AT506356B1 - Absorptionskältemaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Absorptionskältemaschine mit drei Druckniveaus, bestehend aus Generator (G), Kondensator (K), Verdampfer (V), Absorber (A), zwei Lösungsumwälzpumpen (P1), (P2), einem Bypass-Generator (BG) und einem Bypass-Absorber (BA), wobei die den Generator (G) verlassende Lösung (9) in einen so genannten Bypass-Generator (BG) bei gleicher Temperatur aber niedrigerem Bypassdruck gelangt, wo Kältemitteldampf (6) entsteht sowie extra-schwache Lösung (1'), die in den Absorber (A) fließt, während der Kältemitteldampf (6) in einen gekühlten Bypass-Absorber (BA) geführt wird, wohin auch kalte Lösung (2) vom Absorber (A) gepumpt wird, wodurch extra-starke Lösung (2') entsteht, welche zum Generator (G) gepumpt wird, wo daraus Kältemitteldampf (3) frei wird, welcher im Kondensator (K) verflüssigt, in den Verdampfer (V) gelangt wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium (F) Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf (5) zum Absorber (A) geführt wird, wo er sich mit der heißen, vom Bypass-Generator (BG) kommenden Lösung (1') vereint, wodurch wieder kalte starke Lösung entsteht.

Description

österreichisches Patentamt AT506 356B1 2010-10-15

Beschreibung [0001] Absorptionskältemaschinen sind in der Lage Wärmeenergie zur Erzeugung von Kälte zu nützen. Der weitaus größte Teil aller Kältemaschinen weltweit in Form von Kompressorkältemaschinen wird jedoch mit elektrischem Strom oder mit mechanischer Energie betrieben. In Zeiten der Energieverknappung und -Verteuerung und der Suche nach Alternativen wächst das Interesse an Maschinen, die mit wieder gewonnener Energie oder Sonnenenergie betrieben werden können, insbesondere also durch Wärme. Absorptionskältemaschinen bieten sich damit als logische Kühltechnik der Zukunft an.

[0002] Absorptionskältemaschinen bestehen aus Generator, Kondensator, Druckabsenkungsstufe, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, wobei im Generator so genannte starke Kältemittellösung (= hochkonzentrierte) erhitzt und dabei unter Bildung von schwacher Kältemittellösung Kältemitteldampf frei gesetzt wird, weiche im Kondensator exotherm verflüssigt, dann über eine Druckabsenkungsstufe in den Verdampfer gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium Wärme entzogen wird, während der entstehende Kältemitteldampf zum Absorber geführt wird, wo er sich exotherm mit der vom Generator über eine Druckabsenkungsstufe kommenden schwachen Kältemittellosung vereint Die dabei entstehende starke Kältemittellösung wird durch eine Lösungsumwälzpumpe mit erhöhtem Druck erneut zum Generator befördert.

[0003] Wegen der exothermen Prozesse im Kondensator und im Absorber müssen diese rückgekühlt werden, in der Regel bei einer Temperatur, die sich nicht sehr von der Umgebungstemperatur der Kältemaschine unterscheidet. Aus thermodynamischen Berechnungen und aus experimentellen Messungen ergibt sich, dass sowohl eine hohe Generatortemperatur als auch eine niedrige Rückkühltemperatur vorteilhaft sind, wenn man niedrige Kühltemperaturen und eine gute Wärmezahl, das ist der Quotient aus aufgewendeter Leistung pro erzielter Kühlleistung, erreichen will. Alternative Wärmequellen wie Abwärme und thermische Solarenergie aus Flachkollektoren haben aber in der Regel kaum über 100°C. Herkömmliche Absorptionskältemaschinen können bei einer so niedrigen Heiztemperatur nur bei sehr niedrigen Rückkühltemperaturen, erzielbar z.B. durch nasse Kühltürme, arbeiten, was aber gerade in heißem Klima nur bei sehr trockener Luft zum Ziel führt.

