Plattenwärmeübertrager als Absorbervorkühler ausgebildete Absorptionskältemaschine kann auch mit einem herkömmlichen Austreiber in vorteilhafter Weise ausgebildet sein. Durch die Einfügung des Absorbervorkühlers kann die arme Lösung vor Eintritt in den Absorber besonders effektiv gekühlt werden, so dass die Absorption von gasförmigem Kältemittel im Absorber verbessert und der thermisch zumindest über Leitungen angekoppelte Verdampfer bei niedrigeren Temperaturen betrieben werden kann oder eine Steigerung der Kälteleitung und eine verbesserte Leistungszahl erzielt werden kann. Der Absorptionsprozess des dampfförmigen Kältemittels in der armen Lösung gliedert sich dabei bevorzugt in zwei Bereiche. Die arme Lösung wird in den Absorber eingedüst, wie dies beispielsweise in der WO 1998/012487 A1 offenbart ist. Daraufhin kommt es im Sprühkegel zu einer Vorabsorption von Kältemitteldampf bis zur Sättigung. Der verbleibende Kältemitteldampf und die gesättigte wie reiche Lösung strömen in die Plattenspalte des Plattenwärmeübertragers und werden dort durch das Kältemedium weiter abgekühlt. Dadurch kann eine weitere Sättigung infolge des sich mit abnehmender Temperatur zunehmenden Absorptionskoeffizienten erzielt werden. Der Absorbervorkühler senkt dabei die Eintrittstemperatur der armen Lösung im Sprühkegel und damit den Grad der Vorabsorption. Dies führt zu einer verbesserten Absorption bei Absorptionskältemaschinen auch in Form von Wärmepumpen, insbesondere wenn die Verdampfertem- peraturen niedrig und damit der Druck in den Tieftemperaturbereich abfällt und die Absorbertemperaturen daher niedrig sein müssen.

In Verbindung oder unabhängig von mit einem als Plattenwärmeübertrager ausgebildeten Austreiber und/oder Absorbervorkühler ausgestatteten Absorptionskältemaschinen kann eine Absorptionskältemaschine vorteilhaft sein, deren Dephlegmator und Kondensator als gemeinsame Komponente wie Baueinheit in Form eines 3-fach-Wärmeübertragers ausgebildet sind. Durch die Vereinigung des Dephlegmators und des Kondensators wird eine einzige Baueinheit erzielt, die mit weniger Bauraum und weniger Herstellungsaufwand auskommt. Hierbei können die einzelnen Platten hintereinander angeordnet werden, so dass lediglich zwei Deckplatten und sechs Anschlüsse erforderlich sind. Hierzu weist der 3-fach-Wärmübertrager in vorteilhafter Weise einen für den Kältemitteldampf durchgehenden Kältemittelkanal und zwei entlang des Kältemittelkanals hintereinander angeordnete Kanäle des Dephlegmators und des Kondensators auf. Im Gegensatz zu zwei einzelnen Wärmeübertragern können somit Material, Gewicht, Herstellungsaufwand wie Schweißaufwand und Kosten eingespart werden. Entsprechend dem Lösungsmittelwärmeübertrager kann ein Kältemittelwärmeübertrager vorgesehen sein, der einen Wärmeaustausch zwischen einem zwischen Kondensator und Verdampfer geführten Kältemittelstrom aus kondensiertem Kältemittel und einem zwischen Verdampfer und Absorber geführten Kältemitteldampf vornimmt. Ein derartiger Kältemittelwärmeübertrager kann als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein. Weiterhin kann zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelwärmeübertrager ein Kältemittelreservoir vorgesehen sein. Im Weiteren kann der Kondensator aus einem Plattenwärmeübertrager gebildet sein. In besonders vorteilhafter Weise können Verdampfer,

