DE3587420T2

DE3587420T2 - Absorptionskühl- und wärmepumpensystem.

Info

Publication number: DE3587420T2
Application number: DE85905994T
Authority: DE
Inventors: Bert Cook; Horatio Krause; Edgar Purvis; Edward Reid; Edward Winter
Original assignee: COLUMBIA GAS SYST
Current assignee: COLUMBIA GAS SYST
Priority date: 1984-11-13
Filing date: 1985-11-13
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2005-11-14
Also published as: US4719767A; US4722193A; ATE91009T1; US4646541A; US4742693A; AU617520B2; EP0203961A4; WO1986002990A1; US4742687A; AU619339B2; AU4099189A; AU4092989A; CA1320647C; AU614181B2; AU614182B2; JPS62500801A; EP0203961A1; EP0203961B1; AU4092889A; AU4092789A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Absorptions-Kälte- und/oder Kühlsystem, welches nach dem Wärmeaustauschprinzip über Absorption und Phasenänderung betrieben wird. Insbesondere betrifft es ein kontinuierliches wärmebetriebenes, luftgekühltes Absorptionssystem mit Vielfacheffekt-Generatorkreislauf.
Im Handelsgebrauch befinden sich zwei hauptsächliche Typen von Absorptions-Wärmeerzeugungs-Ausrüstung: (1) Luftgekühlte Systeme unter Verwendung von Ammoniak als Kühlmittel und Nasser als Absorptionsmittel sowie (2) wassergekühlte Systeme unter Verwendung von Wasser als Kühlmittel und Lithiumbromid als Absorptionsmittel.
Obwohl dies die hauptsächlichen gebräuchlichen Typen sind und es viele Patente gibt, welche sich auf diese und andere Typen beziehen, wurden Varianten dieser allgemeinen Prinzipien patentiert, wobei typische Beispiele in US-A-4 055 964 und US-A-2 350 115 beschrieben sind.
Von anderer Seite wurden luftgekühlte Absorptionskältesysteme unter Verwendung anderer Absorptions-Kühlmittel-Paare aufgezeigt siehe zum Beispiel US-A-4 433 554 und U-A-3 483 710.
Von wiederum anderer Seite wurden wassergekühlte Kühlsysteme unter Verwendung anderer Salze oder anderer Salze in Kombination mit Lithiumbromid als Absorbentien patentiert; siehe z. B. US-A-3 609 086 und US-A-3 541 013.
Wassergekühlte Kältekreisläufe unter Verwendung des Zweifacheffektgenerators sind ebenso handelsüblich und wurden in US-A-3 495 420, US-A-3 389 573, US-A-4 183 228 und US-A-2 182 453 patentiert.
In Absorptionskühl- und/oder Erhitzungssystemen stellt der Generators, manchmal Desorber genannt, einen sehr wichtigen Teil des Systems dar und trägt merklich zum Gesamtwirkungsgrad bei. Dem Aufbau dieser Vorrichtungen wurde roße Aufmerksamkeit geschenkt und verschiedene Anordnungen werden in US-A- 3 323 323, US-A-3 608 331, US-A-4 127 993 und US-A-4 424 688 aufgezeigt.
Diese bestehenden luftgekühlten Absorptionskühlkreisläufe weisen Kühlleistungs-Koeffizienten bis zu 0,50 auf und verwenden verschiedene Absorptions-Kühlmittelpaare. Man hat bei diesen Systemen gezeigt, daß sie als ausschließlich erhitzende Wärmepumpen einen Leistungskoeffizienten bis zu 1,3 haben.
Der hierin verwendete Ausdruck "Leistungskoeffizient" (coefficient of performance - COP) wird definiert als die Energie in BTU oder Joule pro Zeiteinheit, die an der Lastseite (load) übertragen wird, bezogen auf die dem System zur Verfügung gestellte Energie in BTU oder Joule pro Zeiteinheit, was dem Fachmann gut bekannt ist.
Man kann ebenso luftgekühlte Kühlkreisläufe vorweisen, welche umgekehrt werden können, wobei entweder Warme oder Kälte einem klimatisierten Raum (Lastseite - zu erwärmendes oder zu kühlendes Objekt) zugeführt wird, indem man die Fließrichtung einer zwischengeschalteten typischerweise aus Wasser und Gefrierschutzlösung wie Ethylenglycol usw. bestehenden Wärmetransportlösung durch Schalten ändert.
Im Handel sind flüssigkeitsgekühlte Absorptionskühlkreisläufe verfügbar, welche den Zweifacheffektgeneratorkreislauf nutzen, um hohen Wirkungsgrad zu erzielen. Allerdings eignen sich diese Systeme nicht für die Verwendung beim Erhitzen eines klimatisierten Raumes (zu erwärmendes Objekt), weil das Kühlmittel bei 32ºF (0ºC) gefriert und deshalb nicht bei Umgebungstemperatur unterhalb annähernd 40ºF (4ºC) in einem Raumheizungssystem verwendet werden kann.
Absorptions-Kälte- und Wärmepumpsysteme sind im Hinblick auf ihre grundlegenden Betriebseigenschaften bekannt und erfordern nur geringfügige weitere Beschreibung, außer daß Definitionen und Kontext für die spätere Beschreibung dieser Erfindung aufgestellt werden müssen.
In einem typischen System wird ein Kühlmittel, Wasser oder ein anderes phasenveränderliches Material in einem Absorptionsmittel (typischerweise Lithiumbromid oder andere Salze) gelöst, und diese beiden zusammen nennt man oft das "Lösungs-Paar". Das Kühlmittel wird in oder aus dem Lösungsverbund mit dem Absorptionsmittel in verschiedenem Ausmaß innerhalb des Systems absorbiert bzw. desorbiert (ausgetrieben) und die Absorptionswarme abgegeben oder entnommen, um einen Erwärmungs- oder Kühleffekt zu bewirken.
Das Lösungspaar tritt in einen Generator ein, wo es einer Wärmequelle ausgesetzt wird und die angewandt Wärme das Kühlmittel Wasser in Form eines Dampfes desorbiert (austreibt) welcher zum Kondensator überführt wird. Dort führt von außen zugeführte Kühlung zur Kondensation des Kühldampfes zur Flüssigphase, welche durch ein Expansionsventil in einen Verdampfer geführt wird, wo Wärme gewonnen wird. Im Betrieb des Kühlsystems stammt die im Verdampfer gewonnene Wärme aus dem zu kühlenden Objekt.
Der unter niedrigem Druck stehende Dampf gelangt dann zu einem Absorber, wo die Umgebungskühlung zur Absorption des Kühldampfes durch die Absorptionslösung führt. Die Lösung wird dann mittels einer Pumpe zu einem Rekuperator geführt. Der Rekuperator besteht aus einem Gegenstromwärmetauscher, wo Wärme von der vom Generator zum Absorber fließenden Absorptions-Kühlmittellösung das rückgeführt Lösungspaar auf dem Weg vom Absorber zum Generator erhitzt. Im Erwärmungskreislauf entspricht die am Absorber und/oder am Kondensor aufgewandte Kälte der Wärmeabgabe an das zu erwärmende Objekt.
Der Einfachheit und der Terminologie halber wird jeder Teil des Absorptionssystems, welcher unter Druckgleichheit betrieben wird, eine Kammer genannt.
Übliche Absorptions-Kälte-/Wärmesysteme sind Zweikammersysteme, obwohl auch Dreikammersysteme bekannt sind und beschränkte Verwendung finden. Beim Betrieb als Wärmepumpe ergeben Zweikammersysteme eine ansehnliche Erwärmungsleistung, jedoch schlechte Kühlleistung.
Bei Verwendung von Ammoniak (NH&sub3;) als Kühlmittel und Wasser (H&sub2;O) als Absorptionsmittel kann der Wärmepumpvorgang von einer Umgebungsluftquelle aus erfolgen, welche sich auf Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts befindet. Bei theoretischem Ansatz unter der Annahme, daß die Luft trocken ist, so daß kein Ausfrieren notig ist, stellt die typische Zweikammer-NH&sub3;/H&sub2;O-Wärmepumpe eine merkliche Verbesserung dar gegenüber dem, was man von einfacher Erwärmung zu erwarten hat. Weil aber Wärmepumpen teurer sind als Erwärmungsanlagen, sind Leistungssteigerungen in der Kühlsaison nötig, um zusätzliche Kosten zu rechtfertigen. In anderen Worten sollte eine Wärmepumpe gleichzeitig als Luft-Konditionieranlage wirken, um die Kosten der separaten Einrichtung einer Luftkonditionieranlage zusammen mit einer Erwärmungsanlage auszugleichen.
Beim. Kühlen geht man bei einem NH&sub2;/H&sub2;O-System von einem COP von etwa 0,5 aus. Dieser niedrige Leistungsindex führt zu unverhältnismäßigen Brennstoff- (oder Energie-)Kosten durch übermäßigen Brennstoff- (oder Energie-) Verbrauch. Diese geringe Leistung des Ammoniak-Wassersystems rührt von den schlechten Leistungseigenschaften der Ammoniak-Wasserlösung in höherem Temperaturbereichen her, sofern Wärme dem Absorptionssystem bei höheren Temperaturen zugeführt wird. Man hat Dreikammersysteme verschiedenen Typs vorgeschlagen, welche die Leistung verbessern, indem man den Desorptionsvorgang stufenweise wirken läßt. Damit kann man die tatsächliche Temperatur, bei welcher die Betriebswärme dem System (Kreislauf) zugeführt wird, erhöhen. Der entsprechende Carnot-Kreislaufwirkungsgrad erhöht sich und entsprechend auch der des realen Kreislaufes. Bis zur vorliegenden Erfindung dachte man, daß diese Erhöhung der Temperatur mit unverhältnismäßig hohem Druck einhergeht, insbesondere bei Ammoniak-Wassersystemen, und daß damit notwendigerweise das System in einem Bereich betrieben werden müßte, für welchen keine Angaben verfügbar sind.
Außerdem hat die Frage des Druckes dazu geführt Ammoniak-Wasser in einem Dreikammersystem auszuschließen. Die Suche nach organischen Stoffen wie halogenierten Kohlenwasserstoffen und anderen Kühlmitteln anstatt Ammoniak wurde begrenzt durch die Flüssigkeitsstabilität bei diesen höheren Temperaturen. Die Stabilitätsteste bei normal organischen Kühlmitteln haben gezeigt daß zum Betrieb von Dampfkompressionskühlsystemen die Anwesenheit von Öl erforderlich ist. Diese hohen Betriebstemperaturen führen zum Ausschluß der meisten üblichen Kühlmittel, insbesondere weil sie direkt durch Verbrennungsprodukte erhitzt werden, was oft zu lokaler Überhitzung und damit zum Abbau von Arbeitsflüssigkeit und/oder Korrosion von Bauteilen führt.
In US-A 4 441 332 wird ein Beispiel für ein Vier- Kammer-Absorptionskühlsystem gegeben, welches die Fähigkeit hat, Kälte- und/oder Warme insgesamt zu pumpen. Bei diesem bekannten Patent werden zwei chemisch voneinander getrennte Zweikammersysteme verwendet, welche mechanisch zu einem Gesamtsystem integriert sind, wobei die hohe Leistung eines Lösungspaares in einem Niedrigtemperaturbereich für die Kühlung und die Vorteile des anderen Lösungspaares für einen Hochtemperaturbereich ausgenutzt werden, wenn das Gesamtsystem als Wärmepumpe im Erwärmungsmodus betrieben wird.
In US-A-3 609 086 wird ein Absorptionskälte- und/oder Kühlsystem in Verbindung mit einer primären Wärmequelle, einem zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Objekt (load
- Lastseite) sowie einer Wärmesenke oder einer sekundären Quelle beschrieben, wobei selektiv Wärme bereitgestellt oder Wärme aus der Lastseite entnommen wird, und wobei das System folgendes umfaßt:
(a) Einen Mehrfacheffekt-Generator mit mehreren Desorberkomponenten, die bei mehr als einem unterschiedlichen Innendruck arbeiten, um eine primäre Wärmequelle auf ein Absorptionskühlpaar, enthaltend ein hochflüchtiges Kühlmittel und ein Absorptionsmittel, einwirken zu lassen und um das Kühlmittel aus dem Paar zu desorbieren.
(b) Einen ersten Wärmetauscher, der zwischen die Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators geschaltet und so konstruiert ist, daß er die Wärme zwischen einer Wärmesenke oder einer sekundären Quelle in seiner Nähe und dem in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht, und einen zweiten Wärmetauscher, der so konstruiert ist, daß er Wärme zwischen der Lastseite und dem in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht, und
(c) eine Pumpe, die zwischen den Absorber und den Generator geschaltet ist, um bei höherem- Druck einen Lösungsfluß im Generator zu bewirken.
In diesem System wird eine Lithiumbromidiösung verwendet.
Das mit Wärme betriebene luftgekühlte Zweifacheffektgeneratorkreislauf-Absorptionskühlsystem dieser Erfindung, welchem im allgemeinen dem im vorgenannten US-A-3 609 086 beschriebenen System ähnlich ist, überwindet die Beschränkungen des bekannten Stands der Technik. Der Zweifacheffektgeneratorkreislauf gewährt über interne Wärmerückgewinnung im Absorptionskühlkreislauf hohen Wirkungsgrad. Eine interne Strömungsumkehr des Kühlmittels, womit man zwischen Erhitzen und Kühlen einerseits und Enteisen andererseits umschalten kann, erübrigt die Notwendigkeit, für den Übergang von Heiz- zum Kühlbetrieb Wasser/Antifrost-Wärmetransportschleifen einzuschieben.
Entsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Absorptionssystem bereit, welches umfaßt:
(a) einen Mehrfacheffekt-Generator mit mehreren Desorberkomponenten, die bei mehr als einem unterschiedlichen Innendruck arbeiten, um eine primäre Wärmequelle auf ein Absorptionskühlpaar, enthaltend ein hochflüchtiges Kühlmittel und ein Absorptionsmittel einwirken zu lassen und um das Kühlmittel aus dem Paar zu entfernen;
(b) einen ersten Wärmetauscher, der mit den Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators verbunden und so konstruiert ist, daß er die Wärme zwischen einer Wärmesenke oder einer sekundären Wärmequelle in seiner Nähe und dem in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht;
(c) einen zweiten Wärmetauscher, der mit dem ersten Wärmetauscher über ein erstes Expansionselement verbunden und so konstruiert ist, daß er die Wärme zwischen einem zu kühlenden bzw. zu wärmenden Objekt (load) und den in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht;
(d) einen Absorber, der mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist; und
(e) eine Pumpe, die zwischen den Absorber und den Generator geschaltet ist, um bei höherem Druck einen Lösungsfluß auf den Generator zu übertragen; gekennzeichnet durch:
(f) Leitungs- und Ventileinrichtungen zur selektiven Umschaltung und Umkehrung der Funktionen des ersten und des zweiten Wärmetauschers vom Kondensor zum Verdampfer, in eine Kühl- oder Heiz-Betriebsart und umgekehrt, wobei die genannten Leitungs- und Ventileinrichtungen enthalten:
(g) eine Leitung, die den ersten Wärmetauscher mit allen Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators verbindet eine Leitung, die den zweiten Wärmetauscher mit allen Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators verbindet, und eine Leitung, die den Absorber mit dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher verbindet, eine Leitung, die das unter höherem Druck stehende Desorberelement mit dem zweiten Wärmetauscher, welcher das erste Expansionselement enthält, verbindet, und eine Leitung, die das unter höherem. Druck stehende Desorberelement mit dem ersten Wärmetauscher, welcher ein zweites Expansionselement enthält, verbindet; und
(h) Ventile, die selektiv in den Leitungen angeordnet sind, um
(i) das Objekt zu kühlen, indem sie das Kühlmittel von dem unter höherem Druck stehenden Desorberelement durch das zweite Expansionselement und von einem unter niedrigerem Druck stehenden Desorberelement direkt zum ersten Wärmetauscher, von dem ersten Wärmetauscher durch das erste Expansionselement zum zweiten Wärmetauscher, bzw. vom zweiten Wärmetauscher zum Absorber lenken, oder
(ii) um das Objekt zu erwärmen, indem sie das Kühlmittel von dem unter höherem Druck stehenden Desorberelement durch das erste Expansionselement und von dem unter niedrigerem Druck stehenden Desorberelement direkt zum zweiten Wärmetauscher, vom zweiten Wärmetauscher durch ein dritten Expansionselement zum ersten Wärmetauscher und vom ersten Wärmetauscher zum Absorber lenken.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Enteisen eines erfindungsgemäßen Systems bereit, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch:
(a) In der Betriebsart der Erwärmung:
(i) Umschalten des Kühlmittelflusses vom zweiten Wärmetauscher zum ersten Wärmetauscher;
(ii) Unterbrechung oder Minimierung des Wärmetausches zwischen dem Umgebungsfluid und dem ersten Wärmetauscher.
(iii) Unterbrechung des Wärmeaustausches zwischen dem zweiten Wärmetauscher und dem Objekt;
(iv) Aufrechterhaltung der Fluidverbindung zwischen dem ersten Wärmetauscher und der Absorber ohne Unterbrechung, wobei während der Enteisung Wärme vom Absorber zum Objekt fließen kann; und
(b) Umkehrung der Prozesse (a) (i), (a) (ii) und (a) (iii), wenn die Enteisung beendet ist.
Das erfindungsgemäße System kann entweder nach dem Erwärmungsmodus oder nach dem Kühlmodus betrieben werden, indem man die Verwendungsweise verschiedener Bauteile mittels Ventilen und/oder Schaltern untereinander austauscht. Vorzugsweise wird das System unter Verwendung eines spezifischen Lösungspaars mit Ammoniak als Kühlmittel und Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel in einen Zweifacheffektsystem betrieben.
Bevorzugte erfindungsgemäße Systeme stellen eine luftgekühlte Absorptions-Wärmepumpe mit einem Kühl-COP von mehr als 0,8 und einem Erwärmungs-COP von mehr als 1,5 bereit.
Fig. 1 aus den begleitenden Abbildungen stellt ein Diagramm eines typischen ZWeifacheffekt-Absorptionskühlkreislaufsystems dar.
Fig. 2 ist ein Diagramm des erfindungsgemäßen Zweifacheffekt-Absorptionssystems im Kühlmodus.
Fig. 3 ist ein Diagramm des erfindungsgemäßen Zweifacheffekt-Absorptionssystems im Erwärmungsmodus.
Fig. 4 ist ein Senkrecht-Querschnitt durch die erfindungsgemäße Generator/Rekuperatorvorrichtung.
Fig. 5 ist ein Horizontalquerschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4.
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm des erfindungsgemäßen Absorptionskreislaufs.
Fig. 7 ist ein Diagramm mit der Auftragung von Wärme gegenüber der Lösungskonzentration für den erfindungsgemäßen Zweifacheffekt-Absorptionskreislauf unter Verwendung von Ammoniak als Kühlmittel und Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel.
Fig. 8 stellt eine perspektivische Ansicht dar, teilweise als Schnitt durch eine erfindungsgemäße Lösungspumpe und eine Motorvorrichtung zur Energierückgewinnung.
Fig. 9 ist ein schematischer Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der Vorrichtung, und des Systems dieser Erfindung, wie man sie zum Aufbau nahe bei einem Gebäude mit einem zu kühlenden und/oder zu erwärmenden Objekt einrichten kann.
Fig. 10 ist eine Grafik zur Gegenüberstellung von Expositionszeit und Korrosionsgeschwindigkeit für ein erfindungsgemäßes Lösungspaar mit und ohne Zusatz.
Bei der Beschreibung dieser Erfindung ist es wichtig, daß über die Bedeutung der darin verwendeten Ausdrücke Klarheit herrscht. Sonst kann es wegen der Komplexität des gesamten Systems und der Verwendung von Bauteilen aus verschiedenen Gebieten der Mechanik, der Chemie und der Elektrizität in einigen Fällen zur Verwirrung über die Terminologie kommen.
Daher betrifft der hier verwendete Ausdruck "starke Lösung" in Bezug auf das Lösungspaar eine Lösung, welche im Absorber Kühlmittel aufgenommen hat und sich zum Generator hin bewegt und ein höheres Verhältnis von Kühlmittel zu Absorptionsmittel aufweist als eine Lösung, aus welcher Kühlmittel im Generator (den Generatoren) des Systems desorbiert und teilweise ausgetrieben wurde. Im Gegensatz dazu ist eine Lösung aus der Kühlmittel ausgetrieben wurde, eine "schwache" oder schwächere Lösung mit einem geringeren Verhältnis von Kühlmittel zu Absorptionsmittel in Lösung.
In dem erfindungsgemäßen Dreikammersystem wird eine Lösung von "mittlerer" Stärke zwischen den Generatoreinrichtungen verwendet. Diese Lösung ist definitionsgemäß schwächer als eine starke Lösung und stärker als eine schwache Lösung.
"Generator" und "Desorber" sind synonyme Ausdrücke. Der Ausdruck "Wärmetauscher" definiert eine Vorrichtung, in der Fluide in unmittelbarer Nähe zueinander und lediglich durch eine üblicherweise undurchlässige Wand, durch welche die Wärme von der wärmeren zur kühleren Seite geleitet wird, aneinander vorbeigeführt werden. Gewöhnlich geht man davon aus, daß die Wärme vom heißen Fluid zum kalten Fluid gelangt.
Der hier verwendete Ausdruck "Wärmetauscher" definiert eine Vorrichtung in welcher ein Wärmeaustausch in ein System hinein oder aus diesem heraus erfolgt; d. h. unter Einbeziehung eines externen Fluids wie umgebende Außenluft oder Grundwasser oder in innen gelegenen Aufenthaltsräumen aus Umgebungsluft konditionierte Luft. Solche Vorrichtungen, welche Wärme innerhalb des Systems austauschen, werden "Rekuperatoren" genannt.
Gemäß Fig. 1 als Bezugspunkt ist ein Zweifacheffekt-Absorptionskühlsystem mit einer Generatoreinrichtung erster Wirkung 30 und einer Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 31, schematisch dargestellt als Behälter, ausgerüstet. Die Generatoreinrichtung 30 enthält eine Dampfphase des Kühlmittels 32 im System und eine starke Flüssigphasenlösung 35 oder mittlere Lösung 36 des Kühlmittels in einem Absorptionsmittel. Von einer externen Quelle wie einer Gasflamme wird dem Behälter 30 Wärme zugeführt, welche die Temperatur der starken Lösung 35 über den Verdampfungspunkt bei dem ersten Druck im Behälter 30 anhebt und latente Verdampfungswärme bereitstellt. Kühlmitteldampf 32 wird aus der Lösung 35 desorbiert und durch eine Verbindungsleitung 29 zu einer Wärmeübertragungseinrichtung 37 in der Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 31 getrieben.
Eine schwächere mittlere Lösung 36 verbleibt in der Generatoreinrichtung 30, von der aus sie in Wärmeübergangsbeziehung durch einen Rekuperator 38 geführt wird, wo Wärme auf die starke Lösung 35 übertragen wird, welche durch eine Verbindung 39 zur Generatoreinrichtung 30 geleitet wird. Aus dem Rekuperator 38 wird die mittlere Lösung 36 auf dem Wege einer Verbindung 40 durch das Drosselventil 41 geleitet, wo der Druck auf einen zweiten mittleren Druck abgesenkt ward und wird über eine Verbindungsleitung 45 in den Behälter der zweiten Generatoreinrichtung 31 eingeführt.
Im Behälter 31 wird mittels der Wärmeübertragungseinheit 37 zusätzliche Wärme auf die flüssige mittlere Lösung 36 übertragen. Damit wird die Temperatur der mittleren Lösung 36 weiter angehoben und damit ausreichend Wärme zugeführt, um weiteres dampfförmiges Kühlmittel 46 auszutreiben, wobei eine schwache Lösung 47 von Kühlmittel und Absorptionsmittel in der Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 31 verbleibt.
Obwohl Zweifacheffekt-Generatorsysteme zu den gebräuchlichsten bekannter Art gehören, werden auch zusätzliche Folgegeneratoren ausgewiesen, und so kann man ein "Vielfach"-Effektsystem als eine Erweiterung der betroffenen Konzepte ansehen.
In einem typischen Vielfacheffekt-Absorptionskühlsystem braucht man den zweiten oder folgenden Generatoren keine weitere Wärme von außen zuführen. Vorteilhaft Wirkungen kann man erzielen, indem an die mittlere Lösung über einen Wärmeaustausch mit dem Kühlmitteldampf 32 aus dem Generator erster Wirkung 30 weiter erhitzt. Allerdings kann man, wie in Fig. 1 angedeutet, von außen Wärme dem. Behälter 31 zuführen. Ebenso kann externe Wärme den Rekuperatoren 38 und 67 zugeführt werden.
Teilweise kondensiertes Kühlmittel 32 mit dem Druck der ersten Kammer (hohen Druckes) wird aus der Wärmeübertragungseinheit 37 durch eine Verbindungsleitung 48 und das Expansionsventil 49 in einen Kondensor 55, schematisch als geschlossener Druckbehälter in Fig. 1 dargestellt, geleitet, wo Warme auf ein umgebendes kühleres Medium, welches aus Umgebungs-Außenluft oder Wasser aus einem Kühlturm bestehen kann, übertragen wird. Kühlmitteldampf 46, welcher in der Generatoreinrichtung 31 ausgetrieben wurde, wird durch eine Verbindung 56 zum Kondensor 55 geleitet. Kondensierte Flüssigkeit 57 wird über die Verbindung 59 zu einem Rekuperator 58 geleitet und dann über Verbindung 60 zu einem Expansionsventil 61. Vom Expansionsventil 61 aus wird das Kühlmittel in ein drittes Niedrigdruck-Umfeld eines Verdampfers 62 versprüht, von wo das Kühlmittel im Dampfzustand zurückgeführt wird und dabei Wärme aus einem externen Fluidmedium, welches mit dem Verdampfer 62 in Berührung steht, entzieht. Kühlmitteldampf 63 von niedrigem Druck wird durch den Rekuperator 58 geführt, wo Wärme aus der zum Verdampfer 62 gelangenden Flüssigkeit 57, aufgenommen wird. Aus dem Rekuperator 58 wird das dampfförmige Kühlmittel 63 von niedrigem Druck durch eine Verbindung 64 zu einem Absorber 65 geleitet, wo die schwache Lösung 47 angesammelt vorliegt.
Nach Austreiben weiteren Kühlmitteldampfes in der Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 31 wird die schwache Lösung 47 über eine Verbindung 66 durch einen Rekuperator 67 und eine Verbindung 68 zu einem Drosselventil 69 geleitet. Im Rekuperator 67 wird Wärme auf die starke Lösung 35 übertragen, während diese zum Generator erster Wirkung 30 geleitet wird.
Im Absorber 65 wird der Kühlmitteldampf 63 in der schwachen Lösung 47 absorbiert und erzeugt damit die starke Lösung 35. Bei dem Vorgang wird Wärme an ein umgebendes Medium oder an ein Arbeitsfluid, das in Berührung mit dem Absorber steht, abgegeben.
Eine Lösungspumpe 70 leitet die starke Lösung durch eine Verbindung 71 und die Verbindungen 72, 73 und 39 sowie durch die Rekuperatoren 67 und 38 zum Generator erster Wirkung 30.
Ein Zweifacheffekt-Absorptionssystem gemäß Fig. 1 ist ein Dreikammersystem, da der Generator zweiter Wirkung 31 bei einem Druck betrieben wird, der zwischen dem höheren Druck der ersten Generatoreinrichtung 30 und dem niedrigerem Druck des Verdampfers 62 und des Absorbers 65 liegt.
Wie im Offenbarungsteil mit der Beschreibung der Erfindungsgrundlage vorgeführt, wurden lange Jahre hindurch vielgestaltige Vorschläge gemacht, um ein Dreikammersystem unter Verwendung eines einzigen Kühlmittelpaares zu verwenden. Es bestanden vielerlei Probleme, welche sich vor Bestehen der vorliegenden Erfindung einer zufriedenstellenden Lösung entgegengestellt haben. Ein bisher nicht genügend gelöstes Problem bestand in der Identifizierung eines geeigneten Lösungspaares, welches bei den höheren Temperaturen betrieben werden konnte, auf die in einem Zweifacheffektsystem das Kühlmittel bei vertretbaren Drücken gebracht werden konnte. Obwohl Ammoniak als Kühlmittel immer noch die besten Aussichten versprach, hat sich dessen Absorptionsfähigkeit in Wasser als unattraktiv erwiesen, weil es schwierig ist, das Kühlmittel und die Dämpfe des Absorptionsmittels aus den Generatoren des Zweifacheffektsystems angemessen und ohne unvertretbar komplizierte Ausrüstung abzutrennen.
In der vorliegenden Erfindung ist Ammoniak als Kühlmittel und Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel als geeignetes Lösungspaar im Zweifacheffektsystem ausersehen.
Dies hat sich insbesondere in Verbindung mit den anderen Merkmalen der Erfindung der Anmelderin, die später beschrieben werden sollen, als zutreffend erwiesen. Zum Beispiel kann die Kombination aus Kühl- und/oder Erwärmungssystem außerhalb eines Wohnraums in Verwendung als Luft/Raumkonditionierung aufgestellt werden.

