DE2538730C2

DE2538730C2 - Verfahren zur Kälteerzeugung mittels eines Kompressions-Absorptions-Kreisprozesses und Anlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2538730C2
Application number: DE2538730A
Authority: DE
Inventors: Louis Howell De Witt N.Y. Leonard; Marvin McDonald Georgetown N.Y. Patnode
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1975-08-30
Publication date: 1982-08-05
Also published as: GB1515572A; IT1042124B; JPS5167554A; JPS5434946B2; FR2291463A1; FR2291463B1; SU674690A3; DE2538730A1; CH612001A5; BR7506314A; AU501390B2; EG13005A; DD121172A5; AT342097B; NL164950C; AR213276A1; SE7511168L; SE409616B; AU8393775A; NL164950B

Description

die Kompressorausgangstemperaturen über diejenigen hinaus zu erhöhen, die normalerweise bei bekannten Kältemaschinen auftreten. Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt, ist dieser Kreis zwischen der Förderseite des Kompressors und der Einlaßseite des Kondensators 15 in das System eingebaut. Folglich kann dieser Kreis in einfacher Weise auch nachträglich in vorhandene Einheiten integriert werden, die gegenwärtig in Betrieb sind, ohne daß es dabei nötig wäre, größere Veränderungen oder Abwandlungen an den Hauptbestandteilen vorzunehmen.

Der den großen Temperaturanstieg bewirkende Kreis enthält eine Lösungspumpe 36, wahlweise einen Lösungswärmetauscher 38, einen Hochtemperaturwärmetauscher 25, einen Schwerkraftabscheider 30 sowie einen Austreiber 35. Durch die Lösungspumpe 36 wird eine starke Lösung des Absorptionsmittels von dem Austreiber 35 abgezogen, durch den Lösungswärmetauscher 38 hindurchgeführt und über eine Lösungsleitung 55 an eine Reihe von Sprühdüsen 39 abgegeben. Die Bezeichnung »starke Lösung« bezieht sich in diesem Zusammenhang auf eine Absorptionsmittellösung mit einer solchen Konzentration, aufgrund derer die Lösung stark ist im Hinblick auf ihre Fähigkeit zur Absorption von Kältemitteln. In ähnlicher Weise wird die Bezeichnung »schwache Lösung« für eine Lösung benutzt, die sich in einem stark verdünnten Zustand befindet und daher schwach ist hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Absorption von Kältemitteln.

Wie in F i g. 1 gezeigt, sind die Sprühdüsen 39 in dem Ablaßrohr 4t des Kompressors angeordnet, und zwar sind die Düsen im Einlrittsbereich 40 des Wärmetauschers 25 für hohe Temperaturen angeordnet Im Betrieb bewegen sich von dem Kompressor abgegebene, gesättigte oder überhitzte Kältemitteldämpfe in den Eintrittsbereich des Wärmetauschers für hohe Temperaturen hinein, wo die Dämpfe der aus den Sprühdüsen abgegebenen starken Lösung ausgesetzt werden. Innerhalb der Mischung wird ein Teil der Kältemitteldämpfe durch die Lösung absorbiert und so die Temperatur der Mischung auf einen Wert angehoben, der größer ist als die Sättigungstemperatur der aus dem Kompressor abgegebenen Dämpfe. -.:

Bei dem hier dargestellten Wärmetauscher 25 handelt es sich um einen Wärmetauscher. mit einfachem Durchgang und senkrecht ausgerichtetem Rohrbündel 42 zur Führung des Gemisches hoher Temperatur nach unten durch das Gehäuse. In den Boden des Gehäuses wird durch ein Einlaßrohr 46 eine Wärmerückgewinnungssubstanz eingeführt, die aus Wasser bestehen kann. Die Rückgewinnungssubstanz wird veranlaßt, sich in Aufwärtsrichtung durch das Gehäuse hindurchzubewegen, wobei der Strom mittels in Segmente aufgeteilter Prallplatten 46 vor und zurück gelenkt wird. Der Gegenstrom der beiden über die Wärmeübertragungsflächen der Rohre fließenden Strömungsmittel erzeugt einen wirksamen Energieaustausch zwischen den Substanzen, wodurch die Temperatur der Rückgewinnungssubstanz etwa auf diejenige der Mischung hoher Temperatur angehoben wird. Schließlich wird die Rückgewinnungssubstanz aus dem oberen Teil des Wärmetauschers mittels einer Ablaßleitung 48 abgegeben.

Die Absorbereinheit ist aufgrund ihrer Konstruktion so ausgelegt, daß annähernd die Hälfte oder etwas weniger als die Hälfte der gesamten volumetrischen Förderleistung des Kompressors durch die starke Lösung absorbiert wird, wenn'der Stromkreis unter Spitzenheizlasten arbeitet. Das bedeutet, daß etwa 50% der in den aus dem Kompressor austretenden Kältemitteldämpfen enthaltenen Gesamtenergie bei der Absorption verbraucht wird, während die verbleibenden 50% in der Mischung in Form nicht absorbierter Kältemitteldämpfe durch den Wärmetauscher hindurchgeführt werden. Wie im weiteren Verlauf dieser Beschreibung noch erläutert wird, wird die Energie in dem nicht absorbierten Kältemittel abstromseitig von

ίο dem Wärmetauscher 25 benutzt, um die verdünnte Lösung wieder zu konzentrieren. Weil das Absorptionsverfahren grundsätzlich ein reversierbares Verfahren ist, wird etwa dieselbe Menge der in der Absorption verbrauchten Energie zur erneuten Konzentration der Lösung benötigt. Durch Aufrechterhalten eines Gleichgewichts an innerer Energie in der beschriebenen Weise ist immer eine ausreichende innere Energie in der Anlage vorhanden, um die Lösung für alle Heizlasten erneut zu konzentrieren. - .