Kältemittelwärmeübertrager und Kältemittelreservoir einen gemeinsamen 3-fach- Wärmeübertrager bilden. Der 3-fach-Wärmeübertrager kann als Baueinheit aus einem einzigen Bauteil wie Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein, wobei der 3-fach- Wärmübertrager mit einem für den Kältemittelstrom durchgehenden, von dem Kältemittelexpansionsventil in den Hochdruckbereich und den Niederdruckbereich getrennten Kältemittelkanal und zwei entlang des Kältemittelkanals hintereinander angeordneten Kanälen des Kältemittelwärmeübertragers und des Verdampfers bildet. Hierbei kann der Kanal des Kältemittelwärmeübertragers das Kältemittelreservoir aufnehmen. Mit anderen Worten werden durch entsprechende Anordnung der Platten eines Plattenwärmeübertragers zwei Wärmeübertrager und das Kältemittelreservoir in lediglich einem Bauteil untergebracht. Der in dieses integrierte Kältemittelwärmeübertrager dient dabei gleichzeitig als Kältemittelreservoir. Bei einem großen Kältemittelvorrat mit hohem Füllstand sinkt die maximale Wärmeübertragung aufgrund einer verminderten Übertragungsfläche. Die notwendige Übertragungsfläche ist jedoch aufgrund eines geringeren Wärmestroms ebenfalls geringer. Es kann dabei vorteilhaft kann sein, dass die Temperatur des

Kältemittelwärmeübertragers und des Verdampfers deutlich unterhalb der Umgebungs- temperatur liegen können und durch die geringere Gesamtoberfläche des kombinierten Bauteils gegenüber getrennten Bauteilen der Wärmeeintrag in die Absorptionskältemaschine reduziert werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung der Leistungszahl dieser. Weiterhin führt die einteilige Ausführung von Verdampfer, Kältemittelwärmeübertrager und Kältemittelreservoir zu Material-, Gewichts- und Kostenersparnissen.

Zusammenfassend ergeben sich durch die Ausbildung einer Absorptionskältemaschine mit zumindest einem Plattenwärmeübertrager für sich oder in Summe betrachtet zumindest folgende Hauptvorteile:

Die Verwendung eines Plattenwärmeübertragers zur Austreibung von Kältemittel im Austreiber führt zur Gewichtsreduktion sowie einer erhöhten Kompaktheit der Absorptionskäl- temaschine. Hierbei arbeitet der Plattenwärmeübertrager in Funktionseinheit mit einem Vorlagebehälter und einem Abscheider. Es handelt sich bei der Verschaltung um ein nicht zwangsdurchströmtes System. Durch das offene System aus Austreiber, Vorlagebehälter und Abscheider wird insbesondere die Austreibung stabilisiert, da der durch die Vorwärmung ausgetriebene Kühlmitteldampf schon vor dem Austreiber wie Plattenwärmeüber- trager abgeführt wird. Dadurch liegt am Eingang in den Austreiber immer gerade siedende Lösung vor. Dies führt nachfolgend zu einer Stabilisierung des gesamten Kreisprozesses. Die Verwendung der Kombination eines Dephlegmators mit einem Kondensator steigert die Kompaktheit der Absorptionskältemaschine und reduziert notwendige Schweißverbindungen, Gewicht, Kosten und Druckverluste.

Dieselben Vorteile bietet ein Wärmeübertrager zur Kombination von Kältemittelreservoir, Kältemittelwärmeübertrager und Verdampfer. Zusätzlich kann dabei ein Wärmeeintrag in den Kältemittelwärmeübertrager und in den Verdampfer reduziert werden. Eine Füllmenge des Kältemittelreservoirs und damit bei dessen Integration in den Kältemittelwärmeübertrager dessen Füllstand entsprechen bei verschiedenen Betriebszuständen der Absorpti- onskältemaschine bei unterschiedenen Leistungen der notwendigen Übertragungsfläche des Kältemittelwärmeübertragers.

Der Absorbervorkühler sorgt dafür, dass bei niedrigen Verdampfertemperaturen und hohen Absorbertemperaturen die Absorption mit einem höheren Wirkungsgrad durchgeführt werden kann und steigert damit die Leistungszahl der Absorptionskältemaschine. Da der Massenstrom lediglich in zwei Teilmassenströme aufgeteilt wird.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 eine Prinzipskizze einer Absorptionskältemaschine,

Figur 2 einen Kondensator und Dephlegmator kombinierenden Plattenwärme- Übertrager in schematischer Darstellung,

Figur 3 einen Kältemittelwärmeübertrager, Kältemittereservoir und Verdampfer kombinierenden Plattenwärmeübertrager,

Figur 4 den Plattenwärmeübertrager der Figur 3 in schematischer Funktionsübersicht

und

Figur 5 den Austreiber der Absorptionskältemaschine der Figur 1 in schematischer

Funktionsübersicht.

