[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit mindestens einer Kompressoreinheit,
einem Verflüssiger im Hochdruckbereich, einem Verdampfer im Niederdruckbereich sowie
gas- und flüssigkeitsdurchströmten druckfesten Verbindungsleitungen.
[0002] Gattungsgemäße Anlagen sind beim Stand der Technik bekannt und werden allgemein als
Kompressionskälteanlagen bezeichnet. Generell wird hierbei das Kältemittel im verdampften
Zustand von niedrigen auf hohen Druck gebracht, durch Wärmeentzug von überhitzten
Zustand auf Naßdampfeintrittstemperatur gebracht, bei konstanter Naßdampftemperatur
verflüssigt und eventuell noch etwas unterkühlt. Das flüssige Kältemittel geht über
eine Drossel auf ein niedriges Druckniveau, wobei die Temperatur absinkt und ein Teil
verdampft. Nun wird Wärme bis zur vollständigen Verdampfung aufgenommen und der Kreislauf
beginnt von neuem. Kälteanlagen dieser Art können auf mehrfache Weise eingesetzt werden.
Aufgrund der Wärmezufuhr bei niedriger Temperatur dienen sie vorzüglich als Kühlanlagen.
Andererseits dienen sie zur Wärmegewinnung als Wärmepumpen, wobei die Wärme die im
Niederdruckbereich aufgenommen wird zusätzlich mit der zugeführten Kompressorenergie
als nutzbare Wärme bei entsprechend hoher Temperatur abgegeben wird. Ideal ist der
Einsatz bei doppeltem Nutzen, sowohl zu Kühl- als auch Heizzwecken. Der Wirkungsgrad
dieser Anlagen definiert sich nach dem Verhältnis der aufgenommenen Wärme im Niederdruckbereich
zur eingesetzten Kompressorenergie.
[0003] Um die Effizienz möglichst hoch zu halten, ist man bestrebt das flüssige Kältemittel
vor Eintritt in die Drossel möglichst weit zu unterkühlen und somit die Wärmeaufnahme
zu erhöhen. Des weiteren ist man bestrebt die Kompressorarbeit möglichst niedrig zu
halten. Im allgemeinen bietet sich an, die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor
Eintritt in die Drossel durch Kühlung im dampfförmigen Kältemittelstrom nach Verdampferaustritt
weiter zu senken, sowie die Kompression über ein oder mehrere Zwischenkühler zu bewerkstelligen.
Diese Maßnahmen erfordern aufwendige Wärmetauscher und werden daher nur selten realisiert.
Dabei ist zu berücksichtigen daß bei noch so guter Wärmetauscherauslegung die Zwischenkühlung
maximal bis ins Naßdampfgebiet bzw. bis zur Kühlmitteltemperatur erfolgen kann und
die Abkühlung des flüssigen Kältemittels vor Eintritt in die Drossel nicht bis zur
Kältemitteltemperatur im Niederdruckbereich erfolgen kann, da das flüssige Kältemittel
in etwa die doppelte Wärmekapazität besitzt als das gasförmige Kältemittel.
[0004] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Anlage ohne die oben genannten
prozeßtechnischen Einschränkungen zu schaffen und vergleichsweise eine verbesserte
Energieausbeute bei kompakter Bauweise zu erzielen.
[0005] Dies wird dadurch erreicht, daß die Kompressionskälteanlage mit Baueinheiten einer
Absorptionskälteanlage gekoppelt wird. Die Verschaltung erfolgt erfindungsgemäß in
der Weise, daß ein oder mehrere Teilströme des Kältemitteldampfes von der Kompressoreinheit
abgezweigt werden und jeweils in einen Anlageteil gehen, in dem eine Beimischung von
Absorbermittel stattfindet und eine vollständige Verflüssigung erfolgt. Die Auskopplung
der einzelnen Teilströme aus der Kompressoreinheit erfolgt erfindungsgemäß nicht unbedingt
bei niedrigstem Druckniveau, sondern kann betriebsbedingt bei höheren Druckstufen
erfolgen. Der übrige Anteil an Kältemitteldampf durchläuft die Kompressoreinheit bis
zum Hochdruckniveau und wird in eine Mischkammer im Austreiber geleitet.