Zweifacheffektgenerator-Absorptionskreislauf unter Umschaltung zwischen Kühlen, Erhitzen und Enteisen.

Eine sowohl für Erwärmung und Kühlung eines Raums vorgesehene Absorptionswärmepumpe muß zwischen Erwärmungs- und Kühlmodus umgeschaltet werden können, ohne daß der Betrieb des Absorptionskühlkreislaufs nachteilig beeinflußt wird. In der vorliegenden Erfindung kann man dieses Umschalten dadurch erreichen, daß man in den Kühlmittelleitungen der Wärmepumpe Umlenkventile verwendet. Die Anordnung und der Betrieb der Umlenkventile wird in den Fig. 2 und 3 gezeigt welche die Ventilfunktionen im Kühl- bzw. Erwärmungsmodus veranschaulichen. Das Umlenken kann über ein Sechswegeventil erfolgen.
Das Umlenken des Kühlmittelstroms erlaubt direkte Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf den Umgebungsbereich. Dieser Ansatz führt zu höherem Wärmeübergangswirkungsgrad wegen der höheren Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Wärmequelle oder Wärmesenke und vermindert das Gewicht und die Kosten der Wärmepumpe durch Wegfall der zwischengeschalteten Wärmeübertragungsschleife. Dieses Konzept des Umlenkens des Kühlmittelstroms erübrigt jegliche Änderung des effektiven Arbeitsvolumens der Wärmepumpe, wenn man von einem Modus in den anderen umschaltet.
Gemäß Fig. 2 und in einer dem in Fig. 1 beschriebenen System ähnlichen Weise wird in einer ersten Generatoreinrichtung 80 ein dampfformiges Kühlmittel 82 aus einer starken Lösung 83 durch Anwendung von Wärme aus einer Quelle 84, wie einer Gasflamme, desorbiert. Im Behälter verbleibt eine Lösung von mittlerer Stärke 85, welche zu einer ersten Rekuperatoreinrichtung 86 und durch ein Drosselventil 87 zu einer zweiten Generatoreinrichtung 81 geführt wird. Wärme aus dem Kühlmitteldampf 82 wird mit der mittleren Lösung 85 im Behälter 81 über eine Wärmeleitvorrichtung 88 ausgetauscht, und zusätzlicher Dampf 82 wird aus der mittleren Lösung 85 desorbiert unter Hinterlassung einer schwachen Lösung 89 im Behälter 81.
Zusätzliche Wärme kann aus derselben Quelle 84 und einer zweiten Quelle 90 zur weiteren Förderung des Desorptionsvorgangs zugeführt werden.
In der für das System von Fig. 1 beschriebenen Weise gelangt die schwache Lösung 89 durch eine zweite Rekuperatoreinrichtung 95 und ein Drosselventil 96 in eine Absorbervorrichtung 97. Die schwache Lösung 89 absorbiert dampfförmiges Kühlmittel 82 und wird dabei eine starke Lösung 83, welche durch eine Lösungspumpe 98 anschließend durch den Rekuperator 95 und 86 zurück zur ersten Generatoreinrichtung 80 gepumpt wird.
Bei Betrieb im Kühlmodus wird Kühlmitteldampf 82 aus der Generatoreinrichtung erster Wirkung 80, nachdem er durch die Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 81 geleitet wurde, durch eine erste Zweiwegventilvorrichtung 101 und ein isenthalpisches Expansionsventil 102 zu einer ersten Wärmeaustauscheinrichtung 100 geleitet. Ebenso wird Kühlmitteldampf 82 vom Generator zweiter Wirkung 81 durch eine zweite Zweiwegventilvorrichtung 99 und eine dritte Zweiwegventilvorrichtung 103 zur ersten Wärmeaustauscheinrichtung 100 geführt. Beim Betrieb als Kondensor wird der erste Wärmetauscher 100 durch Umgebungsbedingungen, wie die von Außenluft, bei tieferer Temperatur gekühlt. Die Kühlung kann auch durch Grundwasser, Boden oder einen Kühlturm erfolgen. Kondensiertes flüssiges Kühlmittel 105 wird aus dem ersten Wärmetauscher 100 durch ein viertes Zweiwegventil 106, einen dritten Rekuperator 107, fünfte und sechste Zweiwegventile 108 und 109 und durch eine isenthalpische Expansionsventileinrichtung 110 zu einer zweiten Wärmetauschervorrichtung 115 geführt. Durch das Expansionsventil 110 wird der Druck vermindert und das Kühlmittel 116 im zweiten Wärmetauscher 115 unter Gewinnung von Wärme aus einem zu kühlenden Objekt verdampft. Kühlmitteldampf von niedrigem Druck wird aus dem Wärmetauscher 115 durch das siebte und achte Zweiwegventil 117 und 118 auf dem Wege durch den Rekuperator 107 zum Absorber 97 geleitet.
Zwischen Ventil 118 und Rekuperator 107 ist ein Sammler 205 zum Sammeln von überschüssigem Kühlmittel 82 vorgesehen. Zu überschüssigem Kühlmittel kann es kommen infolge von Veränderungen in der Menge an in dem ersten und zweiten Wärmetauscher enthaltenem Kühlmittel bei verschiedenen Betriebsbedingungen insbesondere Unterschieden zwischen den Betriebsweisen des Kühlens, des Erhitzens und des Enteisens.
Damit kann das System bei der optimalen Lösungskonzentration betrieben werden, in welchem Modus das System auch arbeitet, indem man eine geringe Masse an Kühlmittel als Dampf oder eine größere Masse als flüssiges Kühlmittel auf Vorrat hält. Damit wird eine durch Unfähigkeit des Systems, effektiv unter verschiedenen Betriebstemperaturen und Drücken zu absorbieren und zu desorbieren, bedingte Abnahme des Wirkungsgrades vermieden.
Es ist ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung, daß ein Sammler in Kombination mit dem Kühlmittelumlenkkonzept verfügbar ist, welches den Wechsel vom Kühl- in den Erwärmungsmodus und umgekehrt erlaubt. Üblicherweise sind in einem Absorptionskühlsystem keine Sammler vorgesehen, weil in solchem System die Betriebsbedingungen unverändert und genügend innerhalb der vorgesehenen oder eingeregelten Parameter verbleiben.
Gemäß Fig. 3 bleibt im Erwärmungsmodus die Vorrichtung im wesentlichen unverändert, ausgenommen, daß die Zweiwegventile 99, 101, 103, 106, 108, 109, 117 und 118 umgepolt werden. Da sich die Vorrichtung nicht ändert, bleiben die die verschiedenen Bauteile bezeichnenden Nummern gleich.
Flüssiges Kühlmittel 82 unter hohem Druck wird im Ventil 101 umgeleitet und durch das Ventil 109 und das Expansionsventil 110 mit dem zweiten Wärmetauscher 115 (welcher im System als Kondensor arbeitet) verbunden. Zusätzliches dampfförmiges Kühlmittel 82 aus dem zweiten Generator 81 unter niedrigerem Druck wird durch die Ventile 99 und 117 umgeleitet und zum zweiten Wärmetauscher 115 geleitet, wo es zu flüssigem Kühlmittel 105 kondensiert wird und sich mit dem Kühlmittel aus dem ersten Generator 80 vereinigt. Das flüssige Kühlmittel 105 wird durch das umgepolte Ventil 108 und durch den Rekuperator 107 und Ventil 106 zu einem isenthalpischen Expansionsventil 120 und zum Ventil 103 geleitet. Nach Verlassen des Expansionsventils 120 tritt das Kühlmittel 105 in den ersten Wärmetauscher 100 (welcher im System als Verdampfer arbeitet) ein. Nach Druckreduzierung verdampft die Flüssigkeit unter Absorption von Wärme aus der Außenluft und wird als Dampf durch das Ventil 118 und Rekuperator 107 in den Absorber 97 geleitet, wo es in der schwachen Lösung 89 absorbiert und über die Pumpe 98 zur ersten Generatoreinrichtung zurückgepumpt wird.
In dem in Fig. 3 gezeigten Erwärmungsmodus wird Wärme im zweiten Wärmetauscher 115 auf das zu erhitzende Objekt übertragen, indem das Kühlmittel auf direktem Wege im Verdichtungsprozeß kondensiert wird. Außerdem stellt die Absorption des Kühlmitteldampfes im Absorber 97 eine Wärmeerzeugung in einem Unterverfahren dar, und im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein wesentlicher Anteil der Übertragung zur Lastseite vom Absorber bewerkstelligt.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform zur Wohnraum-Luftkonditionierung wird die Raumkonditionierungslast zu und vom Wärmetauscher 115 mittels einer frostgeschützten Arbeitslösung übertragen, welche in einer Leitung 78 fließt, und die aus einem üblichen Wärmetauscher in den Luftführungen des Wohnraums (nicht gezeigt) sowohl im Erwärmungs- als auch im Kühlmodus zum zweiten Wärmetauscher 115 und im Erwärmungsmodus zum Absorber geführt wird. Jegliche mit der Toxizität entweder des Kühlmittels oder des Absorptionsmittels einhergehenden Probleme werden innerhalb des konditionierten Raums und/oder der Wohnstruktur vermieden.
Die Arbeitslösung kann aus Alkohol und Wasser oder Glycol und Wasser zusammengesetzt sein oder aus einem anderen Frostschutzfluid bestehen.
Wie in Fig. 3 gezeigt bildet eine zusätzliche Leitung 79 eine weitere Verbindung zur Förderung von Arbeitsfluid in Wärmeübergangsbeziehung durch den Absorber 97. Die Leitung 79 wird zum Gebrauch bei der Wärmeübertragung mit der Lastseite verbunden und kann mit dem Arbeitsfluidstrom von der Leitung 78, das Arbeitsfluid vom Wärmetauscher 115 herrührt kombiniert werden. Typischerweise moduliert ein Ventil 76 die Strömung des Arbeitsfluids in der Leitung 79, und auf diese Weise kann die Wärmeübertragung vom Absorber 97 geregelt werden.
Im Erwärmungsmodus wird dem Absorber durch Pumpen von Wärme von der Umgebungsquelle her Wärme zugeführt, weil der erste Wärmetauscher 100 umgepolt wurde und damit im System als Verdampfer wirkt. Die Verwendung dieser Warme auf dem Wege des Wärmeübergangs im Absorber 97 durch die Leitung 79 trägt in wichtiger Weise zusätzlich zum Wirkungsgrad der Einheit bei, außerdem stellt dies eine wichtige Quelle an wiedergewonnener Wärme für anderen Hausgebrauch im Aufenthaltsbereich dar. Zum Beispiel kann das in den Leitungen 78 und 79 geführte Arbeitsfluid zusammengefaßt und während des Winters auf die Heizlast der Luftkonditionierung übertragen werden. Während des Sommers kann das warme Arbeitsfluid vom Absorber 97 durch einen im Haus befindlichen Heißwasservorerhitzer geleitet werden und damit in diesem Arbeitsteil des Aufenthaltsbereichs zu Einsparungen ausersehen werden. Dank der Umlenkvorrichtung mit den geeigneten Ventilen können verschiedene Kombinationen der Verwendung von Wärmenergie vom Absorber 97 und vom zweiten Wärmtauscher 115 Anwendung finden.
Die folgende Tabelle A zeigt, von woher das Arbeitsfluid bei den verschiedenen Verwendungsformen im Aufenthaltsbereich zugeführt werden kann. Es ist insbesondere zu bemerken, welch große Anzahl an Umständen zur Bereitstellung von Wasserheizkapazität vorliegt während Raum-Kühl- und Raum-Erwärmungsbedarf gleichzeitig gedeckt werden können. Es ist zusätzliche Flexibilität vorhanden dadurch, daß die Strömung durch die Leitung 79 so eingerichtet werden kann, daß Wärme dem Strom durch die Leitung 78 zugeführt werden kann, ohne daß sie zum Zwecke der Wassererwarmung fließt. TABELLE A SYSTEMMODUS WASSERERWÄRMUNG RAUMKÜHLUNG RAUMERWÄRMUNG Kühlung Erwärrmung