Die Figur 1 zeigt die Absorptionskältemaschine 1 in schematischer Darstellung mit dem schematisch dargestellten Hochdruckbereich 2 und dem Niederdruckbereich 3. Die Ab- Sorptionskältemaschine 1 wird in einem thermodynamischen Kreislauf betrieben, wobei die von außen zugeführte Energie im Wesentlichen über den Heizkreislauf 4 erfolgt, der aus Abwärme von Wärme erzeugenden technischen Prozessen sowie Feuerungsanlagen wie Erdgasfeuerungen, Solarthermie und dergleichen gespeist sein kann. Der thermody- namische Kreislauf gibt weiterhin Wärmeteilbeträge nach außen über die Rückkühlkreis- läufe 5, 6 ab. Die Kälteleistung der Absorptionskältemaschine wird über den Kältekreislauf 7 bereitgestellt, der beispielsweise mittels einer Kühlsole in Verbindung mit einer externen Klimaanlage oder dergleichen steht. Der thermodynamische Kreislauf erfolgt mittels eines Arbeitsstoffs bestehend aus einem Gemisch aus einem Kältemittel und einem dieses absorbierenden Stoff, welche bei Vermengung Wärme abgeben und bei deren Trennung Wärme aufnehmen. Hierbei wird das Kältemittel über die verschiedenen Phasen des Kreisprozesses von dem Absorbens in die Gasphase ausgetrieben, in Reinform kondensiert und wieder verdampft und wieder mit dem Absorbens vereinigt. Dabei erfolgt eine Verdampfung bei niedriger Temperatur unter Entzug von Wärme an dem Wärmetauscher des Kältekreislaufs 7. Arbeitsstoffe sind beispielsweise Ammoniak/Wasser-Gemische, bei denen Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel wie Absorbens dient, wässrige Lithiumbromid-Lösungen, bei denen Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Absorbens dient, oder dergleichen. Nachfolgendes Ausführungsbeispiel wird anhand eines Arbeitsstoffs aus Ammoniak und Wasser beschrieben.

Die Beschreibung des thermodynamischen Kreislaufs wird an dem Übergang des ammo- niakreichen Arbeitsstoffs von dem Niederdruckbereich 3 in den Hochdruckbereich 2 gestartet. Hier wird mittels der bevorzugt elektrisch betriebenen Arbeitsstoffpumpe 8 der ammoniakreiche Arbeitsstoff über die Leitung 9 in den Dephlegmator 10 überführt. Zwischen Arbeitsstoffpumpe 8 und dem Dephlegmator 10 erfolgt in den Lösungsmittelwärmeübertrager 1 1 ein Wärmeaustausch zwischen dem ammoniakreichen Arbeitsstoff der Leitung 9 und dem in der Leitung 12 rückgeführten ammoniakarmen Arbeitsstoff. In dem Dephlegmator 10 wird der ammoniakreiche Arbeitsstoff durch den in der Leitung 13 geführten, im Austreiber 14 durch Wärmezufuhr des Heizkreislaufs 4 ausgetriebenen Kältemitteldampf vorgewärmt. Zur Stabilisierung der Austreibung in dem Austreiber 14 sind diesem der Vorlagebehälter 15 und der Abscheider 16 zugeschaltet. Hierbei bilden Aus- treiber 14, Vorlagebehälter 15 und Abscheider 16 die Baugruppe 63. Durch die Vorwärmung des ammoniakreichen Arbeitsstoffs im Dephlegmator 10 durch den wärmeren Kältemitteldampf tritt dieser vorgewärmt in den Austreiber 14 ein. Gleichzeitig kondensiert durch die Abkühlung des Kältemitteldampfs im Dephlegmator 10 mitgerissenes Wasser mit hohem Ammoniakanteil, welches mittels der Leitung 64 dem Vorlagebehälter 15 zuge- führt wird und damit effizient verwertet wird. Durch die offene Verbindung zwischen Vorla- gebehälter 15, Austreiber 14 und Abscheider 16 stellt sich im Sinne kommunizierender Röhren in diesen ein Pegel der flüssigen Lösung ein. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Pegels fließt ammoniakarmer Arbeitsstoff in den Abscheider 16 und von dort in Leitung 12. Darauf wird ammoniakreicher Arbeitsstoff vom Vorlagenbehälter 15 in den Austreiber 14 nachgeführt. Der Austreiber 14 ist hierbei bevorzugt als Plattenwärmeübertrager 17 ausgebildet, der teilweise mit ammoniakreichem Arbeitsstoff befüllt ist. Durch die große Wärmeaustauschfläche des Plattenwärmeübertragers 17 und den sich bildenden Phasenübergang gas/flüssig ohne Zwangsdurchströmung infolge der offenen Ausbildung von Austreiber 14, Vorlagebehälter 15 und Abscheider 16 wird eine besonders effektive Austreibung des Kältemitteldampfs erzielt. Weiterhin wird in den Austreiber 14 gerade so viel ammoniakreicher Arbeitsstoff zugeführt, wie durch Desorption und die damit verbundene Verringerung der Dichte in den Abscheider 16 gefördert wird. Desweiteren werden im Vorlagebehälter 15 Pulsationen und Förderschwankungen der Arbeitsstoffpumpe 8 ausgeglichen. Insgesamt kann hierdurch eine verbesserte Stabilisierung der gesamten Absorptionskältemaschine 1 erzielt werden. In dem Abscheider 16 wird beispielsweise durch Querschnittserweiterung der Leitung 18 und/oder eine Prallplatte die Strömungsgeschwindigkeit verringert. Durch eine Oberflächenvergrößerung im Abscheider 16, beispielsweise durch Raschigringe und dergleichen erfolgt eine erste Abscheidung von im Kältemitteldampf mitgeführtem Wasser.