[0006] Der von der Kompressoreinheit vor Hochdruck abgezweigte Kältemitteldampf geht in
mindestens eine, nach dem allgemeinem Stand der Technik für Absorptionskälteanlagen
bekannte, in weiterer Folge als Absorbereinheit bezeichnete Anordnung, bestehend aus
Mischkammer und Wärmetauscher. In der Mischkammer wird dem Kältemitteldampf Kondensat
mit hoher Absorbermittelkonzentration beigemischt. Im nachfolgenden Wärmetauscher
erfolgt eine Wärmeabgabe an das Kühlmedium bis zur vollständigen Verflüssigung. Nach
dem für Absorptionskälteanlagen allgemein bekannten Funktionsprinzip wird dieses Kondensat
durch Pumpen auf Hochdruck gebracht und in den Austreiber geleitet. Üblicherweise
geht ein Teil dieses Kondensats in die Mischkammer des Austreibers, wobei zuvor ein
Wärmeaustausch mit dem austretenden Kondensat mit hoher Absorbermittelkonzentration
stattfindet. Der restliche Anteil geht über den Deflegmator, ein Wärmetauscher zur
Dampfrückkühlung, in den Austreiber.
[0007] Nach dem für Absorptionskälteanlagen üblichen Stand der Technik bestehen solche Austreibermodule
grundsätzlich aus den vier Funktionseinheiten, Deflegmator, Rektifikator, Mischkammer
und Kocher. Deflegmator und Rektifikator dienen zur Reinigung des Kältemitteldampfes
von Absorptionsmittel vor Austritt aus dem Austreiber. Die Mischkammer soll idealerweise
ein Gleichgewicht von flüssiger und gasförmiger Phase herstellen. Im Kocher wird Wärme
zur Verdampfung des Gemisches aus Kälte- und Absorbermittel zugeführt. Diese Wärmezufuhr
ist grundsätzlich die treibende Energie für den Betrieb einer Absorptionskälteanlage.
Generell erfolgt im Austreiber eine Trennung von Absorber- und Kältemittel. Dies darf
nicht im engen Sinne einer vollständigen Separierung gesehen werden sondern ist auf
einen konzentrationsmäßigen Schwerpunkt ausgerichtet. Dabei wird angestrebt, daß einerseits
möglichst reiner Kältemitteldampf und andererseits ein Gemisch mit hoher Konzentration
an Absorbermittel den Austreiber verläßt. Üblicherweise wird Kondensat mit mittlerem
Konzentrationsverhältnis von Kälte- und Absorbermittel eingeleitet.
[0008] Erfindungsgemäß unterscheidet sich der Austreiber gegenüber der oben beschriebenen
Ausführung durch die zusätzliche Möglichkeit der Einleitung von Kältemitteldampf bei
Hochdruck. Im Gegensatz zu üblichen Absorptionskälteanlagen kann bei dieser Anlage
der als Kocher bezeichnete Wärmetauscher zur Wärmezufuhr gänzlich wegfallen, und die
Anlage ausschließlich durch Zufuhr von technischer Arbeit betrieben werden. In diesem
Fall ist, was die Leistungskennwerte der Anlage betrifft, ein direkter Vergleich zu
einer reinen Kompressionskälteanlage zulässig. Dadurch, daß vergleichsweise weniger
Kältemitteldampf auf Hochdruckniveau gebracht wird, sinkt der Anteil an technischer
Arbeit beträchtlich.
[0009] Zur zusätzlichen Senkung der Kompressorleistung gibt es das allgemein bekannte Verfahren,
durch Kondensateinspritzung zwischen mindestens zwei Kompressorstufen den überhitzten
Dampf vor der weiteren Kompression auf Sattdampfzustand zu bringen. Trotz Massenzunahme
führt dies aufgrund der Temperaturabsenkung zu einer Verminderung der technischen
Arbeit für die weitere Kompression des Dampfes auf Hochdruck. Im Gegensatz zu einer
Kompressionskälteanlage mit dem Nachteil, kein Kondensat prozeßtechnisch günstig für
diese Maßnahme abzuzweigen zu können, kann dank der beschriebenen, erfindungsgemäßen
Kompressorverschaltung Kondensat aus den für Absorptionskälteanlagen typischen Anlageteilen
entnommen werden. Idealerweise entnimmt man dazu Kondensat aus dem Austreiber unmittelbar
nach Austritt aus dem Rektifikator. Verglichen mit den Maßnahmen zur Zwischenkühlung
bei Kompressionskälteanlagen ist dieser Aufwand relativ gering.