[0004] Auch wenn es gelingt, die niedrige Kühltemperatur zu erreichen, um mit Niedertemperaturheizung zu kühlen, so ist die erreichbare Wärmezahl (0,3 - 0,7 je nach der Kühltemperatur) bescheiden. Man hat daher versucht, durch Rückführung eines Teils der Absorptionsabwärme der Kältemaschine die Wärmezahl zu erhöhen. So wird in österr. Patentanmeldung AT 504 399 A1 eine Absorptionskältemaschine mit 2 hintereinander geschalteten Absorbern beschrieben, dabei ist der eine Absorber kalt und der andere warm. Die heiße, vom Generator über eine Druckabsenkungsstufe kommende schwache Lösung nimmt zuerst im warmen Absorber einen Teil des Kältemitteldampfs bis zu einer mittleren Lösungsstärke auf und gibt dabei die Absorptionswärme an das durch den Heizprozess im Generator abgekühlte Heizmedium ab, das dadurch wieder wärmer wird, bevor es die Maschine verlässt. Erst in einem zweiten Schritt gelangt die mittelstarke Lösung in den vom Rückkühlmedium gekühlten kalten Absorber, wo sie den Rest des Kältemitteldampfs aufnimmt. Ein Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass es nur funktioniert, wenn der Generatordruck und der Verdampferdruck nicht weit auseinander liegen, daraus folgt, dass Rückkühltemperatur und Kühltemperatur nicht weit auseinander liegen dürfen. Je weiter die beiden Drücke auseinander liegen, umso weiter verschieben sich auch die Temperaturintervalle, bei denen einerseits im Generator eine Verdampfung und andererseits im Absorber eine Absorption stattfinden kann. Sobald sich diese beiden Temperaturintervalle gar nicht mehr überlappen, ist auch keine Wärmerückführung mehr möglich.

[0005] Ein direkter Weg, die Heiztemperatur einer Absorptionskältemaschine zu senken, besteht darin, den Absorptionszyklus durch zwischengeschaltete Kaskaden zu verändern.

[0006] So wird in einer Erfindung (österr. Pat. 407085) versucht, den thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses zu verändern, um die Hetztemperatur des Generators zu 1/6 österreichisches Patentamt AT506 356B1 2010-10-15 senken, ohne dafür eine niedrigere Rückkühltemperatur zu verlangen. Der Generatorprozess erfolgt in zwei Stufen (Generator und „Bypass“) wobei das im Bypass generierte Kältemittelgas nicht durch den Kondensator zum Verdampfer geht, sondern dem Absorptionsmittel auf dem Weg vom Absorber zum Generator zugeführt wird. Dabei handelt es sich allerdings um eine Diffusionskältemaschine, also eine Absorptionskältemaschine, die zusätzlich zum Kältemittel und zum Lösungsmittel mit einem Inertgas gefüllt ist, sodass in der ganzen Maschine der gleiche Druck herrscht. Dadurch braucht man zwar nur eine viel einfachere Lösungsumwälzpumpe (weil nur die Schwerkraft zu überwinden ist) und die Druckabsenkungsstufen fallen auch weg, dafür verlangt aber das Inertgas, das nur durch Schwerkraft bewegt wird, sehr große Rohrdurchmesser und wegen des hohen Systemdrucks dicke und schwere Rohrwände, so dass die Maschinen sehr groß und sehr schwer werden, weshalb sie sich am Markt nicht durchsetzen konnten.

[0007] Auch im Bereich der üblichen Absorptionskältemaschinen mit zwei unterschiedlichen Drücken für Kondensation und Absorption hat man versucht, die Heiztemperatur durch einen Kaskadenprozess zu senken. Dabei kann man unterscheiden zwischen Kältemaschinen, bei denen nur der Generatorprozess in 2 oder mehr Stufen geteilt wird (mit ebenso vielen unterschiedlichen Drücken) (siehe z.B. US 2007/ 0204638 A1 und teilweise EP 1548378 A1) und solchen, bei denen den mehrfachen Generatordruckstufen mehrfache Absorberdruckstufen entsprechen (siehe z.B. EP 1548378 A1- Fig. 12 und US 4028078) bis hin zu einem quasikontinuierlichen Prozess in einem „reversen Rektifikator“ (siehe DE 10 2006 026 475 A1).