Der Enteisungszyklus

Eines der Merkmale dieser Erfindung besteht in einer einzigartigen Enteisungsmethode oder Enteisungszyklus, welche durch die Kühlmittel-Umlenkanordnungen bereitgestellt werden. Der erste Wärmetauscher 100 wird, unter weiterem Hinweis auf Fig. 3, bei Betrieb des Systems im Erwärmungsmodus als Verdampfer betrieben, der Wärme von der außen befindlichen Umgebungsluft absorbiert. Unter bestimmten Bedingungen sammelt sich auf der äußeren Oberfläche des Verdampfers 100 Eis aus der Umgebungsfeuchtigkeit an. Eine Ansammlung von Eis auf dem Verdampf er vermindert dessen Wärmetauschwirkung, behindert den Wärmepumpbetrieb und vermindert den Wirkungsgrad des Gesamtsystems.
Es wurden zur Bewältigung dieses Problems in bekannten Verfahrensweisen verschiedene Lösungen vorgeschlagen und angewandt, obwohl nicht alle insgesamt erfolgreich oder bequem waren. Bei erfindungsgemäßem Systembetrieb allerdings wird das Enteisen erreicht, indem man alle Zweiwegventile 99, 101, 103, 117 109, 106, 108 und 118 zeitweise zum Betreiben eines Enteisungszyklus umpolt.
Durch Abstellen des Gebläses 170 und/oder Verschließen der Klappen 75 (siehe Fig. 9) wird die Luftströmung über den Wärmetauscher 100 unterbrochen. Der im Wärmetauscher 100 fließende warme Kühlmitteldampf 82 wird kondensiert und die vom kondensierenden Kühlmittel abgegebene latente Wärme schmilzt das Eis. Das flüssige Wasser wird dann gesammelt und weggeführt.
Die durch den zweiten Wärmetauscher 115 fließend Arbeitslösung 78 (welche Wärme zu- und von der Konditionierlast des Aufenthaltsbereichs abführt wird während des Enteisungszyklus durch ein Ventil 119 abgesperrt, und dies veranlaßt die Arbeitslösung, über die Verbindung 79 lediglich durch den Absorber 97 zu fließen, wo die Warme aus dem Absorber abgeführt und unter verminderter Geschwindigkeit an den umgebenden Aufenthaltsbereich übertragen wird.
Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die Wärme während des Enteisungszyklus andauernd vom Absorber aus durch die Leitung 79 zur Lastseite hinfließt. In den üblichen Vorrichtungen, welche zur Lösung des Vereisungsproblems bei luftgekühlten (erhitzten) Wärmepumpen vorliegen, ist es üblich, die Wärmepumpe vollständig abzusperren und elektrische Widerstandsheizgeräte (mit niedrigstem COP als Begleiterscheinung) während des Enteisens zur Bereitstellung von Wärme zu verwenden; oder man verwendet Heißgas zum Enteisen, wobei die Raumkonditionierungs-Lastseite gekühlt wird und wobei man diesen Kühleffekt durch Bereitstellung von Wärme über Widerstandsspulen ausgleicht. Im Gegensatz dazu bleibt während des Enteisens erfindungsgemäß der Wärmefluß von der Wärmepumpe aus erhalten, und in den meisten Fällen kann das Enteisen abgeschlossen werden, bevor Wärme über die während des Enteisungsbetriebs verfügbare Wärme hinaus erforderlich ist.
Bei Beendigung des Enteisungszyklus werden alle den Kühlmittelfluß umkehrenden Ventile in ihre normale Stellung für den Erwärmungsmodus zurückgestellt, die Luftströmung über den Wärmetauscher 100 wird wieder in Gang gesetzt und ebenso wird die Strömung der Arbeitslösung durch den Wärmetauscher 115 wieder in Gang gesetzt.
Man baut übliche Warngeräte ein, um den Verlust an Wirkungsgrad durch den Aufbau von Eis wahrnehmen zu können, der Enteisungszyklus wird dann automatisch in Betrieb genommen. Das einzigartige Merkmal dieses Enteisungszyklus besteht darin, daß die Wärmepumpe während des Enteisungsvorgangs andauernd Wärme für den zu konditionierenden Raum bereitstellt. Bei Dampfkompressionskreisläufen ist dies nicht möglich, und wenn dabei das "Enteisen durch Heizgas" erfolgt wird tatsächlich der konditionierte Raum gekühlt. Die beim Enteisen abgegebene Wärme ist mehr als fünfzig Prozent der abgegebenen Wärme, wenn man nicht bei den gleichen Bedingungen wie im erfindungsgemäßen Verfahren enteist.
Die Raumerwarmungskapazität des Zweifacheffekt-Absorptionskühlkreislaufes gemäß Fig. 2 beträgt annähernd 68000 BTU/h (71700 KJ/h) bei Planbedingungen von 47ºF (8,5ºC) Umgebungstemperatur und einer minimalen Raumerwärmungskapazität von 36000 BTU/h (38000 KJ/h) bei niedrigen Außentemperaturbedingungen.
Diese Raumerwarmung kann nach Bedarf verbessert werden, indem man dem Arbeitslösungskreislauf zusätzliche Wärme zuführt. Dies kann entweder geschehen mit Hilfe eines separaten Gasbrenners unter dem und/oder um den zweiten Wärmetauscher herum (siehe Fig. 9), eines mit Gas betriebenen Wassererhitzers oder durch Installation eines zusätzlichen Erhitzers für die Arbeitslösung im Generator/Rekuperator-Untersystem, und zwar stromabwärts vom zweiten Rekuperator 95.