[0010] Zur Erhöhung der Wärmeaufnahme aus dem zu kühlenden Medium, bei Wärmepumpen als Sole
bezeichnet, wird allgemein üblich versucht das flüssige Kältemittel so weit als möglich
vor Eintritt in die Drossel zu unterkühlen. Dies läßt sich durch zusätzliche Abkühlung
im Kältemitteldampf bei Niederdruck erreichen. Bei Kompressionskälteanlagen nach dem
Stand der Technik ist diese Maßnahme nicht allzu effizient, da beim Wärmeaustausch
zwar gleich große Massenströme von Flüssigkeit und Dampf vorliegen, der Kältemitteldampf
aber nur in etwa die halbe Wärmekapazität besitzt. Dies bedeutet einerseits, daß das
flüssige Kältemittel nicht allzuweit abgekühlt werden kann, andererseits steigt die
Kompressorleistung aufgrund des überhitzten Eintrittszustands des Dampfes. Nun gibt
es das allgemein bekannte Verfahren, Kondensat zur Erhöhung der Wärmeaufnahme beizumischen.
Idealerweise wird dieses Kondensat stetig während der Wärmeaufnahme zur Verdampfung
beigemischt, wobei angestrebt wird, stets geringfügig im Naßdampfgebiet zu sein. Durch
diese Maßnahme steigt die Wärmeaufnahmefähigkeit so weit, daß das flüssige Kältemittel
beinahe bis zur Sattdampftemperatur bei Niederdruck abgekühlt werden kann. Zudem wird
der Aufwand für den Wärmetauscher mit Kondensateinspritzung gegenüber dem Wärmetauscher
mit Dampfüberhitzung aufgrund des besseren Wärmeübertragungsverhalten entscheidend
verringert. Im Gegensatz zu einer Kompressionskälteanlage mit dem Nachteil, kein Kondensat
prozeßtechnisch günstig für diese Maßnahme abzuzweigen zu können, kann dank der beschriebenen,
erfindungsgemäßen Kompressorverschaltung Kondensat aus den für Absorptionskälteanlagen
typischen Anlageteilen entnommen werden. Idealerweise entnimmt man das Kondensat,
das nach der Verflüssigung aus der Absorbereinheit, bei mehreren Absorbereinheiten
aus jener mit dem niedrigsten Druckniveau, anfällt.
[0011] Prozeßtechnisch ist der Massenanteil des auf Hochdruck verdichteten Dampfes im Verhältnis
zur Masse des bei niedrigerem Druck abgezweigten Dampfes durch den jeweiligen Betriebszustand
genau festgelegt. Je niedriger das Verhältnis von höchstem zu niedrigstem Druck ist,
desto geringer wird die aus der Kompressoreinheit auszukoppelnde Dampfmenge zur Verflüssigung.
Da ein Teil dieses Kondensates für die Reinigung des Kältemitteldampfes vor Austritt
aus dem Austreiber genutzt wird, indem es durch Deflegmator und Rektifikator geleitet
wird, muß eine Mindestmenge durch diese Einheiten durchgeleitet werden. Wie sich nach
genauer Berechnung zeigt, ist es sinnvoll eine bestimmte Menge des flüssigen Kältemittels
aus dem Verdampfer zu entnehmen und dem Kondensat, das zum Deflegmator geht, beizumischen.
Dadurch ergeben sich im wesentlichen zwei positive Effekte. Da zum einen mehr Masse
durch Deflegmator und Rektifikator geleitet wird, wobei diese eine höhere Konzentration
an Kältemittel hat, findet im Austreiber eine bessere Reinigung des austretenden Kältemitteldampfes
von Absorbermittel statt. Zum anderen bewirkt die Abzapfung von Kondensat aus dem
Verdampfer entsprechend der Massenbilanz von ein- und abfließendem Kälte- und Absorbermittel
eine nochmalige Abscheidung von Absorbermittel aus dem Kältemitteldampf, da Dampf
und Kondensat im Gleichgewicht eine unterschiedliche Konzentration an Absorbermittel
beinhalten. Während der Dampf fast ausschließlich Kältemittel enthält, beinhaltet
das Kondensat eine beträchtliche Menge an Absorbermittel. Je nach Betriebszustand
läßt sich eine optimale Abzapfmenge festlegen. Der augenscheinliche Nachteil einer
geringeren verdampfbaren Kältemittelmenge im Niederdruck, mit der damit verbundenen
geringeren Wärmeaufnahmefähigkeit, wird durch die oben beschriebenen positiven Effekte
aufgehoben. Die Maßnahme der Abzapfung führt gesamtgesehen zu besseren Leistungsdaten
der Anlage.