Der Kältemitteldampf in Form von gasförmigem, lediglich noch gering mit Wasser verunreinigtem Ammoniak tritt über die Leitung 19 von dem Dephlegmator 10 in den Kondensator 20 ein. Dort wird dieser durch Entzug von Wärme mittels des Rückkühlkreislaufs 5 verflüssigt. Der Dephlegmator 10 und/oder der Kondensator 20 können als separate Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein. In besonders vorteilhafter Weise sind der Dephlegmator 10 und der Kondensator 20 zu dem eine Baueinheit bildenden Plattenwärmeübertrager 21 zusammengefasst. Hierbei bildet der Plattenwärmeübertrager 21 einen 3-fach-Wärmeübertrager, in welchem der Kältemitteldampf durchgehend geführt ist und der Dephlegmator 10 eine erste, durch den in der Leitung 9 geführten ammoniakreichen Arbeitsstoff gekühlte Kühlstufe und der Kondensator 20 eine zweite, durch den Rückkühl- kreislauf 5 gekühlte Kühlstufe bildet. Hierdurch wird der Aufbau der Absorptionskältemaschine 1 vereinfacht, da anstelle eines separaten Dephlegmators und eines separaten Kondensators 20 lediglich ein einziger Plattenwärmeübertrager 21 mit sechs Anschlüssen und zwei Endplatten notwendig ist.

Das kondensierte Kältemittel wird von dem Kondensator 20 beziehungsweise von dem Plattenwärmeübertrager 21 in das Reservoir 22 geleitet und von dort in den Kältemittel- Wärmeübertrager 23. In dem Kältemittelwärmeübertrager 23 erfolgt eine weitere Abkühlung mittels des mittlerweile durch das Kältemittelexpansionsventil 24 in den

Niederdruckbereich 3 überführten und hinter dem Verdampfer 25 in der Leitung 26 durch den Kältemittelwärmeübertrager 23 geführten gasförmigen Kältemittels. In dem Nieder- 5 druckbereich 3 verdampft das Kältemittel in dem Verdampfer 25 und entzieht damit dem Arbeitsstoff im Kältekreislauf 7, beispielsweise einer Kühlsole Wärme, so dass hier der eigentliche Abkühlungsprozess wie Raumklimatisierung, Raumkühlung, Kühlanlage und dergleichen außerhalb der Absorptionskältemaschine 1 eingeleitet wird. In vorteilhafter Weise sind der Kältemittelwärmeübertrager 23, der Verdampfer 25, das Reservoir 22 und

10 das Kältemittelexpansionsventil 24 zu einer Baueinheit in Form des Plattenwärmeübertragers 27 zusammengefasst. Hierbei wird das Volumen des Plattenwärmeübertragers 27 im Bereich des Kältemittelwärmeübertragers 23 bevorzugt so erweitert, dass das Reservoir 22 in diesem untergebracht werden kann. Zwischen den beiden dem Kältemittelwärmeübertrager 23 und dem Verdampfer 25 zugeordneten Bereichen ist dabei das Kältemittel-

15 expansionsventil 24 angeordnet.