Absorptions-Kälte- und Wärmepumpsystem mit Ammoniak und Natriumthiocyanat

Während andere, wie vorstehend dargelegt bereits in einem Einfacheffekt-Absorptionssystemen mit dem Lösungspaar Ammoniak (NH&sub3;) als Kühlmittel und Natriumthiocyanat (NaSCN) als Absorptionsmittel arbeiten, hat die Anmelderin unter Verwendung dieses Lösungspaares das zweifach wirksame und reversible Erwärmungs- und Kühlsystem ausgearbeitet. Die Vorteile dieses Systems führen zu hohem Wirkungsgrad durch interne Wärmerückgewinnung und Rückgewinnung mechanischer Energie im Absorptionskühlkreislauf, die Verwendung von Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel erübrigt den Bedarf an Analysengeräten und Rektifizieranlagen zur Reinigung des Kühlmittelstroms. Das Kühlmittelpaar Ammoniak/Natriumthiocyanat ist in einzigartiger Weise für das erfindungsgemäße System geeignet.
Gemäß Fig. 6 wird ein Betriebsdiagramm für das im Kühlkreislauf arbeitende Kühlmittel und Lösung gezeigt (die Werte sind annäherungsweise festgelegt). Diese Zusammenstellung von Betriebsbedingungen führt erwartungsgemäß zu einem Kühlkreislauf-Koeffizienten von annähernd 1,0.
Bei einer Temperatur von etwa 350ºF (177ºC) tritt starke Lösung 83 bei einem Druck von etwa 1200 psia (8,6 MPa) in den ersten Generator 80 ein, wo sie durch die externe Hitzequelle 84 auf eine Temperatur von etwa 370ºF (188ºC) aufgeheizt und das Kühlmittel desorbiert und in Wärmetauschbeziehung mit der Lösung mittlerer Stärke 85 in den zweiten Generator 81 geführt wird, welcher sich auf einem Druck von etwa 270 psia (1,9 MPa) befindet.
Die mittlere Lösung 85 verläßt den Generator mit einer Temperatur von etwa 370ºF (188ºC), wobei sie auf direktem Wege Wärme mit einer Geschwindigkeit von etwa 33000 BTU/h (34800 KJ/h) aus der Versorgung aufgenommen hat, und fließt durch den Rekuperator 86, wo sie Wärme mit der starken Lösung mit einer Geschwindigkeit von etwa 56000 BTU/h (59000 KJ/h) austauscht, und verläßt ihn mit einer Temperatur von 220ºF (104ºC) unter einem. Druck von 1200 psi (8,6 MPa). Beim Verlassen des Rekuperators 86 beträgt die Temperatur der mittleren Lösung 220ºF (104), wo sie im wesentlichen isenthalpisch durch das Ventil 87 gedrosselt wird und beim Sekundärgenerator 81 mit einer Temperatur von 220ºF (104ºC) unter einem Druck von 270 psia (1,9 MPa) ankommt.
Im zweiten Generator wird der Dampf unter hohem Druck kondensiert und auf 240ºF (136ºC) abgekühlt, bevor er ins Ventil 102 gelangt, wo er zu einem gesättigten Dampf/Flüssiggemisch expandiert wird. Annähernd 1000 BTU/h (17900 KJ/h) werden bei dieser Kondensation frei, zusammen mit zusätzlich etwa 6000 BTU/h (6300 KJ/h) aus den Abgasen außerhalb des zweiten Generators, und dies führt zu zusätzlicher Desorbierung des Kühlmittels im zweiten Generator, welches beim Vermischen mit Kühlmittel aus Ventil 102 mit 150ºF (66ºC) und 265 psia (1,8 MPa) zum Kondensor gelangt.
Im Kondensor werden etwa 24000 BTU/h (25300 KJ/h) ausgetrieben und die Temperatur des Kühlmittels wird etwa auf 85ºF (29ºC) vermindert, nachdem es den Rekuperator verläßt und ins Expansionsventil 110 eintritt, wo seine Temperatur weiter auf etwa 42ºF (6ºC) vermindert wird, während sein Druck im Verdampfer auf etwa 76 psia (0,5 MPa) vermindert wird. Der Verdampfer 115 absorbiert 36000 BTU/h (38000 KJ/h) , wobei Kühlmittel verdampft wird, welches bei einer Temperatur von etwa 50ºF (10ºC) in den Rekuperator 107 eintritt und bei einer Temperatur von 110ºF (43ºC) verläßt und weiter in den Absorber 97 gelangt, welcher beim niedrigeren Systemdruck von etwa 70 psia (0,5 MPa) arbeitet.
Schwache Lösung verläßt den zweiten Generator 81 mit einem Druck von 270 psia (1,9 MPa) und einer Temperatur von 240ºF (116ºC), tritt durch den Rekuperator 95 hindurch und gibt 39000 BTU/h (41100 KJ/h) an die starke Lösung 82 ab, welche auf dem Weg zum Rekuperator 86 ist.
Gemäß Fig. 7 wird ein Enthalpiediagramm für die Ammoniak/Natriumthiocyanat-Lösung dargestellt und zeigt die Veränderungen bezüglich der Lösungskonzentration und Enthalpie im Kühlkreislauf von Bauteil zu Bauteil. Im Kühlmodus wird die starke Lösung 83 bei einer Konzentration von etwa 45% Ammoniakkühlmittel zum ersten Generator 80 gepumpt, wo sie durch die äußere Quelle 84 erhitzt wird und dabei Ammoniakkühldampf 82 mit einer Enthalpie von etwa 350 BTU/lb (814 KJ/kg) austreibt, welcher zum Eintritt des zweiten Generators 81 geführt wird. Der Warmeinhalt ist auf seinem höchsten Stand, wenn die mittlere Lösung 85 in den Rekuperator 86 eintritt und Wärme mit der starken Lösung 83, die von der Pumpe 98 zum ersten Generator 80 fließt austauscht.
Beim Eintritt in den zweiten Generator 81 wird Wärme zugeführt, so wie weiterer Ammoniakdampf mit einer Enthalpie von etwa 310 BTU/lb (720 KJ/kg) ausgetrieben wird.
Die zusätzlich zugeführt Wärme entstammt in erster Linie dem Wärmetausch aus dem Kühlmittel 82, es kann aber auch zusätzliche Wärme aus Abgas oder einer anderen Quelle 90 zugeführt werden.
Wärme wird im ersten oder zweiten Wärmetauscher 100 oder 115 entnommen, je nachdem, welcher von beiden im System als Kondensor betrieben wird. Die Konzentration steigt dann von ihrem niedrigsten Stand von etwa 39 Prozent wieder auf ihre starke Lösungskonzentration von 45 Prozent im Absorber 97 an, die starke Lösung wird dann zum Einlaß der Lösungspumpe 98 geführt.
In anderen Untersuchungen wurde gezeigt daß in luftgekühlten Absorptionskühlsystemen andere Absorptionsmittel/Kühlmittepaare verwendet werden.
Bei bestehenden luftgekühlten Absorptionskühlkreisläufen wurden unter Verwendung verschiedener Absorptionsmittel/Kühlmittel-Paare Kühlleistungs-Koeffizienten von bis zu 0,5 aufgezeigt. Ebenso konnte man bei diesen Systemen als lediglich im Erwärmungsmodus arbeitenden Wärmepumpen Leistungskoeffizienten von bis zu 1,3 aufzeigen.
In dieser Erfindung kann man in einzigartiger Weise ein Zweifacheffektsystem unter Verwendung von Ammoniak und einem Absorptionsmittel in einem System kombinieren, welches die Möglichkeit des Umschaltens durch Funktionsumkehr an den als Kondensor und Verdampfer arbeitenden Wärmetauschern 100 und 115 in sich trägt. Natriumthiocyanat ist das in einzigartiger Weise bevorzugte Absorptionsmittel.
Dieses System besteht aus einem luftgekühlten Absorptionskühlsystem, bei dem man unter Verwendung des NH&sub3;/NaSCN-Kühlpaars einen Kühlkoeffizienten bis zu 0,35 und eine Brennerleistung von 0,85 aufzeigen konnte. Die Verwendung des Zweifacheffekt-Generatorskreislaufs gewährt einen hohen Wirkungsgrad.

Natriumthiocyanat und Ammoniak mit Triethylentetramin (TETA) als Korrosionsinhibitor

Man weiß, daß bei den hohen in Zweifach- und Vielfacheffekt-Absorptionskühlsystemen erreichten Temperaturen und Drucken Korrosionsprobleme auftreten, wenn man die anerkannten Absorptionsmittel-Salze wie Lithiumbromid verwendet. Korrosionsinhibitoren für Absorptionskühlsysteme wurden ausgesucht und unter bestimmten Bedingungen verwendet. Diese bekannten Inhibitoren stellen ein Maß für Erfolg in bestimmten spezifischen Betriebssituationen sicher.
Ammoniak ist für seine Reaktivität gut bekannt, welche beim Zusammenwirken mit Natriumthiocyanat zu einem vom Standpunkt der Korrosion aus möglicherweise schwierigen Lösungspaar führt.
Bei der Ausführung dieser Erfindung wurde gefunden daß der Zusatz von TETA (C&sub6;H&sub1;&sub8;N&sub4;) zur Lösung von Natriumthiocyanat und Ammoniak ein Mittel zur Hemmung und Eindämmung der Korrosion in dem bei hoher Temperatur betriebenen Zweifacheffekt-Absorptionskühlsystem darstellt. Das System umfaßt einen Absorber, erste und zweite Generatoren, einen Kondensor und Verdampfer, welche ein geschlossenes, im wesentlichen anaerobes System bilden.
Man hat die Zugabe von TETA-Korrosionsschutz zur Lösung in einer Menge von etwa 3,0 bis etwa 0,5 Gewichtsprozent vorgesehen und fand, daß dabei sehr vorteilhafte Ergebnisse zustande kamen.
Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems im Kühlmodus absorbiert und desorbiert das Lösungsgemisch aus Absorptionsmittel/Kühlmittel/Inhibitor mit etwa 99% Absorptionsmittel und Kühlmittel sowie 1% TETA das Ammoniak, wie in Fig. 7 gezeigt in einem. Bereich von etwa 39 bis etwa 45 Gewichtsprozent Ammoniak. Die überraschenderweise günstigen Ergebnisse im Betrieb des Absorptionskühlsystems werden durch das Korrosionsschutz-Additiv zusätzlich verbessert.
Die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit wird entsprechend der in Fig. 10 dargestellten Auswertung vor Augen geführt.
Eine Korrosion im Zweifacheffekt-Absorptionskühlsystem führt zum Freiwerden nicht kondensierbarer Gase (vorwiegend Wasserstoff), welche den wirksamen Betrieb des Kühlkreislaufes beeinflussen, sowie zur Ablösung teilchenförmiger Korrosionsprodukte von den korrodierenden Oberflächen, welche Strömungsbremsen und Drosselventile verstopfen und eine schnelle Abnützung von Pumpen, Motor und Ventilteilen verursachen können und letztlich die Strukturfestigkeit der Behälter und des den abgedichteten Kühlkreislauf bildenden Rohrwerks gefährden können.
Gemäß Fig. 10, welche die Beziehung zwischen Korrosionsgeschwindigkeit und Zeit darstellt, fällt die Korrosionsgeschwindigkeit in dem mit einem halben Prozent TETA stabilisierten System schneller ab (und erreicht damit einen niedrigeren Wert für die Stabilität), als dies mit demselben Stahl ohne Inhibitor der Fall ist. Die Versuche weiche den in Fig. 10 gezeigten Ergebnissen zugrunde liegen, wurden an einem Stahl des Typs AISI 9260 in korrosionseinleitendem Kontakt mit einem Lösungspaar von Ammoniak (45 Gewichtsprozent) und Natriumthiocyanat durchgeführt. Die Kurve 195 liefert Daten aus den Versuchen mit nicht-stabilisiertem Lösungspaar. Die Kurve 196 zeigt die Ergebnisse von bei denselben Bedingungen durchgeführten Versuchen, mit der Ausnahme, daß das Lösungspaar den Zusatz TETA als Inhibitor in der Menge von einem halben Gewichtsprozent enthielt.
Der TETA-Inhibitor wirkt in den in Fig. 10 zusammengefaßten Autoklavenversuchen, welche die Bedingungen im Generator erster Wirkung 80 simulieren, in dem vom Kühlmittel belegten Dampfraum und in dem von der Lösung belegten Flüssigraum, sowie auch an der aktiven Grenzfläche zwischen diesen Räumen.
Der TETA-Inhibitor verbessert auch die Schmierfähigkelt des Lösungspaares, was zur Verlängerung der Standzeit von Pumpe, Motor und Ventilteilen führt. Die folgende Tabelle B veranschaulicht die Versuchsergebnisse von Dreifachknopf-Abnutzungstestversuchen (three button wear test) in Tabellenform, um die erhöhte Schmierfähigkeit des Lösungspaars bei Einbeziehung des TETA-Zusatzes vor Augen zu führen. Ebenso wird mit allgemein bekannten Schmiermitteln verglichen. TABELLE B Ergebnisse von Dreifachknopf-Abnützungs-Versuchen (three-button wear experiments) Tst-Nr. Knopf-Material Umfeld Berührungsdruck (psi) Laufzeit (Min.) Abnützungs-Geschwindigkeit der Knöpfe (d) Wärmetransferfluid NH&sub3;/NASCN Wärmetransferfluid NH&sub3;/NaSCN + Zusatz (b)
(a) Automatisches Übertragungsfluid
(b) Zugabe von drei Prozent Triethylentetramin (TETA)
(c) Kraftfahrzeugmaschinenöl
(d) Zoll³ Abnutzung/Zoll Gleiten/Last in pounds (In.³ Wear/In.Sliding/Pound Load), · 10¹²
Die Versuchsergebnisse aus Tabelle B wurden an rostfreiem kohlenstoffreichem Martensitstahl AISI 440C, abgeschreckt und bei einer Härte von Rc 58-60 temperiert, erzielt.