[0012] Durch die erfindungsgemäße Verschaltung der Kompressionskälteanlage mit den für Absorptionskälteanlagen
typischen Baueinheiten und der zusätzlichen Nutzung der dadurch gegebenen Möglichkeiten
zur Senkung der Kompressorarbeit sowie Erhöhung der Wärmeaufnahmefähigkeit durch die
oben beschriebenen Maßnahmen, sind die wesentlichen Kriterien für die Erhöhung der
Anlageneffizienz bei verhältnismäßig geringem Mehraufwand in kompakter Bauweise erfüllt.
Der gegenüber normalen Kompressionskälteanlagen zusätzliche bauliche Aufwand für die
angekoppelten Anlagenteile wird zum Großteil durch die kompaktere Ausführung des Dampfwärmetauschers
mit Kondensateinspritzung sowie durch Wegfall der aufwendigen Kompressorzwischenkühlung
kompensiert. Diese Anlage ist einer Kompressionskälteanlage mit bester Ausführung
weit überlegen, insbesonders dann, wenn zwischen Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme hohe
Temperaturdifferenzen vorliegen.
[0013] Eine günstige Variante einer solchen Anlage sieht vor, daß die Rückkondensation des
in der Mischkammer mit Absorbermittel angereicherten Kältemittels bei zwei unterschiedlichen
Druckstufen stattfindet. Dies kann erfindungsgemäß realisiert werden indem von der
Kompressoreinheit zwei Massenströme bei unterschiedlichen Druckstufen abgezweigt werden.
Die Beimischung von Kondensat mit hoher Absorbermittelkonzentration und die anschließende
Verflüssigung erfolgt jeweils in zwei getrennten Absorbereinheiten. Idealerweise wird
jenes Kondensat das bei höherem Druck anfällt über Deflegmator und Rektifikator in
den Austreiber zurückgeleitet.
[0014] Eine besonders günstige Ausführung sieht vor, die Wärmetauscher in den Absorbereinheiten
so auszulegen, daß das Kühlmittel möglichst hohe Temperaturen erreichen kann. Dazu
dienen eigene Kondensationswärmetauscher mit Möglichkeit zur Nutzung des Temperaturgefälles
während der Kondensation, sowie eine spezielle Einrichtung zur Vorwärmung des Kondensats
vor Eintritt in die Mischkammer. Die Erwärmung erfolgt erfindungsgemäß in der Weise,
daß das Kondensat parallel zum Kühlmittel die Wärmetauscherkanäle durchströmt und
dem Dampf/Kondensat- Gemisch Energie entzieht welche es schließlich wieder in die
Mischkammer einbringt. Nach Außen betrachtet bleibt die über das Kühlmittel abgeführte
Energie die selbe. Es steigt lediglich der Temperaturunterschied von Kondensationsbeginn
bis Kondensationsende und somit die Möglichkeit zur Maximierung der Kühlmittelaustrittstemperatur.
[0015] Eine Abwandlung der obigen Variante sieht erfindungsgemäß eine Auskopplung bei einer
einzigen Kompressorstufe aus der Hauptkompressoreinheit vor, wobei in der ersten Absorbereinheit
keine vollständige Verflüssigung erfolgt. Die weitere Kondensation bis zur vollständigen
Verflüssigung erfolgt in einer zweiten Absorbereinheit bei höherem Druck. In die Mischkammer
dieser Absorbereinheit wird über eine Pumpe Kondensat aus der ersten Druckstufe eingeleitet.
Der restliche noch nicht kondensierte Dampf aus der ersten Druckstufe wird über eine
weitere Kompressoreinheit auf entsprechend hohen Druck gebracht und ebenfalls in diese
Mischkammer eingeleitet. Prinzipiell bringt diese Anordnung gegenüber der zuvor beschriebenen
Ausführung prozeßtechnisch keinen erkennenswerten Vorteil und ist baulich eher aufwendiger.