Die Mischung, die das Rohrbündel des der Wärmegewinnung dienenden Wärmetauschers verläßt, strömt direkt in den Schwerkraftabscheider 30. Die schwache Lösung, die sich in einem flüssigen Zustand befindet, wird in dem Speicherbereich 49 des Abscheiders gesammelt während die nicht absorbierten Kältemitteldämpfe, die sich im gasförmigen Zustand befinden, in die waagerecht fluchtende Rohrreihe 50 des abstromseitigen Austreibers 35 einströmen können.

Die in dem Speicher 49 des Abscheiders gesammelte

schwache Lösung wird als nächstes . durch den Wärmetauscher 38 hindurchgeführt .Die schwache Lösung wird beim Verlassen des Wärmetauschers 38 und beim Einströmen in den Austreiber 35 durch Entspannung gekühlt, und zwar durch Expandieren auf einen niedrigeren Druck. In der ^Praxis wird die schwache Lösung etwa vom Förderdruck des Kompressors bis etwa auf den Kompressoreinlaßdruck gedrosselt; der Zweck dieser Drosselung wird aus der folgenden Beschreibung deutlich. Der Druckunterschied zwischen dem Lösungszufuhrbereich im Austreiber und dem Speicher in dem Abscheider sichert den Transport der schwachen Lösung durch den Lösungswärmetauscher hindurch. Die Zufuhr der im Austreiber enthaltenen Lösung wird auf einem solchen Stantflgehalten, daß

die Oberflächen der Rohre der Rohrrcjbe 50 benetzt sind. ... .·£■■;

Das Entspannungskühlen der schwachen Lösung dient zur Absenkung der Temperatur, der Lösung reichlich unterhalb derjenigen der. nicht absorbierten

Kältemitteldämpfe, die durch die Rohrreihe 50 der KcnzEiitriereinrichtung hindurchgehen. Demzufolge werden, wenn die beiden Substanzen innerhalb des Austreibers in Wärmeaustausch miteinander gebracht werden, die nicht absorbierten Kältemitteldämpfe in den Rohren veranlaßt zu kondensieren und so Wärmeenergie an die in dem Zufuhrbereich gespeicherte schwache Lösung abzugeben. Es ist zu beachten, daß der Lösungszufuhrbereich innerhalb des Austreibers mittels des Einlaßkanals 52 wirksam mit der Einlaßseite des Kompressors verbunden ist Der Kompressor wird somit benutzt, um den Druck innerhalb des Zufuhrbereichs unter dem Dampfdnick;3eV_r"<iainn enthaltenen Lösung zu halten, um das Kältemittel durch Kochen zu entfernen, wenn die Lösung dmfäi^el^idensierenden,

nicht absorbierten KältemüteToBüinpf!?^rwärrat wird. Die aus der Lösung herausgekochten reinen Kältemitteldämpfe werden durch den^EjflaBkanal '52.zur Wiederverwendung mden Kompressor abgezogen. ''■"

Die erneut konzentrierte Lösung, die nun in einem starken Zustand ist, wird durch die Kreiselpumpe 36 aus dem Austreiber herausgezogen. Die starke Lösung wird unter dem Einfluß der Pumpe durch den Lösungswärmetauscher 38 hindurchgeführt, wo Wärmeenergie von s der wärmeren verdünnten Lösung, die in den Austreiber 35 eintritt, auf die kühlere starke Lösung übertragen wird, bevor sie an die Sprühdüsen 39 abgegeben wird.

Die Steuerung des Wärmerückgewinnungsverfahrens wird in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmerückgewinnungssubstanz aufrechterhalten, die aus dem Wärmetauscher 25 austritt. In dem Auslaßrohr 48 ist ein Meßelement 57 angeordnet, welches in der Lage ist, die Temperaturinformation einem Regler 58 zu übermitteln, der mit dem Ventil 56 in der Lösungsleitung ι s 55 verbunden ist Wenn sich die Temperatur der austretenden Wärmerückgewinnungssubstanz von dem gewünschten Wert entfernt, dann stellt der Regler das Steuerventil entweder zur Erhöhung oder zur Verminderung der den Sprühdüsen zugeführten Lösungsmenge ein. Es kann jede beliebige geeignete Steuerungseinrichtung benutzt werden, um den Durchfluß in der hier beschriebenen Weise zu regeln.

Wie ersichtlich, wird das Volumen der starken Lösung zur Steuerung der Menge der in dem Eintrittsbereich des Wärmetauschers 25 absorbierten Kältemitteldämpfe geregelt Dieses wiederum bestimmt die Menge der Dampfenergie, die in dem Absorptionsprozeß verbraucht wird, um den hohen Temperaturanstieg zu bewirken, sowie auch die Menge der in den nicht absorbierten Kältemitteldämpfen vorhandenen Energie, die für die erneute Austreibung verfügbar ist. Wie erwähnt, ist der entsprechende Kreis so ausgelegt, daß bei seinem Betrieb unter Spitzenwärmebelastungen in den nicht absorbierten Dämpfen genügend Energie vorhanden ist, um eine erneute Austreibung zu erreichen. Hierbei wird innerhalb des Kreises zwischen dem Wärmeaustauscher 25 und dem Austreiber 35 ein selbstregelndes Gleichgewicht erreicht. Wenn beispielsweise mehr als die erforderliche Wärmemenge in dem Absorptionsprozeß für eine vorgewählte Heizlast verbraucht wird, dann befindet sich die aus dem Wärmetauscher 25 austretende Lösung in einem übermäßig verdünnten oder schwachen Zustand. Infolgedessen wird die in den nicht absorbierten Kältemitteldämpfen enthaltene Energiemenge, die in den Austreiber 35 eintritt, proportional reduziert und vermindert dadurch die Energiemenge, die für die erneute Konzentration dieser übermäßig verdünnten Lösung innerhalb des Austreibers 35 vorhanden ist. Die Konzentration der den Austreiber 35 verlassenden Lösung wird daher schwSchcr, was dazu führt, daß bei der Absorption während des nächsten Arbeitszyklus entsprechend weniger Energie verbraucht wird. Unter demselben Vorzeichen kann, wenn die an den Wärmetauscher 25 herangeführte Lösung relativ dünn ist, weniger Kältemittel absorbiert werden, und es wird in den nicht absorbierten Dämpfen mehr Energie zur Konzentration verfügbar gemacht, was zu einer Verstärkung der aus dem Austreiber austretenden Lösung führt. Dieses Verfahren setzt sich fort, bis ein ausgeglichenes Energieverhältnis zwischen dem Austreiber 35 und dem Wärmetauscher 25 für die erwünschte Wärmelast erreicht ist