Zweifacheffekt-Generator und Rekuperatorvorrichtung

Unter Bezug auf Fig. 4 und 5 wird eine Ausführungsform der Zweifacheffekt-Generatoreinrichtung in einem Gerät gezeigt, in welcher die verschiedenen mit der Anwendung von in der Betriebswärmequelle erzeugter Wärme verbundenen Bauteile des Gerates in einem zusammenhängenden Aufbau zusammengefaßt sind. Zur Erleichterung des Verständnisses sind die Zahlenbezeichnungen dieselben wie in dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten System und beziehen sich je nach Angemessenheit auf die gleichen Bauteile.
Eine Betriebswärmequelle 84, typischerweise ein Gasbrenner, ist zentral und im wesentlichen an einer Mittelachse 120 für die ringförmigen Bestandteile, unter anderem einer Generatoreinrichtung erster Wirkung 80, einer Rekuperatoreinrichtung 86, einer Generatoreinrichtung zweiter Wirkung 81 und einer Rekuperatoreinrichtung 95, angeordnet. Jeder Bestandteil ist als im wesentlichen ringförmige Spule oder Spulen und/oder als eine Vielfalt von vertikal angeordneten Wülsten oder spiralförmigen Rohrwerken gebaut. Jeder Bestandteil liegt neben dem anderen und in radialer Richtung mehr oder weniger entfernt von der Mittelachse 120.
Die Rekuperatoren 86, 95 und der Generator zweiter Wirkung 81 umfassen ein inneres und ein äußeres Rohr, was oft als Rohr-in-Rohr-Konstruktion bezeichnet wird. Es werden übliche Materialien verwendet, die für guten Wärmeübergang durch die Rohrwandungen ausgewählt sind. Metalle können geeignet sein.
In der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Generator erste Wirkung 80 eine spiralförmige Rohrspule, in welche die starke Lösung 83 aus dem Rekuperator hoher Temperatur 86 durch eine Verbindung 137 eintritt. Wärme und Verbrennungsprodukte aus der Quelle 84 beaufschlagen die Wände 131 des Röhrengenerators 80. Prallwände 132 können vorgesehen sein, um die Verbrennungsprodukte mehr oder weniger radial durch die Generatorpackung und damit durch die Zwischenraume zwischen den Spulen der Bestandteile 80, 86, 81 und 95 zu lenken. Am oberen Ende des Generators 80 wird mittlere Lösung 85 zu einem Behälterkopfstück 133 geführt, wo ausgetriebenes dampfförmiges Kühlmittel 82 durch Verbindung 138 zu einem inneren Rohr des zweiten Generators 81 geführt wird während mittlere Lösung 85 durch das äußere Rohr der Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher-Spulenstruktur des Rekuperators 86 geführt wird. In einem inneren Rohr 135 fließt die starke Lösung 83 in Gegenstromrichtung zur mittleren Lösung 85, die im äußeren Rohr fließt. Allerdings kann die Stellung von 85 und 83 umgekehrt werden.
Am Ende des Rekuperators 86 ist das innere Rohr 135 mit dem Anfang des ersten Generators 80 durch eine Leitung 137 verbunden.
Kühlmitteldampf 82 wird durch eine Verbindung 138 zum inneren Rohr der Generatoreinrichtung zweiter Wirkung geleitet. Beim Herabströmen durch das innere Rohr 139 des Generators zweiter Wirkung 81 strömt das Kühlmittel 82 in Gegenstrom-Wärmetauschbeziehung zur Lösung mittlerer Stärke 85, welche im äußeren Rohr 140 aufwärts strömt. Am unteren Ende des Generators zweiter Wirkung 81 wird der kondensierte Dampf 82 durch eine Verbindung 144 zum Zweiwegventil 101 geführt, wo es wahlweise zum Wärmetauscher 100 oder 115 geleitet wird, nachdem es im Ventil 102 oder im Ventil 110 isenthalpisch expandiert wurde.
Erhitzte Lösung mittlerer Stärke 85 steigt im äußeren Rohr des Generators zweiter Wirkung 81 auf und treibt zusätzliches Kühlmittel 82 in einem. Kopfstück 141 aus, wo auch die schwache Lösung 89 in das äußere Rohr 142 des zweiten Rekuperators 95 überführt wird. Das zusätzliche Kühlmittel 82 wird durch das Zweiwegventil 99 über eine Verbindung 146 zum Wärmetauscher 105 oder 100 geführt. Die schwache Lösung kehrt durch das Drosselventil 96 zum Absorber zurück.
Starke Lösung 83 tritt durch eine Verbindung 145 von der Pumpe 98 aus (gezeigt in den Fig. 2 und 3) in das innere Rohr 143 des Rekuperators 95 ein. Die Stellung der schwachen Lösung 89 und der starken Lösung 83 kann umgekehrt werden; d. h. 83 außen und 89 innen.
Die Generatoreinheit 185 kombiniert wirksam die verschiedenen Bestandteile 80, 86, 81 und 95, welche in dem erfindungsgemäßen Zweifacheffekt-Absorptionssystem verwendet werden. Der Temperaturgradient durch diese Bauteile nimmt bei Betrieb des Zweifacheffekt-Absorptionskreislaufs progressiv nach außen ab. Bei der Anordnung von Bauteilen in einer Serie von Spulen, welche einen Bauteil höherer Temperatur im Gradienten umkreisen, mit dem Brenner im Zentrum, strömen Warme und Verbrennungsprodukte natürlicherweise in abnehmender Größenordnung nach Außen. Der Brenner liegt zentral an der Achse und am nächsten zum Generator erster Wirkung, welcher die Stelle höchster Temperatur im Kreislauf darstellt, angeordnet und bewirkt so den wirksamsten Wärmeübergang von der Quelle aus. Zusammen mit dem Vorhandensein geeigneter Abstände senkrecht zwischen den Spulen wandern die Verbrennungsprodukte radial nach außen, beaufschlagen andere Bauteile der Einheit und erhöhen damit den Wirkungsgrad. Zum Beispiel wird einige Wärme aus der Quelle 84 direkt zum Generator zweiter Wirkung 81 geführt und betreibt damit die zweite direkte Wärmequelle 90, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt.
Das Rohr-in-Rohr-Konzept macht die Einheit kompakter für das Zustandekommen natürlicher Wärmegradienten, welche notwendig für den im erfindungsgemäßen System angewandten Absorptionskreislauf sind.
Wenn auch die bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben ist, können auch andere Anordnungen für verschiedene Betriebsbedingungen geeignet sein; zum Beispiel können der Generator zweiter Wirkung 81 und der Hochtemperaturrekuperator 86 untereinander ausgetauscht werden.
Solch ein Austausch, bei welchem der Generator zweiter Wirkung näher an der Wärmequelle 84 zu liegen kommt, ist in manchen Umständen vorteilhaft, weil dabei höhere Temperaturen zustande kommen und eine höhere direkte Hitzebeaufschlagung erzielt werden kann. Andererseits wird man sich einen Wirkungsabfall einhandeln, da der Hochtemperaturrekuperator 86 dann bei geringerer Wärmezufuhr aus der Quelle und bei geringerer Temperatur arbeitet.
Unter bestimmten Umständen kann es gelegen kommen, die äußerste Rekuperatoreinrichtung 95 im Kondensiermodus zu betreiben, wobei ein Anteil der Verbrennungsprodukte aus dem Brenner 84 an der äußeren Oberfläche des äußeren Rohres der Rekuperatoreinrichtung 95 zum Kondensieren kommt. Dies wird bewirkt durch Erhöhung der Oberfläche des äußeren Rohrs durch Rippen 200, die in Fig. 5 auf einem Teil des Rekuperators 95 gezeigt sind. Durch die Verwendung von Rippen wird die latente Kondensationswärme des Verbrennungsgases auf die äußere Oberfläche des Rekuperators 95 übertragen und erhöht damit die Temperatur der durchströmenden starken Lösung. Die Konstruktion der Rekuperatorvorrichtung 95 erhöht bei Betrieb im Kondensiermodus erwartungsgemäß den Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens und Gerätes um einen Wert von zwischen etwa vier bis acht Prozent. Die bestimmte Konstruktion, in der die Generatoren und Rekuperatoren aus Spulen mit zunehmendem Radialabstand von der zentral angeordneten Wärmequelle bestehen, macht die Anwendung dieses den Wirkungsgrad verbessernden Kondensiermodus unter Einbeziehung in Gerät und Verfahren dieser Art besonders billig.