Dies einerseits durch die zusätzlich erforderliche Pumpe sowie durch die größere Auslegung
der ersten Absorbereinheit, da mehr Dampfvolumen durchgeht. Die Abspaltung dieser
Kompressoreinheit aus der Hauptkompressoreinheit ist eine aus der obigen Beschreibung
zur erfindungsgemäßen Verschaltung der Kompressoreinheit mit Baueinheiten einer Absorptionskälteanlage
naheliegende Abänderung, die grundsätzlich auf der selben prozeßgestaltenden Idee,
des Einsatzes von zwei Absorbereinheiten bei unterschiedlichem Druck, beruht.
[0016] Anlagen der oben beschriebenen Art sind sowohl für Kleinanlagen in der Haustechnik
als auch für Großanlagen ideal ausführbar. Aufgrund des außerordentlich hohen Wirkungsgrades
bietet sich ein besonders wirtschaftlicher Einsatz in kalten Gebieten als Wärmepumpe,
vorzugsweise mit dem Zweistoffgemisch Ammoniak/Wasser. Denkbar ist eine vermehrte
Nutzung von Außenluft zur Wärmeentnahme.
[0017] Eine günstige Variante sieht darüber hinaus vor, zusätzlich zur technischen Arbeit
auch Wärme in den Prozeß einzubringen. Die Anlage ist weder als Kompressionskälteanlage
noch als Absorptionskälteanlage zu betrachten. Dazu wird, wie allgemein bei Absorptionskälteanlagen
üblich, der als Kocher bezeichnete Wärmetauscher im Austreiber angeordnet. Ähnlich
wie bei der Kondensation liegt bei der Verdampfung des Ein oder Mehrstoffgemisches
ein Temperaturgefälle vor, das idealerweise durch entsprechende bauliche Ausführung
des Wärmetauschers genutzt wird. Je mehr Wärme dem Prozeß zugeführt wird desto weniger
Dampf wird auf Hochdruck komprimiert und an die Mischkammer im Austreiber geleitet.
Im Grenzfall arbeitet die Anlage ohne Hochdruckkompression wobei sämtlicher Kätemitteldampf
in die Absorbereinheit(en) geht. Ideal vorstellbar ist der Einsatz solcher Anlagen
zur Nutzung thermischer, aus Sonnenkollektoren bereitgestellter Energie, wobei die
üblichen Lastschwankungen des Wärmeangebotes durch die Möglichkeit des variablen Einsatzes
von Wärme und technischer Energie ideal ausgeglichen werden können.
[0018] Diese Variante, mit Ankopplung von Sonnenkollektoren, läßt sich besonders nutzbringend
in Großanlagen zur Versorgung von Kälte zur großräumigen Gebäudeklimatisierung bei
gleichzeitiger Nutzung der abgeführten Wärme zum Betrieb von Meerwasserentsalzungsanlagen
einsetzen. Gegenüber üblichen Ausführungen von Absorptionskälteanlagen ist bei diesen
kombinierten Anlagen ein durchgehender Betrieb mit Ausgleich der Schwankungen der
zugeführten Wärme gewährleistet. Durch die speziellen Maßnahmen zur Erhöhung der Wärmeabgabetemperatur
kann die abgeführte Wärme nutzbringend anderweitig eingesetzt werden, wobei die Gesamtanlageneffizienz
weit über der von üblichen Absorptionskälteanlagen liegt.
[0019] Weitere Merkmale und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer allgemein bekannten Kompressionskälteanlage
mit der besonderen Ausführung eines zusätzlichen Wärmetauschers zur Kühlung des aus
dem Hochdruckverflüssiger kommenden, Kondensats.
Fig. 2 eine Prozeßdarstellung dieser Anlage im Entropie/Temperatur- Diagramm.
Fig. 3 eine einfache Ausführungsvariante mit Ankopplung von den für Absorptionskälteanlagen
typischen Baueinheiten, Austreiber und Absorbereinheit, an die in Fig.1 gezeigte Ausführung
einer Kompressionskälteanlage.
Fig. 4 eine erweiterte Variante der in Fig. 3 gezeigten Ausführung mit Einsatz von
zwei Absorbereinheiten.
Fig. 5 eine verbesserte Variante der in Fig. 4 gezeigten Ausführung mit zusätzlichen
effizienzsteigernden Maßnahmen wie: Kondensatabzapfung aus dem Verdampfer, Beimischung
von Kondensat in den Dampfwärmetauscher, Kondensateinspritzung zwischen den Kompressionsstufen,
besondere Ausführung der Wärmetauscher zur Hebung der Kühlmittelaustrittstemperatur.