Das sich durch die Rohrreihe des- Austreibers hindurchbewegende Kältemittel wird in eine innerhalb ' des Gehäuses 15 enthaltene Kammer 61 abgegeben. Der Zustand des in die Kammer eintretenden Kältemittels schwankt natürlich je nach der Menge des im Austreiber kondensierten Kältemittels. Das den-Austreiber in der flüssigen Phase verlassende Kältemittel wird unmittelbar in die Schwimmerventilkammer 63 der Anlage hinein abgegeben. Andererseits werden die aus dem Austreiber austretenden Kältemitteldämpfe durch eine Leitung 61 nach oben in einen üblichen Kondensator geführt, wo diese Dämpfe kondensiert und dann wieder zur Schwimmerkammer 63 zurückgeführt werden. Die Kondensation der Kältemitteldämpfe verteilt sich somit zwischen dem Austreiber und dem Kondensator, wobei der von jeder dieser beiden Einrichtungen geleistete Beitrag von der Wärmelast des den hohen Temperaturanstieg bewirkenden Kreises abhängig ist.

Von der Schwimmerkammer wird das Kältemittel durch das Expansionsventil 13 hindurchgeführt und in dem Verdampfer 12 für Kühlzwecke nutzbar gemacht. Das Verdampfungserzeugnis aus dem Verdampfer wird dann durch den Einlaß 21 in den Kompressor eingebracht, wo es zusammen mit dem aus der schwachen Lösung freigesetzten Kältemittel weiter verwendet wird.

Es wird nunmehr auf das in F i g. 2 gezeigte Schema Bezug genommen. Es sei davon ausgegangen, daß hierbei der Lösungswärmetauscher 38 nicht in dem Kreis vorhanden ist. Der gezeigte Arbeitszyklus ist aufgetragen für eine Anlage, die mit einem üblichen Kältemittel und einem Gleitöl als Absorptionsmittel arbeitet. Die Kältemittelkonzentration der Lösung ist auf der Abszisse des Schemas aufgetragen (Konzentration in Gew.-%). Die linke Ordinate zeigt den absoluten Lösungsdampfdruck in bar; die entsprechende Sättigungstemperatur des Kältemittels ist auf der rechten Ordinate angegeben. Die Sättigungstemperatur der Lösung ist auch in dem Schema dargestellt und wird durch die schrägen Kurven verdeutlicht.

Punkt A auf dem Schema bezeichnet den Ausgangsdruck des Kompressors am Eintritt des Wärmetauschers 25. Wie erwähnt, beträgt der absolute Abgabedruck etwa 2,1 bar. Bei diesem Abgabedruck beträgt die Sättigungstemperatur der Kältemitteldämpfe etwa 46° C Die in diesen Bereich eingesprühte starke Lösung ist dem Abgabedruck des Kompressors ausgesetzt und absorbiert somit Kältemitteldämpfe. Infolgedessen wird die Lösungstemperatur auf etwa 71 "C angehoben, mit einer Konzentration von etwa 23%. Die Mischung hoher Temperatur bewegt sich dann in den Wärmetauscher 25 hinein und beginnt Wärme an die Wiedergewinnungssubstanz abzugeben und dabei die Temperatur der Substanz auf etwa diejenige der Lösung anzuheben. Bei fortgesetzter Wärmeabgabe seitens der Lösung an die Wärmerückgewinnungssubstanz verdünnt sich die Lösung selbst und verläßt schließlich den Wärmetauscher bei Stufe B. An diesem Punkt hat die Lösung eine Temperatur von etwa 49° C und ist bis auf eine Konzentration von etwa 76,6% herunter verdünnt worden.

Die Lösung und die nicht absorbierten Kältemitteldämpfe, die sich noch im Sättigungszustand oder in etwa im Sättigungszustand befinden, verlassen den Wärmetauscher 25 und werden in den Abscheider 30 hineingeführt, wo die Bestandteile wie oben beschrieben voneinander getrennt werden.

Die abgeschiedene schwache Lösung wird dann durch Entspannung von dem Zustand B auf den Zustand C heruntergekühlt, indem man die Lösung durch irgendeine bekannte Entspannuhgsvorrichtung hindurchführt.

um dieses Ergebnis zu erreichen. Wie erwähnt, wird die Entspannungskühlung erreicht durch Herabsetzen der Lösungsdrücke von dem Abgabedruck des Kompressors auf den EinlaQdruck des Kompressors oder von einem absoluten Druck von etwa 2,1 bar auf etwa 0,5 bar. Die Entspannungskühlung verändert unter diesen Umständen die Lösungskonzentration von 76,6% auf 68%, während dabei die Lösungstemperatur auf 8°C vermindert wird. Die Lösung tritt in diesem Zustand in den Austreiber 35 ein.

Im Austreiber 35 kommt die Lösung in Wärmekontakt mit dem nicht absorbierten Kältemittel, das durch die Rohrreihe hindurchgeht; die Dämpfe sind noch gesättigt oder in etwa gesättigt. Die kühlere schwache Lösung kondensiert die Dämpfe, und die latente Wärme wird in die Lösung hinein abgegeben. Die Lösung, die dem Einlaß des Kompressors ausgesetzt ist, kocht und treibt das Kältemittel heraus und bringt somit die Lösung in den Zustand D. Während der erneuten Konzentration wird der Lösungsvorrat im Austreiber im Idealfall von etwa 67% Kältemittel auf etwa 10,5% gebracht, während die Temperatur auf etwa 41°C gesteigert wird.