Lösungspumpe/Motoren zur Energierückgewinnung

Zum Betreiben des erfindungsgemäßen Typs von Absorptionskühlkreislauf ist eine mechanische Energiezufuhr zusätzlich zur thermischen Energiezufuhr nötig. Die erforderliche mechanische Energie wird in erster Linie zum Betrieb der Lösungspumpe benötigt welche das Lösungspaar im Kreislauf durch das System führt. In den Fig. 1, 2 und 3 werden die Lösungspumpen 70 und 98 gezeigt, welche die starke Lösung vom Absorber durch den zweiten und ersten Rekuperator zum Generator erster Wirkung leiten. Beim Betrieb des in den Fig. 6 und 7 beschriebenen typischen Systems beträgt die zum Anheben des Lösungsdrucks auf etwa 1200 psia erforderliche mechanische Energie annähernd 670 Watt. Um diese mechanische Energie unter Verwendung eines üblichen Elektromotors und Pumpe aufzubringen, werden annähernd 1200 Watt an Elektroenergie verbraucht, was den COP des Kühlkreislaufs um annähernd 11% vermindern würde.
In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit maximalem COP wird die an den 5 isenthalpischen Drosselventilen 87, 96, 102, 120 und 110 verfügbare Energie verbraucht, indem die Ventile in Form von hydraulischen oder von Expansionsmotoren gebaut sind, welche so verbunden sind, daß sie die Zufuhr zur Lösungspumpe 98 oder anderen für die Zufuhr mechanischer Energie vorgesehenen Bauteilen vermehren und aufstocken, wie dies bei dem Motor 171 und der (den) Arbeitsfluidpumpe(n) der Fall ist. Auf diesem Wege werden in dem betrachteten typischen System etwa 1000 Watt mechanische Energie gewonnen, wie in Fig. 8 gezeigt und damit der Wirkungsgrad in bedeutendem Ausmaß gesteigert. Bei den hydraulischen Motoren wird die unter hohem Druck stehende Lösung durch als bewegliche Pumpelemente ausgebildete Motoren im Druck abgesenkt.
Dabei kann es sich um Expansionsmotoren handeln, in welchen die eintretende im Druck verdichtete Flüssigkeit sich ausdehnt und damit turbinenähnliche, rotierende Schaufelräder bewegt, welche an dem Schaft des Elektromotors angebracht sind. Ebenso kann man andere Typen hydraulischer Motoren verwenden, wie Getriebemotoren, Kolbenmotoren, oder Schneckenmotoren. So wird der Bedarf seitens des Elektromotors vermindert in dem Maß wie der Druck der Ströme von Lösung und Kühlmittel abnimmt.
Gemäß Fig. 8 wird das Motoruntersystem zur Energierückgewinnung als rotierende Vorrichtung gezeigt, welche ein Gehäuse 150 enthält und welches an der Seite 151 aufgebrochen ist, so daß man in das innere sehen kann. Das Untersystem 149 enthält rotierende Motoreinrichtungen 152, gezeigt als Elektromotor, der durch einen gemeinsamen Schaft mit Expandermotoren 153-156, die rotierenden Turbinen ähnlich sind, verbunden ist.
Ebenso ist die Lösungspumpe 98 mit drei Stufen 157, 158 und 159 über den gemeinsamen Schaft 160 mit den Motoren verbunden.
Unter weiterem Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 tritt die starke Lösung 83 bei einem Einlaß 164 in die Pumpe 98 ein und wird durch einen Auslaß 165 auf dem Weg zum Generator erster Wirkung 80 durch die Rekuperatoren 86, 95 geleitet. Mittlere Lösung 85 tritt in den Motor 153 durch den Einlaß 166 ein und verläßt ihn durch die Auslaßöffnung 167. Das Kühlmittel 82 tritt in die Motoren 154 und 155 durch die Einlaßöffnungen 168 ein und verläßt sie durch die Auslaßöffnungen 169. Die schwache Lösung 89 tritt in den Hydraulikmotor 156 durch die Einlaßöffnung 147 ein und verläßt sie durch die Auslaßöffnung 148.
Vermittels ihrer Verbindung durch die gemeinsame Antriebseinrichtung 160 wirken die einzelnen Hydraulikmotoren 153-156 und der Elektromotor 152 zusammen und stellen die zum Anheben des Drucks der starken Lösung nötige mechanische Energie zur Verfügung und bewegen die starke Lösung mit dem Druck des Generators erster Wirkung 80 durch das System. Zum selben Zeitpunkt wird der Druck der Lösung und des Kühlmittels auf die für den Absorptionskreislauf erforderlichen Werte herabgesetzt.
Wenn die einzelnen Hydraulikmotoren 153-156 sowie der Elektromotor 152 gemeinsam die zum Betrieb des Systems erforderliche mechanische Energie bereitstellen, erhält das System den Vorzug, sich in überraschend größerem Ausmaß selbst zu regeln, als wenn die verschiedenen Pumpen getrennt voneinander betrieben würden. Diese Art der Regelung des Systems beruht auf natürlicher Ursache und Wirkung, wenn der Bedarf des Systems steigt und abnimmt.
Wenn die Wärmepumpe im Kühlmodus mit einer durch Elektromotor angetriebenen Lösungspumpe betrieben wird, muß in dem Maß, wie die Temperatur der umgebenden Wärmesenke zunimmt, auch der Druck in der Hochdruckkammer der Wärmepumpe zunehmen womit auch der Differenzdruck, den die Lösungspumpe bewältigen muß, ansteigt. In dem Maß, wie der Differenzdruck über die Pumpe hinweg zunimmt, vermindert sich die Pumpenstromung, vermindert sich die Menge des aus der Lösung desorbierten Kühlmittels bei konstanter thermischer Energiezufuhr und bewirkt damit eine Abnahme der Kühlkapazität der Wärmepumpe, was mit einer Abnahme des Leistungskoeffizienten der Wärmepumpe einhergeht. Wenn die Wärmepumpe im Erhitzungsmodus betrieben wird, muß in dem Maß wie die Temperatur der Umgebungsquelle abnimmt, der Druck in der Niederdruckkammer der Wärmepumpe abnehmen, womit auch der Differenzdruck, den die Lösungspumpe bewältigen muß, zunimmt. Die Wärmepumpe spricht auf zunehmenden Differenzdruck über die Lösungspumpe hinweg in derselben Weise an, wie im Kühlmodus.
Wenn das System mit der Lösungspumpe und deren elektrischen Antriebsmotoren betrieben wird, welche eine gemeinsame Verbindung mit den Lösungsmotoren und/oder den Kühlmittelmotoren aufweisen, nimmt der Druck in der Hochdruckkammer der Wärmepumpe zu und ebenfalls der Differenzdruck, welchen die Lösungsmotoren und Kühlmittelmotoren zu bewältigen haben, und zwar in dem Maß, wie die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle oder -senke und der Lastseite zunimmt. Dies bewirkt eine Zunahme der Energiezufuhr zu der Lösungspumpe von Seiten der Lösungs- und Kühlmittelmotoren, und dies gleicht weitgehend die Wirkung zunehmenden Differenzdrucks beim Pumpvorgang der Lösungspumpe aus und hält den Lösungsfluß vergleichsweise konstant.
Wegen der Unempfindlichkeit der Fließgeschwindigkeiten von Absorptionsmittel-Lösung und Kühlmittel gegenüber externen Bedingungen ist die Regelung dieses Systems leichter und einfacher als bei ähnlichen Systemen ohne direkt gekoppelte Rückgewinnungsmotoren.
Die gemeinsame mechanische Verbindung zwischen den verschiedenen Bauteilen des Energierückgewinnungs-Motorsystems gewährt von sich aus schon diese Maßnahme zur Steuerungs-Stabilisierung des Systems. Ohne die mechanische Verbindung arbeitet jeder Bauteil unabhängig voneinander gemäß anderer externer Steuerungsmaßnahmen, welche vorhanden sein und bedient werden müssen, wie Ventilmodulationen und elektrische Relais usw.
Da der Lösungsfluß im wesentlichen konstant bleibt, bleibt auch die zur Desorption des Kühlmittels von der Lösung erforderliche Energie konstant, und der Kühlmittelfluß, die Kühlkapazität und der COP der Maschine bleiben weitgehend unverändert.
Wenn wie in Fig. 4 das Energierückgewinnungssystem 149 angewandt wird, wird der hydraulische Motor 153 zwischen die äußeren Rohrführungen des ersten Rekuperators 86 und den Generator zweiter Wirkung 81 bei einer Einfügung in der Leitung 77 eingebaut.
Der hydraulisch Motor 156 wird zwischen die äußere Rohrführung des zweiten Rekuperators 95 und die Einlaßöffnung zum Absorber 97 geschaltet und ersetzt das Ventil 96 in den Fig. 2 und 3. Die hydraulischen Motoren 153 und 154 in Fig. 8 ersetzen die Ventile 102, 120 und 110 in den Figuren 2 bzw. 3.

Umweltkonditionier-Einrichtung für Aufenthaltsräume

Ein Konzept für eine erfindungsgemäße Ausführungsform zum Konditionieren und Erwärmen von Aufenthaltsräumen/Wohnraumluft wird halbschematisch in Fig. 9 gezeigt. Ohne vom Geist und Bereich der Erfindung abzugehen, können auch andere Konstruktionen und Anordnungen physikalischer Apparatebauteile geplant werden.
Gemäß Fig. 9 ist eine Konditionier- und Erwärmungseinheit 165 im allgemeinen symmetrisch um eine im wesentlichen senkrechte Zentralachse herum gebaut und enthält ein Gehäuse 166 (das rund oder andersartig gemäß der Planansicht - nicht gezeigt - geformt sein kann) , welches auf einer Rahmenbasis 167 errichtet ist, welche ihrerseits auf einem Betonfundament oder anderer Unterlage sitzen kann. Das Gehäuse 166 enthält eine obere Ummantelung, 168 mit einer Öffnung 169. Die Öffnung befindet sich oberhalb einer Einrichtung zur Einführung von Umgebungsluft, etwa ein Gebläse 170, welche von einem Elektromotor 171 angetrieben wird, der ausgehend von der Ummantelung 168 an einem Rahmen 172 oder anderer Vorrichtung hängt. Das Gebläse und der Motor arbeiten rotierend um die Zentralachse.
Ein zusätzlicher Rahmen 173 bildet ein Gehäuse für eine Kammer 174 für Regelgeräte, eine Kammer 175 für Kühlmittel-Umlenkventile, eine Kammer 176 für einen Elektromotor zum Antrieb der Lösungspumpe und eine Kammer 177 für Pumpe und Motoren; ebenso eine Kammer 178 für Fluid-Arbeitsventile und für Umschalteinrichtungen für die Energieversorgung usw.
In einem tieferen durch die Isolierung 180 umgebenen Abschnitt ist der Rekuperator 107 um die zweite Wärmetauscheinrichtung 115 herum angeordnet. Eine Einlaßöffnung 181 und eine Auslaßöffnung 182 sind für Eintritt und Austritt von Arbeitslösung 78 vorgesehen, welche in Verbindung mit dem Wärmetauscher im Bereich des Aufenthaltsraums steht. Der Gasbrenner 84 ist auf der Mittelachse der Generatoreinheit 185 angeordnet, welche den Generator erster Wirkung 80, den Rekuperator 86, den Generator zweiter Wirkung 81 und den Rekuperator 95 enthält (siehe Fig. 4).
Der Absorber 97 (im Querschnitt gezeigt) besteht aus einer Röhrenspule, die sich an der inneren Rundung des um die Mittelachse herum angeordneten Gehäuses 166 entlang erstreckt. Vorzugsweise erfolgt der Aufbau Rohr-in-Rohr. Der erste Wärmetauscher 100 ist in ähnlicher Weise oberhalb des Absorbers 97 angeordnet.
Die Öffnungen 186 und 187 sind vorgesehen, um von außen herangeführter Luft den Durchtritt durch den ersten Wärmetauscher 100 und den Absorber 97 vermittels des Gebläses 170 zu gewähren. Letzteres drückt Außenluft aus der Einheit durch die Öffnung 169 heraus. Die Schließvorrichtung 86 ist vorgesehen, um die Strömung von Außenluft über den Absorber so zu regeln., wie es die Bedingungen erfordern, was vorstehend in dieser Offenbarung beschrieben ist. Ein Zugkanal 190 ist für die Abfuhr von Verbrennungsprodukten aus dem Brenner 84 vorgesehen.
Um zusätzliche Wärme bereitzustellen, können zusätzliche Brenner 206 unter dem zweiten Wärmetauscher 115 bereitgestellt werden. Bei dieser Konstruktion befindet sich ein zusätzlicher Abzug 207 oberhalb des zweiten Wärmetauschers 115, um die Verbrennungsprodukte zur Öffnung 169 zu leiten. Zusätzliche Isolierung 208 ist zwischen dem Rekuperator 107 und dem zweiten Wärmetauscher 115 vorgesehen.
Es ist ersichtlich, daß mit dieser Erfindung die Aufgabe erfüllt wird, eine effektive und bequeme Umweltkonditioniereinheit für Aufenthaltsräume bereitzustellen, indem man den Absorptionszyklus nutzt, ohne innerhalb des Aufenthaltsraumes direkt in Berührung mit toxischen, schädlichen oder brennbaren Chemikalien zu kommen. Durch die Umlenkanordnungen wird die Anzahl an Bauteilen vermindert und die Vorrichtung kompakter und wirksamer gestaltet.