In dem Verdampfer 25 und schließlich in dem Kältemittelwärmeübertrager 23 wird das Kältemittel vollständig verdampft und über die Leitung 26 in den Absorber 28 transpror- tiert. Hier werden entsprechend beispielsweise aus der WO 98/012487 A1 bekannten Absorptionsverfahren der ammoniakarme Arbeitsstoff von dem Abscheider 16 über den

20 Lösungsmittelwärmeübertrager 1 1 , den Absorbervorkühler 29 und das Lösungsmittelexpansionsventil 30 in den Absorber 28 transportiert und der ammoniakarme Arbeitsstoff und der Kältemitteldampf zu dem ammoniakreichen Arbeitsstoff vereinigt, der über die Leitung 32 und den Sammelbehälter 33 der Arbeitsstoffpumpe 8 zugeführt wird, wodurch der Kreisprozess am Laufen gehalten wird. Der Absorber 28 und der Absorbervorkühler

25 29 werden jeweils separat mittels des 3-Wege-Ventils 34 von dem Rückkühlkreislauf 6, beispielsweise Kühlwasser und dergleichen gekühlt. Alternativ kann der Absorbervorkühler 29 von einem separaten Rückkühlwerk gekühlt werden. Durch die gesteuerte Vorkühlung des ammoniakarmen Arbeitsstoffs kann die Absorption in verbesserter Weise gesteuert werden. Der Absorbervorkühler 29 ist in bevorzugter Weise als Plattenwärme-

30 Übertrager ausgebildet und kann mit dem Lösungsmittelwärmeübertrager 1 1 eine Baueinheit unter Ausbildung eines einzigen Plattenwärmeübertragers 35 mit zwei Bereichen ähnlich dem Plattenwärmeübertrager 21 ausbilden.

Die Figur 2 zeigt den Plattenwärmeübertrager 21 der Figur 1 in schematischer Explosionsdarstellung mit den beiden Endplatten 36, 37 und den dazwischen angeordneten 35 Trennplatten 38, 39, 40, 41 , 42. Durch entsprechende Anordnung der Trennplatten 38, 39, 40, 41 , 42 wird die Auftrennung in den Dephlegmator 10 und in den Kondensator 20 der Figur 1 im Sinne eines 3-fach-Wärmeübertragers erzielt. Hierbei wird der Kältemitteldampf in der Leitung 19 der Figur 1 entlang aller Trennplatten 38, 39, 40, 41 , 42 vom Anschluss 43 zum Anschluss 44 geführt. Der ammoniakreiche Arbeitsstoff zur Dephlegmation des 5 Kältemitteldampfs wird zwischen den Anschlüssen 45, 46 über die Trennplatten 41 , 42 geführt. Der Rückkühlkreislauf 5 zur Kondensation des Kältemitteldampfs zur Darstellung des Kondensators 20 wird zwischen den Anschlüssen 47, 48 über die Trennplatten 38, 39 geführt.

Die Figur 3 zeigt in schematischer Explosionsdarstellung und unter Bezug auf die Figur 1

10 den Plattenwärmeübertrager 27, welcher die Funktion des Kältemittelwärmeübertragers 23 und des Verdampfers 25 in sich in Form eines 3-fach-Wärnmeübertragers vereinigt. Die beiden Endplatten 49, 50 schließen zwischen sich die Trennplatten 51 , 52, 53, 54, 55 ein. Das Kältemittel fließt entlang des Kältemittelkanals 65 über den gesamten Plattenwärmeübertrager 27. Der Kältemittelwärmeübertrager 23 wird durch den zwischen End-

15 platte 49 und die Trennplatten 51 , 52 vorgesehenen Kältemittelkanal 66 und der

Verdampfer durch den von den Trennplatten 54, 55 und der Endplatte 50 gebildeten Kältemittelkanal 67 dargestellt. Am Anschluss 56 tritt das flüssige Kältemittel vom Kondensator 20 in den Plattenwärmeübertrager 27 ein und tritt am Anschluss 57 wieder aus, um über das Kältemittelexpansionsventil 24 vom Hochdruckbereich 2 in den Niederdruck-

20 bereich 3 überführt zu werden. Anschließend tritt das kondensierte Kältemittel am Anschluss 58 wieder in den Plattenwärmeübertrager 27 ein und wird dort verdampft und kühlt an den Trennplatten 51 , 52 das kondensierte Kältemittel. Anschließend tritt der Kältemitteldampf wieder am Anschluss 59 aus und wird anschließend in den Absorber überführt. Zwischen den Anschlüssen 60, 61 und den Trennplatten 54, 55 zirkuliert die

25 Kühlsole des Kältekreislaufs 7. Innerhalb des Volumens der Trennplatten 51 , 52 ist im Kältemittelkanal 66 weiterhin das Reservoir 22 für das Kältemittel untergebracht.