Die erneut konzentrierte Lösung bei Stufe D wird dann durch die Kreiselpumpe 36 zu den Sprühdüsen 39 bewegt, wo sie dem Abgabedruck des Kompressors ausgesetzt ist. Beim Hineinsprühen in die Abgabe verändert sich der Zustand der Lösung von dem Zustand D auf den Zustand A, und der Arbeitstakt wird wiederholt

Es wird nunmehr auf F i g. 3 Bezug genommen; diese Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Kälteanlage bei Verwendung eines Schraubenkompressors 120. Die Kälteanlage enthält einen Kondensator 112 und einen Verdampfer 113. Der Kondensator und der Verdampfer sind durch ein Entspannungsventil 15, das in der Schwimmerkammer 116 angeordnet ist, und eine Leitung 114 miteinander verbunden. Die zu kühlende Substanz, die Wasser oder dergleichen sein kann, wird über ein Einlaßrohr 117 in den Verdampfer eingeführt, durch eine Reihe von Verdampferrohren hindurchgeführt, wo Wärme von der wärmeren Substanz in das Kältemittel hinein abgegeben wird, und dann durch ein Auslaßrohr 118 aus der Anlage herausgeführt Das Kältemittel verläßt den Verdampfer in Dampfform und wird durch einen Einlaßkanal 121 an die Saugseite des Kompressors 120 herangeführt Wie gezeigt, ist der Kompressor 120 ein herkömmlicher Schraubenkompressor, angetrieben durch eine beliebige geeignete Antriebseinrichtung 122, beispielsweise einen Elektromotor, obwohl ein Schraubenkonipressor für die hier in Rede stehenden Zwecke ideal geeignet ist, können auch andere geeignete Kompressoren Verwendung finden.

Wie in der Zeichnung gezeigt, enthält der den hohen Temperaturanstieg bewirkende Kreis einen Absorber 125 und einen Generator 140. Der Kreis ist zwischen dem Auslaß des Verdampfers 113 und dem Einlaß des Kondensators 112 in die Kälteanlage integriert Es wird durch das Lösungsansaugrohr 123 eine konzentrierte Lösung eines Absorptionsmittels in den Kältemitteleinlaßkanal 121 hinein abgegeben, wodurch die Lösung den Kältemitteldämpfen am Einlaß des Kompressors ausgesetzt wird. Die Mischung aus reinen Kältemitteldämpfen und konzentrierter Lösung wird durch den Kompressor hindurchgeführt, der Druck der Mischung gesteigert und die Mischung an die Hochdruckseite der Kälteanlage abgegeben. Die Lösung kann in ähnlicher Weise dem Kältemittel im Kompressor ausgesetzt werden, indem man die Lösung abstromseitig vom Einlaß direkt in den Kompressor einspritzt. Unter dem Einfluß des Kompressors wird das Gemisch aus Lösung und Kältemittel abstromseitig in den Absorber-Austreiberkreis hineingepumpt, und zwar mittels der Kompressorabgabeleitung 127. Bei ihrem Durchgang durch den Kompressor wird das Energieniveau innerhalb der Mischung auf einen ausreichend hohen Stand angehoben, um das Kältemittel in einen Sättigungszustand oder leicht überhitzten Zustand zu bringen.

Bei der Absorbereinheit 125 handelt es sich um einen Wärmetauscher mit einfachem Durchgang und einem senkrecht ausgerichteten Rohrbündel 126, das so angeordnet ist. daß es die Mischung hoher Temperatur durch das Absorbergehäuse nach unten führt, wo die Absorptionsmittellösung die Innenseiten der Rohre benetzt In den unteren Teil des Absorbergehäuses wird durch ein Einlaßrohr 128 eine Wärmerückgewinnungssubstanz eingeführt die Wasser oder irgendeine andere Substanz mit einer hohen spezifischen Wärmeleitfähigkeit sein kann, und veranlaßt sich in Aufwirtsrichtung durch das Gehäuse hindurchzubewegen. Die Strömung wird mittels in Segmente aufgeteilter Prallplatten 129 zurück und wieder nach vorn gelenkt so daß zwischen der Wärmerückgewinnungssubstanz und der sich durch die Rohre nach unten bewegenden Mischung hoher Temperatur ein wirksamer Wärmeaustausch im Gegenstrom möglich ist. Die Wärmerückgewinnungssubstanz

χ wird durch das Rohr 130 aus der Absorbereinheit abgegeben und in eine beliebige geeignete abstromseitige Vorrichtung zur Rückgewinnung der darin enthaltenen Energie eingebracht
Während sich die Mischung von dem Kompressor in

is den Absorber hineinbewegt beginnt die konzentrierte Lösung in der Mischung, Kältemitteldampf zu absorbieren. Beim Eintritt in die Absorbereinheit bewegt sich die Mischung im Wärmeaustausch mit der Wärmerückgewinnungssubstanz durch das Rohrbündel nach unten, wobei Energie (Wärme) an die Rückgewinnungssubstanz abgegeben wird. Bei der Abgabe von Energie aus der Mischung erhöht sich der Absorptionsgrad. Der Kreis ist aufgrund seiner Konstruktion so ausgelegt, daß eine Hälfte oder weniger als eine Hälfte der gesamten, durch den Kompressor hindurchgehenden Kältemittelmenge in der konzentrierten Lösung absorbiert wird, wenn der Kreis unter Spitzenwärmebelastungen arbeitet. Demzufolge verbleiben 50% oder mehr der verfügbaren Energie der von dem Kompressor abgegebenen Kältemitteldämpfe in einem reinen oder nicht absorbierten Zustand an der Abgabeseite der Absorbereinheit Die verbleibenden 50% oder weniger des von dem Kompressor abgegebenen Kältemittels werden in der Lösung absorbiert und heben die Temperatur der Mischung auf einen Temperaturwert über denjenigen der Sättigungstemperatur des reinen Kältemittels hinaus an. Wie im folgenden ausfuhrlicher erläutert wird, wird die in den nicht absorbierten Kältemitteldämpfen zurückgehaltene Energie abstromseitig von der Absorbereinheit benutzt um die verdünnte Lösung erneut zu konzentrieren. Da das Absorptionsverfahren grundsätzlich ein reversierbarrs Verfahren ist, wird in dem Absorptionsverfahren .etwa .die gleiche Energiemenge verbraucht, die notwendig ist um die Losung erneut zu konzentrieren. Durch Aufrechterhaltung eines Energiegleichgewichts in der hier b^rie'behen Weise ist immer genügend innere Enerjgie'in Vder Anlage enthalten, um die Lösung für alle Warmelasten wieder