[0008] Allen diesen Ansätzen gemeinsam ist der Vorteil, dass durch den Kaskadenprozess tatsächlich die Heiztemperatur gesenkt werden kann, da dem Hauptgenerator eine Lösung mit höherem Kältemittelgehalt zugeführt wird. Sie haben aber auch den gemeinsamen Nachteil, dass die Generatorkaskaden Energie verbrauchen, so dass dadurch die erreichbare Wärmezahl der Kältemaschine um rund 50% verkleinert wird. Zusätzlich geben sowohl EP 1548378 A1 und US 4028078 die Existenz von Wärmetauschern zwischen den Kaskadenstufen an, deren Effekte durch die jeweils anschließenden Rückkühlungen oder Beheizungen konterkariert werden, so dass diese unnötige Komplikation zu weiteren Energieverlusten sowie zu einer Vergrößerung und Verteuerung der Anlage führen.

[0009] Ziel der Erfindung ist es, ein kompaktes und effizientes Kaskadensystem für den thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses anzugeben, das sich mit der oben erwähnten Form der Absorptionswärmerückgewinnung kombinieren lässt, wodurch erstmalig eine Absorptionskältemaschine entsteht, die bei niedrigen Heiztemperaturen auch bei relativ hohen Rückkühltemperaturen in Kombination mit tiefen Kühltemperaturen einen guten Wirkungsgrad (Wärmezahl ~1) hat.

[0010] Erfindungsgemäß wird das Ziel einer Änderung des thermodynamischen Zyklus des Absorptionsprozesses, die es erlaubt auch bei Absorptionskältemaschinen ohne Inertgas die Heiztemperatur des Generators zu senken, ohne dafür eine niedrigere Rückkühltemperatur zu verlangen, erreicht, indem man bei einer Absorptionskältemaschine, mit Generator, Kondensator, 2 Druckabsenkungsstufen, Verdampfer, Absorber und Lösungsumwälzpumpe, die üblicherweise nur 2 Druckniveaus hat, nämlich den Generatordruck und den Absorberdruck (wobei in dieser Betrachtungsweise der Verdampferdruck und der Absorberdruck als nahezu gleich angenommen werden), ein erfindungsgemäßes dazwischen liegendes drittes Druckniveau einführt, Bypassdruck genannt, und zu den üblicherweise relevanten 2 Lösungskonzentrationen, nämlich schwach und stark, zwei weitere Konzentrationen, nämlich extra-schwach und extra-stark hinzunimmt, was durch eine erfindungsgemäße zusätzliche Druckminderungs- und eine Pumpstufe, sowie je einen erfindungsgemäßen Gasabscheider, ein Bypassrohr, einen Bypass-Generator und einen Bypass-Absorber, wobei die beiden letzten Bypasselemente durch entsprechend dimensionierte Wärmetauscher dargestellt sind, erreicht wird, wobei die den Generator verlassende heiße schwache Lösung über eine erste Druckabsenkungsstufe in einen so genannten Bypass-Generator bei gleicher Temperatur aber Bypassdruck gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf die heiße Lösung auf extra-schwaches Niveau bringt, wobei diese Lösung über eine weitere erfin- 2/6 österreichisches Patentamt AT506 356B1 2010-10-15 dungsgemäße Druckabsenkungsstufe in den Absorber fließt, während der im Bypass-Generator entstandene Kältemitteldampf durch ein Bypassrohr in einen so genannten Bypass-Absorber geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung fließt, welche vom Absorber kommend durch eine erfindungsgemäße Hilfspumpe vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist, wodurch im Bypass-Absorber aus starker Lösung und Lösungsmitteldampf eine extra-starke Lösung entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe auf Generatordruck gebracht und zum Generator befördert wird, wo aus dieser extra-starken Lösung Kältemitteldampffrei gesetzt wird, welcher im Kondensator verflüssigt, dann über eine Druckminderungsstufe in den Verdampfer gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess der zu kühlenden Umgebung Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf zum Absorber geführt wird, wo er sich mit der extraschwachen Lösung vereint, wodurch wieder starke Lösung entsteht.