Die Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt der Absorptionskältemaschine 1 der Figur 1 mit als Plattenwärmeübertrager ausgebildeten Austreiber 14, dem Vorlagebehälter 15, dem Abscheider 16 und dem Dephlegmator 10. In den Dephlegmator

30 10 strömt über die Leitung 9 ammoniakreicher Arbeitsstoff, der von dem in der Leitung 13 geführten Kältemitteldampf vorgewärmt wird. Im Dephlegmator wird ammoniakreicher Arbeitsstoff auskondensiert. Dadurch werden Wasserverunreinigungen des Kältemitteldampfs mit in den Vorlagebehälter 15 geleitet. Der beheizte Austreiber 14 treibt aus dem ammoniakreichen Arbeitsstoff wasserhaltiges Ammoniak, also Kältemitteldampf aus, das

35 über den Abscheider 16 geleitet und mittels der Raschigringe 62 weiter gereinigt wird. Das gereinigte dampfförmige Ammoniak steigt über die Leitung 13 in den Dephlegmator 10 auf. Der ammoniakarme Arbeitsstoff wird über die Leitung 12 zum Absorber geleitet.

Die Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung den Plattenwärmeübertrager 27 der Figuren 1 und 3. In dem Plattenwärmeübertrager 27 sind Kältemittelwärmeübertrager 23 und Verdampfer 25 vereinigt. In dem Kältemittelwärmeübertrager 23 ist zugleich das Reservoir 22 für das kondensierte Kältemittel untergebracht. Der Füllstand des kondensierten Kältemittels verhält sich dabei proportional zum zu übertragenden Wärmestrom im Kältemittelwärmeübertrager 23. Bei einem großen zu übertragenden Wärmstrom, aufgrund einer großen Temperaturdifferenz zwischen gasförmigem Kältemittel und kondensiertem Käl- temittel ist der Füllstand hoch und somit die Wärmeaustauschfläche groß, so dass dieser Wärmestrom auch übertragen werden kann.