konzentrieren zu können.

Die das Rohrbündel des Wärmetauschers verlassende Mischung strömt unmittelbar in den Abscheider 131 ein. Dort werden die nicht absorbierten Käitemitteldämpfe durch Schwerkraft von der jetzt verdünnten Flüssigen Lösung getrennt. Die flüssige Lösung wird in einem Speicherbereich am Boden der Kammer gesammelt, während die nicht absorbierten Kältemitteldämpfe durch den Kanal 132 in den abstromseitigen Austreiber 140 hineinströmen können. Der Austreiber 140, der ein zweiter Wärmetauscher ist, ist so ausgelegt, daß er zum erneuten Konzentrieren der verdünnten Lösung und wenigstens teilweisen Kondensieren der den Absorber verlassenden nicht absorbierten Kältemitteldämpfe dient. ι S

Es wird nunmehr auf die Austreiberkonstruktion Bezug genommen; wie ersichtlich, ist diese Einheit in einen mittig angeordneten Hochdruckabschnitt 141 und einen Niederdruckabschnitt unterteilt, der die Endkammern 143 und 144 enthält, die durch eine Reihe sich durch den Hochdruckabschnitt erstreckender Rohre 146 miteinander in Strömungsmittelverbindung stehen. Der Niederdruckabschnitt des Generators ist durch eine Leitung 123 mit der Saugseite des Kompressors verbunden, um diesen Abschnitt auf dem Kompressoreinlaßdruck zu halten. Der Hochdruckabschnitt des Generators, welcher durch die Endwand 147, 148 von dem Niederdruckabschnitt getrennt ist, wird im wesentlichen auf dem Kondensatorförderdruck gehalten. Μ

Die in dem Abscheider gesammelte flüssige verdünnte Lösung wird durch die Leitung 135 in die Niederdruckseite des Generators eingebracht Vor dem Eintritt in den Generator wird die verdünnte Lösung durch Entspannung gekühlt indem das Strömungsmittel js durch das Entspannungsventil 137 hindurchgeführt wird. Infolgedessen wird die Lösung von der Hochdruckseite der Anlage zur Niederdruckseite gedrosselt.

Die entspannungsgekühlte Lösung wird in den Austreiber, und zwar in die Kammer 143. eingeführt und sofort dem Einfluß des Kompressoreinlasses ausgesetzt und durch die Rohre 146 nach oben gezogen. Die Dämpfe des nicht absorbierten Kältemittels, die eine relativ höhere Temperatur und einen relativ höheren Druck haben als die Lösung, werden von dem Abscheider in den Hochdruckabschnitt des Generators hineingezogen und veranlaßt sich über die Außenseite der Wärmetauscherrohre hinwegzubewegen. Infolgedessen kondensieren die Dämpfe wenigstens teilweise auf den Rohroberflächen, und die Kondensationswärme geht in die Lösung innerhalb der Rohre über. Der Dampfdruck der Lösung innerhalb der Röhre, der 3üf dem Wert des Kompressoreinlaßdrucks liegt ist relativ niedrig und das darin enthaltene Kältemittel läßt sich demzufolge leicht aus der Lösung heraustreiben. Die das freigesetzte Kältemittel und die die konzentrierte Lösung enthaltende Mischung wird zur Wiederverwendung in den Kompressor übergeführt

Die reinen nicht absorbierten Kältemitteldämpfe, die durch den Hochdruckabschnitt des Austreibers hindurchgehen, treten in einen geteilten Auslaß 150 ein. In dem Auslaß wird das kondensierte Kältemittel, das sich nunmehr in einer flüssigen Phase befindet, unmittelbar in die Schwimmerkammer 116 hinein abgegeben. Die nicht kondensierten Dämpfe, welche den Austreiber verlassen, werden nach oben in einen üblichen Kondensator 112 geführt, wo die Dämpfe in bekannter Weise durch ein Kühlmittel, das durch ein Einlaßrohr 152 und ein Auslaßrohr 153 durch die Kondensatorschlange 151 hindurch umgewälzt wird, in flüssigen Zustand zurückgeführt werden. Das in dem Kondensator 112 erzeugte Kondensat wird auch in die Schwimmerkammer 116 hinein abgegeben, wo es mit Kondensat von dem Austreiber 140 gesammelt wird. Wie ersichtlich, biloen der Austreiber 140 und der Kondensator 112 eine Kombination zur Aufteilung der Kondensation; der von jeder einzelnen Einheit geleistete Beitrag ist abhängig von dem Heiz- und Kühlbedarf der Anlage.