[0011] Das zweites Ziel, eine Form der Absorptionswärmerückgewinnung anzugeben, die auch bei relativ hohen Rückkühltemperaturen in Kombination mit tiefen Kühltemperaturen funktioniert, wird dadurch erreicht, dass man zwar wie in Patentanmeldung AT 504 399 A1 einen kalten und einen warmen Absorber verwendet, dass aber in den warmen Absorber nicht die durch die große Druckabsenkungsstufe abgekühlte vom Generator kommende schwache Lösung einfließt, sondern dadurch, dass erfindungsgemäß in den warmen Absorber die heiße vom Bypassgenerator kommende extra-schwache Lösung fließt, welche vom Bypassdruck zum Absorberdruck nur eine sehr kleine Druckabsenkungsstufe passiert hat und damit nur wenig Temperatur verloren hat und die andererseits wegen ihrer niedrigen Kältemittelkonzentration eine sehr hohe Absorptionstemperatur erreichen kann.

[0012] Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Absorptionskältemaschine die den Generator verlassende heiße schwache Lösung über eine Druckabsenkungsstufe in einen so genannten Bypass-Generator bei gleicher Temperatur aber niedrigerem Druck, dem so genannten Bypassdruck, gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, kann zusätzliches Kältemittel verdampfen. Auch wenn dieser hier verdampfte Teil des Kältemittels nicht über den Kondensator und den Verdampfer am eigentlichen Kühlprozess teilnimmt, sondern, nach Art eines „Bypass“ an Kondensator, Verdampfer und Absorber außen vorbeigeht, erhöht er trotzdem die Fähigkeit der Maschine bei niedriger Heiztemperatur zu kühlen: einerseits hat die extra-schwache Lösung, die in den Absorber eintritt, selbst bei einer relativ hohen Rückkühltemperatur einen sehr niedrigen Dampfdruck, womit der Verdampfungsdruck im Verdampfer und damit die Kühltemperatur der Maschine sinken. Andererseits wird im Bypass-Absorber bei Bypassdruck, der höher ist, als der Verdampfer- und der Absorberdruck, eine Lösungskonzentration erreicht, die höher ist, als es ohne Bypass möglich wäre und diese extrastarke Lösung siedet im Generator schon bei niedrigerer Heiztemperatur. Zusätzlich zeigen Berechnung und experimentelle Messungen, dass durch den „Bypass“ die Wärmezahl von Absorptionskältemaschinen deutlich verbessert werden kann.

[0013] Dadurch, dass in den warmen Absorber nicht wie bei herkömmlichen Absorptionskältemaschinen, die durch die einzige große Druckabsenkungsstufe abgekühlte vom Generator kommende schwache Lösung einfließt, sondern, dass erfindungsgemäß in den warmen Absorber die heiße vom Bypassgenerator kommende extra-schwache Lösung fließt, welche vom Bypassdruck zum Absorberdruck nur eine sehr kleine Druckabsenkungsstufe passiert hat und damit nur wenig Temperatur verloren hat, und die andererseits wegen ihrer niedrigen Kältemittelkonzentration eine sehr hohe Absorptionstemperatur erreichen kann, ist es möglich bei vorsichtiger Dosierung des Heizmediumsflusses dieses Heizmedium im Generator auf eine Temperatur knapp über der Rückkühltemperatur zu bringen und anschließend dieses gekühlte Heizmittel im warmen Absorber wieder auf eine hohe Temperatur zu bringen. Typische Erfahrungswerte für eine erfindungsgemäße Absorptionskältemaschine für die Heizmediumstemperaturen sind:

Generatoreingang: T=80°C

Generatorausgang: T=40°C

Ausgang warmer Absorber: T=65°C 3/6 österreichisches Patentamt AT506 356B1 2010-10-15 BESCHREIBUNG DER FIGUREN: [0014] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Absorptionskältemaschine. Dabei umschließt das dünn punktierte Rechteck die erfindungsgemäßen neuen Teile des ersten Anspruchs. Würde man alle Teile in diesem Rechteck entfernen und vom Punkt 1 nach T und vom Punkt 2 nach 2' je eine Rohrverbindung legen, so erhielte man eine herkömmliche Absorptionskältemaschine.

[0015] Die Buchstaben bedeuten: A1... warmer Absorber A2... kalter Absorber B... Bypassrohr BA. .. Bypass-Absorber BG... Bypass-Generator DA1, DA2, DA3...Druckabsenkungsstufen F. .. Medium zum Abtransport der erzeugten Kälte G. .. Generator GA1, GA2...Gasabscheider H. .. Heizmedium K... Kondensator P1... Hilfspumpe P2... Hauptumwälzpumpe RK... Rückkühlmedium V. .. Verdampfer [0016] In den markierten Punkten herrschen genähert die folgenden Systemzustände:

Punkt Agqreqatzustand Lösungskonzentration Druck Temperatur 1 Lösung schwach Bypassdruck Heizung 1' Lösung extra-schwach Absorberdruck Heizung 2 Lösung stark Absorberdruck Rückkühlung 2' Lösung extra-stark Bypassdruck Rückkühlung 3 Kältemitteldampf 100% Generatordruck Heizung 4 Kältemittel flüssig 100% Absorberdruck Kühlung 5 Kältemitteldampf 100% Absorberdruck Kühlung 6 Kältemitteldampf 100% Bypassdruck Heizung 7 Lösung + Kältemitteldampf schwach + 100% Absorberdruck warmer Abs. 8 Lösung extra-stark Generatordruck Rückkühlung 9 Lösung + Kältemitteldampf schwach + 100% Generatordruck Heizung [0017] Die den Generator G verlassende heiße schwache Lösung -9- gelangt über eine erste Druckabsenkungsstufe DA1 in einen so genannten Bypass-Generator BG bei gleicher Temperatur aber Bypassdruck, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf -6- die heiße Lösung auf extra-schwache Konzentration bringt, wobei diese Lösung -T- über eine erfindungsgemäße Druckminderungsstufe DA2 in den warmen Absorber A1 fließt, während der im Bypass-Generator BG entstandene Kältemitteldampf -6-durch ein Bypassrohr B in einen sogenannten Bypass-Absorber BA geführt wird, in welchen gleichzeitig kalte starke Lösung -2- fließt, welche vom Absorber A2 kommend durch eine erfindungsgemäße Hilfspumpe P1 vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist, wodurch im Bypass-Absorber BA aus starker Lösung -2- und Lösungsmitteldampf -6- eine extra-starke Lösung 2' entsteht, welche durch die Hauptumwälzpumpe P2 auf 4/6

Claims (2)