Bezugszeichenliste

1 Absorptionskältemaschine

2 Hochdruckbereich

3 Niederdruckbereich

5 4 Heizkreislauf

5 Rückkühlkreislauf

6 Rückkühlkreislauf

7 Kältekreislauf

8 Arbeitsstoffpumpe

10 9 Leitung

10 Dephlegmator

1 1 Lösungsmittelwärmeübertrager

12 Leitung

13 Leitung

15 14 Austreiber

15 Vorlagebehälter

16 Abscheider

17 Plattenwärmeübertrager

18 Leitung

20 19 Leitung

20 Kondensator

21 Plattenwärmeübertrager

22 Reservoir

23 Kältemittelwärmeübertrager

25 24 Kältemittelexpansionsventil

25 Verdampfer

26 Leitung

27 Plattenwärmeübertrager

28 Absorber

30 29 Absorbervorkühler

30 Lösungsmittelexpansionsventil

31 Leitung

32 Leitung

33 Sammelbehälter

35 34 3-Wege-Ventil 35 Plattenwärmeübertrager

36 Endplatte

37 Endplatte

38 Trennplatte

5 39 Trennplatte

40 Trennplatte

41 Trennplatte

42 Trennplatte

43 Anschluss

10 44 Anschluss

45 Anschluss

46 Anschluss

47 Anschluss

48 Anschluss

15 49 Endplatte

50 Endplatte

51 Trennplatte

52 Trennplatte

53 Trennplatte

20 54 Trennplatte

55 Trennplatte

56 Anschluss

57 Anschluss

58 Anschluss

25 59 Anschluss

60 Anschluss

61 Anschluss

62 Raschigringe

63 Baugruppe

30 64 Leitung

65 Kältemittelkanal

66 Kältemittelkanal

67 Kältemittelkanal

Claims

Patentansprüche

1. Absorptionskältemaschine (1 ) enthaltend einen in einem Kreisprozess geführten, abhängig vom Kreisprozess in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen eines Lösungsmittels und eines Kältemittels vorliegenden Arbeitsstoff, einen Hochdruckbereich (2) mit einem das Kältemittel unter Wärmezufuhr aus dem Lösungsmittel treibenden Austreiber (14) als erste Komponente und einem ausgetriebenes Kältemittel kondensierenden Kondensator (20) als zweite Komponente, einen Niederdruckbereich (3) mit einem das Kältemittel unter Wärmeentzug verdampfenden Verdampfer (25) als dritte Komponente und einem Absorber (28) zur Absorption von Kältemitteldampf im Lösungsmittel als vierte Komponente, ein zwischen Hochdruckbereich (2) und Niederdruckbereich (3) angeordnetes Kältemittelexpansionsventil (24), ein zwischen Hochdruckbereich und Niederdruckbereich angeordnetes Lösungsmittelexpansionsventil (30) sowie eine zwischen Absorber (28) und Austreiber (14) angeordnete Arbeitsstoffpumpe (8) sowie gegebenenfalls einem zwischen Austreiber (14) und Kondensator (20) angeordneten Dephlegmator (10) als fünfte Komponente sowie gegebenenfalls einem Lösungsmittelwärmeübertrager (23) als sechste Komponente, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Komponente für sich oder in Kombination mit zumindest einer weiteren Komponente als Plattenwärmeübertrager (17, 21 , 27, 35) ausgebildet ist.

2. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Absorber (28) und dem Austreiber (14) ein Dephlegmator (10) mit einem zwischen Dephlegmator (10) und Austreiber (14) geschalteten Vorlagebehälter (15) vorgesehen ist, welcher Dephlegmator (10) einen über einen Abscheider (16) geführten, mit Lösungsmittel verunreinigten, zwischen Austreiber (14) und Kondensator (20) geführten Kältemitteldampf mittels eines mit Kältemittel angereicherten, von dem von der Arbeitsstoffpumpe (8) in den Austreiber (14) zugeführten Arbeitsstoff kühlt.

3. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abscheider (16) und dem Absorber (28) ein Lösungsmittelwärmeübertrager (1 1 ) zwischen dem mit Kältemittel angereicherten Arbeitsstoff und einem vom Kältemittel abgereicherten, vom Abscheider (16) über das

Lösungsmittelexpansionsventil (30) zum Absorber (28) geführten Arbeitsstoff vorgesehen ist.

4. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Lösungsmittelwärmeübertrager (1 1 ) und dem Absorber (28) ein mit Kältemedium betriebener, gegenüber dem vom Kältemittel abgereicherten Arbeitsstoff wirksamer Absorbervorkühler (29) vorgesehen ist.

5. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorbervorkühler (29) als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.

6. Absorptionskältemaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dephlegmator (10) und der Kondensator (20) als gemeinsame Komponente in Form eines 3-fach-Wärmeübertragers ausgebildet sind.

7. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der 3-fach-Wärmübertrager mit einem für den Kältemitteldampf durchgehenden Kältemittelkanal und zwei entlang des Kältemittelkanals hintereinander angeordneten Kanälen des Dephlegmators (10) und des Kondensators (20) ausgebildet ist.

8. Absorptionskältemaschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass zum Wärmeausgleich zwischen einem zwischen Kondensator

(20) und Verdampfer (25) geführten Kältemittelstrom und einem zwischen Kondensator (20) und Absorber (28) geführten Kältemitteldampf ein Kältemittelwärmeübertrager (23) vorgesehen ist.

9. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (20) und dem Kältemittelwärmeübertrager (23) ein

Reservoir (22) vorgesehen ist.

10. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass Verdampfer (25), Kältemittelwärmeübertrager (23) und Reservoir (22) einen gemeinsamen 3-fach-Wärmeübertrager bilden.

1 1 . Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der 3-fach-Wärmübertrager mit einem für den Kältemittelstrom durchgehenden, von dem Kältemittelexpansionsventil (24) in den Hochdruckbereich (2) und den Niederdruckbereich (3) getrennten Kältemittelkanal (65) und zwei entlang des Kältemittelkanals (65) hintereinander angeordneten Kältemittelkanälen (66, 67) des Kältemittelwärmeübertragers (23) und des Verdampfers (25) ausgebildet ist.

12. Absorptionskältemaschine (1 ) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkanal (66) des Kältemittelwärmeübertragers (23) das Reservoir (22) aufnimmt.