Die Steuerung der Wärmerückgewinnung erfolgt in dem Kreis in Abhängigkeit von der Temperatur der aus dem Wärmetauscher 125 austretenden Wärmerückgewinnungssubstanz. Im Bereich des Auslaßrohrs 130 ist ein Meßelement 157 angeordnet, und zwar derart, daß es die Temperatur der die Absorbereinheit verlassenden Wärmerückgewinnungssubstanz mißt. Die Temperaturinformation wird an den Regler 158 weitergegeben, der mit dem Entspannungsventil 137 verbunden ist, das den Durchfluß der verdünnten Lösung regelt Wenn die Temperatur der den Absorber verlassenden Rückgewinnungssubstanz sich von einem gewünschten Wert entfernt, dann wird ein Signal an den Regler gesendet, der die Entspannungsventileinstellung entweder zur Erhöhung oder Verminderung der an den Austreiber abgegebenen Lösungsmenge einstellt und so die Temperatur auf den gewünschten Zustand zurückbringt.

Die Durchflußgeschwindigkeit der Lösung durch den Austreiber wird somit gesteuert wodurch effektiv der Durchfluß durch die Absorbereinheit 125 geregelt wird. Dadurch wird diejenige Menge an Kältemittelenergie festgelegt, die in dem Verfahren verbraucht wird, sowie die Energiemenge, die in den nicht absorbierten Kältemitteldämpfen verfügbar ist um die verdünnte Lösung wieder zu konzentrieren. Aufgrund der vorliegenden Absorber-Austreiberanordnung ist der Kreis in der Lage, die von den beiden Einheiten durchgeführte Arbeit auszugleichen, um die Anlage auf der erwünschten Wärmelast zu halten. Wenn beispielsweise in dem Absorptionsverfahren für eine vorgegebene Wärmelast mehr als die erforderliche Energiemenge verbraucht wird, dann befindet sich die den Absorber verlassende Lösung in einem übermäßig verdünnten Zustand. Infolgedessen wird die Energiemenge, die in den in den Austreiber hineinströmenden, nicht absorbierten Kältemitteldämpfen enthalten ist proportional herabgesetzt und dadurch die für die Wiederherstellung der Lösung verfügbare Energiemenge vermindert Die Konzentration der den Austreiber verlassenden Lösung wird daher in ihrer Fähigkeit zur Absorption von Kältemittel entsprechend geschwächt Demzufolge wird während des nächsten Arbeitszyklus weniger Energie in dem Absorptionsverfahren verbraucht. Unter demselben Vorzeichen wird auch weniger Kältemittel absorbiert, wenn die in den Absorber eingeführte Lösung relativ dünn ist und es wird in den nicht absorbierten Dämpfen mehr Energie für die erneute Konzentration verfügbar. Dieses wiederum führt zu einer Stärkung der während des nächsten Arbeitstaktes aus dem Austreiber austretenden Lösung. In der Praxis setzt sich dieser Ausgleichsprozeß für jeden folgenden Arbeitszyklus fort bis die richtige Energierelation zwischen dem Absorber und dem Generator für die erwünschte Wärmelast aufgebaut ist

Die Kapazität der Kälteanlage wird durch ein Drosselventil 160 oder irgendeine ähnliche Einrichtung gesteuert, um die DurchfluBmenge des Kältemittels zu

regeln, das durch den Einlaß 121 hindurchströmt, welcher den Verdampferausgang mit dem Kompressoreinlaß verbindet. Die Position des Drosselventils 160 wird in Abhängigkeit von der Temperatur der abgekühlten Substanz geregelt, die aus dem Verdampfer austritt und durch das Meßelement 161 an der Kühlmittelabgabe gemessen wird. Im Betrieb kann der Schraubenkompressor ständig mit höchsten Drehzahlen laufen, wodurch der Kompressor eine maximale Saugwirkung auf den Austreiber ausübt, um die höchstmögliche Lösungskonzentration zu erzeugen. Auf diese Weise werden herkömmliche Ventilschiebersteuerungen oder dergleichen vermieden, die eine Störung des Arbeitsgleichgewichts innerhalb des Austreibers bewirken würden. Es ist eine relativ einfache Steueranlage vorgesehen, die eine unabhängige Regelung der Heiz- und Kühllasten der Anlage

gestattet.

Wie aus dieser zweiten Ausführungsform ersichtlich, wirkt der Kompressor als eine Pumpe zum Transport der Mischung durch den Kreis hindurch und schaltet dadurch die Notwendigkeit einer Lösungspumpe aus. Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann auch hier ein übliches Kältemittel und ein Gleitöl als Absorptionsmittel benutzt werden. Diese Kombination ist in idealer Weise zur Verwendung in Verbindung mit einem Schraubenkompressor geeignet, wenn die Lösung vor dem Eintritt in den Kompressor dem Kältemittel ausgesetzt oder direkt in den Kompressor eingespritzt wird. Die Lösung bietet unter diesen Umständen die erforderliche Schmierung für den Kompressor und schaltet somit die Notwendigkeit einer zusätzlichen Schmieranlage aus, die normalerweise bei einem solchen Anwendungsbereich erforderlich ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

MS KK fit Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kälteerzeugung mittels eines Kompressions-Absorptions-Kreisprozesses, bei dem der im Kompressor verdichtete Kältemitteldampf einer konzentrierten Absorptionsmittellösung ausgesetzt wird, wobei durch Absorption von Kältemitteldampf Temperaturen oberhalb der Sättigungstemperatur des Kältemitteldampfes erzeugt werden, bei denen Wärme abgeführt wird, wonach die verdünnte Absorptionsmittel-Kältemittellösung zur erneuten Verwendung in dem Verfahren durch Austreiben des absorbierten Kältemitteldampfes is unter Wärmezufuhr wieder konzentriert und die konzentrierte Absorptionsmittel-Kältemittellösung der erneuten Absorption von verdichtetem Kältemitteldampf zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil des verdichteten Kältemitteldampfes von der konzentrierten Absorptionsmittel-Kältemittellösung absorbiert und die dabei abgeführte Wärme auf ein Wärmerückgewinnungsmittel übertragen wird, daß anschließend die verdünnte Lösung von dem nichtabsorbierten Anteil des verdichteten Kältemitteldampfes getrennt wird, die verdünnte Lösung entspannt und der nichtabsorbierte verdichtete Kältemitteldampf im Wärmeaustausch mit der entspannten verdünnten Lösung geführt wird, wobei er wenigstens teilweise kondensiert und dabei die zum Austreiben des Kältemittels aus der verdünnten Lösung benötigte Wärme liefert, und anschließend vollständig kondensiert, gedrosselt, zur Kälteerzeugung verdampft und zusammen mit dem aus der Lösung ausgetriebenen Kältemitteldampf erneut verdichtet wird, während die Menge der der erneuten Absorption von verdichtetem Kältemitteldampf zugeführten konzentrierten Absorptionsmittel-Kältemittellösung in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmerückgewinnungs- <o mittels gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erneut konzentrierte Absorptionsmittel-Kältemittellösung bei ihrer Rückführung zur erneuten Absorption von verdichtetem Kältemitteldampf im Wärmeaustausch mit der verdünnten Absorptionsmittel-Kältemittellösung vor deren Entspannung geführt wird.