1. österreichisches Patentamt AT506 356B1 2010-10-15 Generatordruck gebracht und zum Generator G befördert wird, wo aus dieser extrastarken Lösung -8- Kältemitteldampf -3- frei gesetzt wird, welcher im Kondensator K verflüssigt, dann über eine Druckabsenkungsstufe DA3 in den Verdampfer V gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium F Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer entstehende Kältemitteldampf -5- zum warmen Absorber A1 geführt wird, wodurch zunächst warme schwache Lösung mit einem Anteil Kältemitteldampf entsteht, wobei diese Mischung -7-sich im anschließenden kalten Absorber A2 zu kalter starker Lösung vereint. Patentansprüche 1. Absorptionskältemaschine mit drei Druckniveaus, nämlich Generatordruck, Bypassdruck und Absorptionsdruck und vier Lösungskonzentrationen nämlich schwach und stark sowie extra-schwach und extra-stark, bestehend aus Generator (G), Kondensator (K), drei Druckabsenkungsstufen (DA1), (DA2), (DA3), Verdampfer (V), Absorber (A1), (A2) und zwei Lösungsumwälzpumpen (P1), (P2), einem Bypass-Generator (BG) und einem Bypass-Absorber (BA), wobei die beiden letzten Bypasselemente durch Wärmetauscher dargestellt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die den Generator (G) verlassende heiße schwache Lösung (9) über einen ersten Gasabscheider (GA1) und über eine erste Druckabsenkungsstufe (DA1) in einen so genannten Bypass-Generator (BG) bei gleicher Temperatur aber bei niedrigerem Bypassdruck gelangt, wo ihr weiter Wärme zugeführt wird, die unter Entstehung von zusätzlichem Kältemitteldampf (6) die heiße Lösung auf extraschwache Konzentration bringt, wobei diese Lösung (T) über eine Druckabsenkungsstufe (DA2) ohne Temperaturminderung in den Absorber (A) fließt, während der im Bypass-Generator (BG) entstandene Kältemitteldampf (6) durch einen Gasabscheider (GA2) von restlichen Flüssigkeitströpfchen gereinigt und durch ein Bypassrohr (B) in einen auf Rückkühltemperatur (RK) gekühlten und unter Bypassdruck stehenden Bypass-Absorber (BA) geführt wird, in welchen gleichzeitig starke Lösung (2) mit der Rückkühltemperatur (RK) fließt, welche vom Absorber kommend durch eine Umwälzpumpe (P1) vom Absorberdruck auf den etwas höheren Bypassdruck gebracht worden ist, wodurch im Bypass-Absorber (BA) aus starker Lösung (2) und Lösungsmitteldampf (6) eine extra-starke Lösung (2') entsteht weiche durch die Hauptumwälzpumpe (P2) auf Generatordruck gebracht und bei gleichbleibender Temperatur zum Generator (G) befördert wird, wo aus dieser extrastarken Lösung (8) Kältemitteldampf (3) frei gesetzt wird, welcher durch einen Gasabscheider (GA1) von restlichen Flüssigkeitströpfchen gereinigt, im Kondensator (K) verflüssigt, dann über eine Druckabsenkungsstufe (DA3) in den Verdampfer (V) gelangt, wo durch den Verdampfungsprozess dem zu kühlenden Medium (F) Wärme entzogen wird, während der im Verdampfer (V) entstehende Kältemitteldampf (5) zum Absorber (A) geführt wird, wo er sich mit der vom Bypass-Generator (BG) kommenden und noch auf heißer Generatortemperatur befindlichen extra-schwachen Lösung (T) vereint, welche im Zuge des Absorptionsprozesses allmählich auf Rückkühltemperatur (RK) gebracht wird, sodass sich dieser Dampf in der Lösung absorbiert, wodurch wieder kalte starke Lösung entsteht.
2. 2. Absorptionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber in einen kalten und einen warmen Absorber geteilt ist, wobei im warmen Absorber (A1) die heiße vom Bypassgenerator (BG) über eine Druckabsenkungsstufe (DA2) kommende extra-schwache Lösung (T) einen Teil des vom Verdampfer (V) kommenden Kältemitteldampfs (5) absorbiert und die dabei frei werdende Wärme an das durch den Heizprozess im Generator (G) abgekühlte Heizmedium (H) abgibt, während das im warmen Absorber (A1) entstehende Gemisch (7) aus schwacher Lösung und dem verbleibenden nicht absorbierten Kältemitteldampf in einen kalten Absorber (A2) geführt werden, der mit dem Rückkühlmedium (RK) beaufschlagt wird, wodurch der Absorptionsprozess zu Ende geführt wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 5/6