Claims

1. Absorptionssystem, enthaltend:

(a) einen Mehrfacheffekt-Generator (80, 81) mit mehreren Desorberkomponenten, die bei mehr als einem unterschiedlichen Innendruck arbeiten, um eine primäre Wärmequelle auf ein Absorptions-Kühl-Paar, enthaltend ein hochflüchtiges Kühlmittel und ein Absorptionsmittel, einwirken zu lassen und um das Kühlmittel aus dem Paar zu entfernen;

(b) einen ersten Wärmetauscher (100), der mit den Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators (80, 81) verbunden und so konstruiert ist, daß er die Wärme zwischen einer Wärmesenke oder einer sekundären Wärmequelle in seiner Nähe und dem in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht;

(c) einen zweiten Wärmetauscher (115), der mit dem ersten Wärmetauscher (100) über ein erstes Expansionselement (110) verbunden und so konstruiert ist, daß er die Warme zwischen einem zu kühlenden bzw. zu erwärmenden Objekt (load) und dem in ihm enthaltenen Kühlmittel austauscht;

(d) einen Absorber (97), der mit dem zweiten Wärmetauscher (115) verbunden ist; und

(e) eine Pumpe (98), die zwischen den Absorber (97) und den Generator (80, 81) geschaltet ist, um bei höherem Druck einen Lösungsfluß auf den Generator zu übertragen;

gekennzeichnet durch:

(f) Leitungs- und Ventileinrichtungen zur selektiven Umschaltung und Umkehrung der Funktionen des ersten (100) und des zweiten (115) Wärmetauschers vom Kondensor zum Verdampfer, in eine Kühl- oder Heiz-Betriebsart und umgekehrt, wobei die Leitungs- und Ventileinrichtungen enthalten:

(g) eine Leitung, die den ersten Wärmetauscher (100) mit allen Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators (80, 81 verbindet, eine Leitung, die den zweiten Wärmetauscher (115) mit allen Mehrfach-Desorberkomponenten des Generators (80, 81) verbindet, und eine Leitung, die den Absorber (97), mit dem ersten (100) und dem zweiten (115) Wärmetauscher verbindet, eine Leitung, die das unter höherem Druck stehende Desorberelement (80) mit dem zweiten Wärmetauscher (115), welcher das erste Expansionselement (110) enthält, verbindet; und eine Leitung, die das unter höherem Druck stehende Desorberelement (80) mit dem ersten Wärmetauscher (100), welcher ein zweites Expansionselement (102) enthält, verbindet; und

(h) Ventile (99, 101, 103, 106, 108, 109, 117, 118), die selektiv in den Leitungen angeordnet sind, um

(i) das Objekt zu kühlen, indem sie das Kühlmittel von dem unter höherem Druck stehenden Desorberelement (80) über das zweite Expansionselement (102) und von einem unter niedrigerem Druck stehenden Desorberelement (82) direkt zum ersten Wärmetauscher (100), von dem ersten Wärmetauscher (100) über das erste Expansionselement (110) zum zweiten Wärmetauscher (115) bzw. vom zweiten Wärmetauscher (115) zum Absorber (97) lenken, oder

(ii) um das Objekt zu erwärmen, indem sie das Kühlmittel von dem unter höherem Druck stehenden Desorberelement (80) über das erste Expansionselement (110) und von dem unter niedrigerem Druck stehenden Desorberelement (82) direkt zum zweiten Wärmetauscher (115), vom Wärmetauscher (115) über ein drittes Expansionselement (120) zum ersten Wärmetauscher (100) und vom ersten Wärmetauscher (100) zum Absorber (97) lenken.

2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme, die dem Objekt zugeführt oder von dem Objekt abgeführt wird, durch eine Gefrierschutzmittel-Arbeitslösung in einem Wärmeübertragungsverhältnis mit dem Objekt geführt wird.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslösung durch den zweiten Wärmetauscher (115) geleitet wird.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslösung zu einer Vorrichtung zum Erwärmen von Haushaltswasser (domestic water) geleitet wird, wenn sich das Absorptionskühlungs- und/oder Heizsystem in der Heiz-Betriebsart befindet.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslösung in einem Wärmeübertragungsverhältnis zu einer Vorrichtung zum Erwärmen von Haushaltswasser geführt wird.

6. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitslösung in einem Wärmeübertragungsverhältnis zum Absorber (97) geführt wird.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Absorber (97) geführte Arbeitslösung auch zu einer Borrichtung zum Erwärmen von Haushaltswasser geführt wird.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Absorber (97) geführte Arbeitslösung zu der Vorrichtung zum Erwärmen von Haushaltswasser geführt wird, wenn sich das System in der Kühl-Detriebsart befindet.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sammler (205), der im System vorgesehen ist, um die Kühlmittelkonzentration im System als Funktion der Betriebsbedingungen im System anzupassen.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (205) zwischen dem Absorber (97) und dem ersten (100) bzw. dem zweiten (115) Wärmetauscher vorgesehen ist.

11. System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Kühlmittels in der Lösung auf 46 bis 32% Kühlmittel eingestellt wird.

12. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrfacheffekt-Generator (80, 81) ein erstes Gefäß (80) enthält, das so konstruiert ist, daß es ausreichend Verbrennungswärme aufnimmt, um das Kühlmittel von dem Absorptions-Lösungs-Paar zu desorbieren, und daß mindestens ein zweites Gefäß (81) mit dem ersten Gefäß verbunden ist, um das Kühlmittel aufzunehmen und die Wärme aus dem Kühlmittel mit dem Paar auszutauschen, um weiteres Kühlmittel aus dem Paar zu desorbieren; und daß die Pumpe (98) mit dem Absorber (97) und dem ersten Gefäß (80) verbunden ist, um die starke Lösung bei hohem Druck in das erste Gefäß (80) überzuführen.

13. System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung aus dem ersten Gefäß (80) in einem Wärmeübertragungsverhältnis mit der Lösung geführt wird, die mit Hilfe der Pumpe (98) in das erste Gefäß (80) überführt wird, um die Wärme aus dem Lösungspaar zu gewinnen, und daß das Lösungspaar aus dem mindestens einen zweiten Gefäß (81) in ein Wärmeübertragungsverhältnis mit der Lösung gebracht wird, die in das erste Gefäß (80) übergeführt wird, um Wärme aus dem Lösungspaar zu gewinnen.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (80) und das zweite (81) Gefäß mehrere Rohrschlangen enthält, wobei die einander gegenüberliegenden Windungen in einer im allgemeinen ringförmigen verbundenen Form zum ersten Gefäß (80), das die Wärmequelle umgibt, und dem zweiten Gefäß (81), das das erste Gefäß (80) umgibt, angeordnet sind.

15. System nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen ersten Rekuperator (86) mit einer Vielzahl von Rohrschlangen wobei die nebeneinanderliegenden Windungen in einer im allgemeinen ringförmigen verbundenen Form vorliegen, wobei der erste Rekuperator (86) das erste Gefäß (80) umgibt und von dem zweiten Gefäß (81) umgeben ist; und einen zweiten Rekuperator (95), der eine Vielzahl von Rohrschlangen enthält, wobei die nebeneinanderliegenden Windungen in einer im allgemeinen ringförmigen verbundenen Form vorliegen, wobei der zweite Rekuperator (95) das zweite Gefäß (81) umgibt.

16. System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke oder die Sekundärquelle Umgebungsluft darstellt.

17. System nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Rekuperator (95) in der Verbindung zwischen der Pumpe (98) und dem Generator (80, 81) und in der Verbindung zwischen dem Generator (80, 81) und dem Absorber (97), zur Wärmeleitung zwischen den Strömen des Absorptions-Lösungs-Paares bei verschiedenen Temperaturen in den Verbindungen.

1 8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß hie Pumpe (97) mit Verbindungseinrichtungen versehen ist, um Druckenergie im Kühlmittel und/oder im Lösungsmittelpaar mechanisch in mechanische Energie umzuwandeln, und daß Mittel vorgesehen sind, um die umgewandelte mechanische Energie der mechanischen Energie hinzuzufügen, die dem System von außen zugeführt wird; und weiterhin gekennzeichnet durch Enteisungseinrichtungen, um das System dadurch zu enteisen, daß das Kühlmittel aus dem zweiten Wärmetauscher (115) zum ersten Wärmetauscher (100) umgeleitet wird, wobei der Kontakt zwischen der Sekundär- Wärmequelle und dem ersten Wärmetauscher (100) unterbrochen oder minimiert und der Kontakt zwischen dem Objekt und dem zweiten Wärmetauscher (115) unterbrochen wird und wobei die Enteisungsmaßnahme umgekehrt wird, wenn das System enteist wird.

19. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (98) durch einen Drehmotor (152) angetrieben wird und daß mindestens ein hydraulischer und/oder Expansionsmotor (153-156) mit einer gemeinsamen Welle des Drehmotors (152) verbunden ist, wobei der hydraulische und/oder der Expansionsmotor (153-156) durch Drosselung des vom Generator (80, 81) kommenden Absorptions-Lösungs-Paares und/oder durch Expansion des vom Generator (80, 81) kommenden Kühlmittels angetrieben wird.

20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmotor (152) ein von außen gespeister Elektromotor ist und daß der wenigstens eine Expansionsmotor (153-156) Laufräder enthält, die durch das expandierende Kühlmittel rotierend angetrieben werden.

21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (98), der elektrische Drehmotor (152) und der hydraulische und/oder Expansionsmotor (153-156) miteinander verbunden sind.

22. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptions-Lösungs-Paar Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel und Ammoniak als Kühlmittel enthält.

23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptions-Lösungs-Paar weiterhin Triethylentetramin als Zusatz enthält.

24. System nach einem der Ansprüche 1 bis 23, enthaltend eine Enteisungsvorrichtung, um den ersten Wärmetauscher (100) zu enteisen, während er sich in der Heiz-Betriebsart befindet, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch

(i) Mittel, um den Kühlmittelfluß vom zweiten Wärmetauscher (115) in den ersten Wärmetauscher (100) umzuleiten;

(ii) Mittel zum Unterbrechen des Kontaktes zwischen dem Umgebungsfluid und dem ersten Wärmetauscher (100);

(iii) Mittel zum Unterbrechen des Wärmeaustausches zwischen dem zweiten Wärmetauscher (115) und dem Objekt, wobei ein Wärmestrom aus dem Absorber (97) zum Objekt ermöglicht wird und

(iv) Mittel zum Umkehren des Prozesses (i), (ii) und (iii), wenn die Enteisung beendet ist.

25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das System als Umwelt-Konditioniereinheit für Aufenthaltsräume betrieben wird.

26. System nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Umgebungsfluid Luft außerhalb des Aufenthaltsraumes darstellt.

27. System nach einem der Ansprüche 24 bis 26 , dadurch gekennzeichnet, daß das System einen Zyklus mit Doppeleffekt darstellt, wobei Ammoniak als Kühlmittel und Natriumthiocyanat als Absorptionsmittel verwendet wird.

28. Verfahren zum Enteisen eines Systems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:

(a) in der Betriebsart der Erwärmung:

(i) Umschalten des Kühlmittelflusses vom zweiten Wärmetauscher (115) zum ersten Wärmetauscher (100);

(ii) Unterbrechung oder Minimierung des Wärmeaustausches zwischen dem Umgebungsfluid und dem ersten Wärmetauscher (100);

(iii) Unterbrechung des Wärmeaustausches zwischen dem zweiten Wärmetauscher (115) und dem Objekt;

(iv) Aufrechterhaltung der Fluidverbindung zwischen dem ersten Wärmetauscher (100) und dem Absorber (97) ohne Unterbrechung, wobei während der Enteisung Wärme vom Absorber (97) zum Objekt fließen kann; und

(b) Umkehrung der Prozesse (a) (i), (a) (ii) und (a) (iii), wenn die Enteisung beendet ist.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (97) in einem Wärmeübertragungsverhältnis mit einem Untersystem zum Heizen eines bewohnbaren Bauwerks mit Warmwasser steht.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Kühl-Betriebsart die Fluidverbindung zwischen dem Absorber (97) und dem Wasserheizungs-Untersystem aufrechterhält.