3. Kompressions-Absorptions-Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Kondensator, einem Verdampfer, einer Expansionseinrichtung für das Kältemittel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer, einem Kompressor zum Verdichten des aus dem Verdampfer austretenden Kältemittels, einem Absorber, in dem der Kältemitteldampf einer konzentrierten Absorptionsmittellösung ausgesetzt wird, einem Austreiber, in dem die verdünnte Absorptionsmittel-Kältemittellösung unter Wärmezufuhr wieder konzentriert und der Kältemitteldampf ausgetrieben wird, und Einrichtungen zur Rückführung der konzentrierten Absorptionsmittel-Kältemittellösung zum Absorber· zur erneuten Absorption von verdichtetem Kältemitteldampf, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber mit einer Vielzahl von Sprühdüsen (39) für die konzentrierte Absorptionsmittellösung versehen ist, daß den Sprühdüsen (39) ein Wärmetauscher (25) zur Übertragung der bei der Absorption von Kältemitteldampf frei werdenden Wärme auf ein Wärmerückgewinnungsmittel nachgeschaltet ist, daß die Anlage ferner einen dem Wärmetauscher (25) nachgeschalteten Schwerkraftabscheider (30) aufweist, daß der Austreiber (35) mit dem Schwerkraftabscheider in Verbindung steht und als Wärmetauscher zwischen dem nichtabsorbierten Kältemitteldampf und der verdünnten Absorptionsmittel-Kältemittellösung ausgebildet ist und daß eine Expansionseinrichtung für die vom Schwerkraftabscheider (30) dem Austreiber (35) zugeführte verdünnte Absorptionsmittel-Kältemittellösung vorgesehen ist

4. Kälteanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß sie Steuereinrichtungen (56, 57) zur Mengenregulierung der vom Austreiber (35) zu den Sprühdüsen (39) geförderten konzentrierten Absorptionsmittel-Kältemittellösung in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmerückgewinnungs- mhtels aufweist

5. Kompressions-Absorptions-Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einem Kondensator, einem Verdampfer, einer Expansionseinrichtung für das Kältemittel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer, einem Kompressor zum Verdichten des aus dem Verdampfer austretenden Kältemittels, einem Absorber, in dem der Kältemitteldampf einer konzentrierten Absorptionsmittellösung ausgesetzt wird, einem Austreiber, in dem die verdünnte Absorptionsmittel-Kältemittellösung unter Wärmezufuhr wieder konzentriert und der Kältemitteldampf ausgetrieben wird, und Einrichtungen zur Rückführung der konzentrierten Absorptionsmittel-Kältemittellösung zum Absorber zur erneuten Absorption von verdichtetem Kältemitteldampf, dadurch gekennzeichnet daß sie eine Leitung (123) zur Einführung der konzentrierten Absorptionsmittellösung in den dem Kompressor (120) saugseitig zuströmenden Kältemitteldampf aufweist, daß der an die Druckseite des Kompressors (120) anschließende Absorber (125) einen Wärmetauscher zur Übertragung der bei der Absorption von Kältemitteldampf frei werdenden Wärme auf ein Wärmerückgewinnungsmitte] aufweist, daß dem Absorber (125) ein Schwerkraftabscheider (131) nachgeschaltet ist, daß die Anlage ferner Leitungen zur Einführung des nichtabsorbierten Kältemitteldampfes in einen Hochdruckabschnitt (141) des Austreibers (140) aufweist, der ein Rohrbündel (146) zur Durchführung eines Wärmetausches mit der in einen Niederdruckabschnitt (143,144,146) des Austreibers (140) eingeführten verdünnten Absorptionsmittel-Kältemittellösung enthält, wobei der Niederdruckabschnitt über die Leitung (123) mit der Kompressorsaugseite in Verbindung steht und daß zwischen dem Schwerkraftabscheider (131) und dem Niederdruckabschnitt des Austreibers (140) ein Entspannungsventil (137) angeordnet ist

6. Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß sie Steuereinrichtungen (157,158) zur Mengenregulierung der vom Schwerkraftabscheider (131) zu dem Austreiber (140) strömenden verdünnten Absorptionsmittel-Kältemittellösung in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmerückgewinnungsmittels aufweist

7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß der Kompressor ein

Schraubenkompressor (120) und die Absorptionsmittellösung ein Schmieröl ist

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung mittels eines Kompressions-Absorptions-Kreisprozesses nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

£in Verfahren dieser Art ist aus der US-PS 11 09 923 bekanntgeworden. Ein ähnliches Verfahren ist in der US-PS 25 48 699 beschrieben. Aus der US-PS 23 07 380 ist eine kombinierte Kompressions-Absorptions-Kälteanlage bekannt, bei der der verdichtete Kältemitteldampf in indirekten Wärmeaustausch mit der entspannten verdünnten Absorptionsmittel-Kältemittellösung gebracht wird und dabei unter Kondensation die zum Austreiben des Kältemittels erforderliche Wärme liefert, während der aus der Lösung ausgetriebene Kältemitteldampf unmittelbar der Kompressorsaugseite zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, das eine verbesserte Rückgewinnung von Wärmeenergie ermöglicht und bei dem der Absorptionskreis der Anlage kapazitätsmäßig gesteuert werden kann, ohne dadurch den Betrieb des Kompressionskreises zu beeinflussen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst Die Erfindung betrifft des weiteren eine Kompressions-Absorptions- Kälteanlage zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens. Eine derartige Kälteanlage ist im Anspruch 3 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der zugehörigen Anlage arbeit« der Kondensator im Kompressionskreis mit dem Austreiber zusammen, um den Kompressionskreis mit Kondensat zu versorgen. Wenn der Absorptionskreis mit maximaler Auslastung gefahren wird, stellt der Austreiber nahezu 100% des Kondensatbedarfs des Kompressionskreises zur Verfügung. Wenn jedoch der Absorptionskreis mit einer Auslastung von 0% gefahren wird, liefert der Kondensator das gesamte Kondensat für den Kompressionskreis. Der Absorptionskreis kann somit zwischen 0 und 100% kapazitiver Auslastung gefahren werden, ohne daß dadurch der Betrieb des Kompressionskreises in irgendeiner Weise beeinflußt wird.

Eine etwas abgewandelte Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Anspruch 5 angegeben.

Weitere Verfahrens- bzw. Vorrichtungsmerkmale gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Kompressions-Absorptions-Kälteanlage;

F i g. 2 ein Diagramm, in dem der Lösungsdampfdruck in Abhängigkeit von der Kältemittelkonzentration der Lösung bei einem Zyklus des Kompressions-Absorp tions-Kreisprozesses dargestellt ist; und

F i g. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kompressions-Absorptions-Kalteanlage. ' ;V '

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einer Anlage 10 zur Kälteerzeugung, mit der ein großer Temperaturanstieg erzielbar ist, wodurch die aus der Anlage abgegebene Energie leicht für industrielle oder häus'iehe Heizzwecke nutzbar gemacht werden kann. Die Anlage 10 enthält einen Kondensator 11 und einen Verdampfer 12, die über ein Schwimmerventil 13 miteinander in Verbindung stehen, durch welches das Kältemittel bei seiner Bewegung von der Hochdruckseite der Anlage in die Niederdruckseite expandiert wird. Zur Erläuterung werden die oben erwähnten Bestandteile in einem einzigen Gehäuse 15 untergebracht gezeigt, jedoch können diese Bestandteile natürlich auch einzeln in mehreren Gehäusen untergebracht sein.

is Wie bei dieser Art Anlagen üblich, wird eine zu kühlende Substanz, beispielsweise Wasser, durch das Einlaßrohr 16 in den Verdampfer eingespeist, durch eine Reihe von Verdampferrohren geführt, wo die Substanz Wärmeenergie an das Kältemittel abgibt; und mittels eines Auslaßrohrs 17 aus der Vorrichtung herausgeführt Das Kältemittel verläßt den Verdampfer im dampfförmigen Zustand und wird über den Kanal 21 an die Einlaßseite eines Kompressors 20 abgegeben. Der Kompressor 20, der in F i g. 1 gezeigt ist, ist ein elektrisch betriebener, hermetisch abgedichteter. Kreiselkornpressor, obwohl auch'jegliche andere bekannte und in der Technik verwendete Art eines mechanischen Kompressors Anwendung Finden kann. Auch als Kältemittel und Absorptionsmittel können beliebige geeignete Substanzen Verwendung finden, solange nur beide miteinander verträglich sind. Bei dem speziellen Kältemittel, von dem dieses AusfOhrungsbeispiel ausgeht, wird die Niederdruckseite der Anlage auf einem absoluten Druck von etwa 0,5 bar und die Hochdrucksehe'.;auf einem absoluten- Druck.'von-^etwa' 2.-1 bar gehalten: Es ist eine Einrichtung 22 zur Regulierung der Kältemittelströmung vom Verdampfer zum "Kömptessoreinlaß vorgesehen. Die Durchflußgeschwihdigkett wird in Abhängigkeit von einem Meßfühler 23 moduliert, der elektrisch oder pneumatisch mit der Einrichtung 22 verbunden ist und zum Messen der Temperatur der aus dem Verdampfer austretenden abgekühlten Substanz und zum Einstellen der Einrichtung 22 in Abhängigkeit davon diente «ΐψ.·*Ζ&ι?*<)> ·-■ Bei dem oben bezeichneten Betriebsdruck erreicht das 'spezielle Kältemittel dieses Be1spiels*äentSattigungszüstand bei oder unterhalb von 49°Ö· Die/ybri der Anlage abgegebene Energie befindet'sich¹ "daher auf einem Wert, der ihre praktische Benutziing~begfenzL

so Die'"von einem Kompressor ' zur-¹ Erhöhung der Kältemitteltemperatur auf Sattdampftemperaturen über 49° C benötigte Leistung nimmt mit dem Anstieg dieser Temperatur drastisch zu. Infolgedessen wird eine Erhöhung des Temperaturanstieges eines Zyklus durch mechanische Einrichtungen wirtschaftlich undurchführbar. Außerdem nimmt mit der Erhöhung der Kompressorausgangstemperatur die Zersetzungsgeschwindigkeit der meisten bekannten Kältemittel in starkem Maße zu, was einer rein mechanischen Lösung der Aufgabe zur Erzeugung eines hohenTemperaturanstieges weitere Grenzen setzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden diese alten Schwierigkeiten überwunden, indem an der Ausgangsseite des Kompressors ein Kreis vorgesehen wird, der sich die Vorteile eines Absorptionssystems zunutze macht, um relativ hohe Temperaturen zu erreichen, ohne daß es dabei erforderlich ware, die Kapazität des Kompressors zur Erzeugung eines Temperaturanstieges zu erhöhen oder