Zusätzlich wird die Variante in Fig. 4 durch den Einbau eines Wärmetauschers zur Wärmezufuhr
von Außen erweitert.
Fig. 6 eine leicht abgeänderte Ausführungsvariante der in Fig. 5 gezeigten Ausführung
mit Unterteilung der Kompressoreinheit.
Fig. 7 einen konstruktiven Vorschlag für die Bauweise eines Kondensationswärmetauschers
in einer Absorbereinheit mit Nutzung des Temperaturgefälles während der Verflüssigung.
Fig. 8 ein Diagramm mit dem Wärme/Temperatur- Verlauf von Kondensat und Kühlmittel.
Fig. 9 ein konstruktiver Vorschlag für die Bauweise des Wärmetauschers zur externen
Wärmezufuhr im Austreiber.
[0020] Der in Fig. 1 dargestellte Stand der Technik ist ein allgemein bekannter Kälteprozeß
einer Kompressionskälteanlage mit den grundlegenden Funktionseinheiten, Kompressoreinheit
1, Verflüssiger 2, Drossel 3 und Verdampfer 4, sowie den druckfesten Leitungen für
Hochdruckdampf 21, Hochdruckflüssigkeit 15 und Niederdruckdampf 31. Unter Kompressoreinheit
kann im weitesten Sinne eine Einheit aus mehreren Kompressoren mit ein oder mehreren
Druckstufen in allen möglichen Kombinationen von parallelen und seriellen Verschaltungen
verstanden werden. In diesem Beispiel ist, zum besseren Verständnis für die weitere
Argumentation ein Dampfwärmetauscher 5 zur Kühlung des aus dem Verflüssiger kommenden
Hochdruckkondensats 15 vorgesehen. Dieser Wärmetauschers bringt prozeßtechnisch keinen
besonderen Vorteil, ist in Relation zum Aufwand eher unwirtschaftlich und wird meist
gar nicht, oder nur schwach ausgelegt, eingesetzt.
[0021] In Fig. 2 wird der in Fig. 1 dargestellte Prozeß im Temperatur/Entropie- Diagramm
gezeigt. Beginnend bei Kompressoreintritt a erfolgt die Kompression des Kältemitteldampfes
31 von a nach b. Nach Kompressoraustritt b erfolgt durch Wärmeabgabe an das Kühlmedium
eine Abkühlung vom überhitzten Zustand bis zum Eintritt in das Naßdampfgebiet c. Des
weiteren erfolgt eine vollständige Verflüssigung bis d und eventuell noch eine Kondensatunterkühlung
bis e. Im Dampfwärmetauscher 5 findet eine weitere Abkühlung von e nach f statt. Über
eine Drosseleinrichtung 3 erfolgt eine Druckabsenkung von f nach g, wobei die Temperatur
sinkt und ein Teil des Kältemittels verdampft. Nun erfolgt im Verdampfer 4 die Wärmeaufnahme
von h nach i bis hin zur vollständigen Verdampfung. Nach einer Dampfüberhitzung im
Dampfwärmetauscher 5 von i nach a beginnt der Kreislauf von neuem. Wie man sieht,
kann das flüssige Kältemittel im Dampfwärmetauscher 5 von e nach f nicht allzuweit
abgekühlt werden, andererseits steigt die Kompressorarbeit durch die Dampfüberhitzung.
Der Aufwand der Kondensatabkühlung vor Eintritt in die Drossel 3 bringt durch die
damit verbundene Dampfüberhitzung selbst bei bester Wärmetauscherauslegung gesamt
gesehen nur eine geringfügige Effizienzsteigerung.
[0022] Fig. 3 zeigt eine einfache Ausführungsvariante mit Ankopplung der für Absorptionskälteanlagen
typischen Baueinheiten, Austreiber 7 und Absorbereinheit 6, an eine wie in Fig.1 dargestellte
Kompressionskälteanlage. Erfindungsgemäß wird aus der Kompressoreinheit ein Teilstrom
10 bei niederem oder mittlerem Druckniveau abgezweigt und an eine Absorbereinheit
6, bestehend aus Mischkammer 8 und Kondensationswärmetauscher 9 weitergeleitet. Idealerweise
sind an der Kompressoreinheit, wie hier schematisch dargestellt, mehrere Ausgänge
für die Dampfabzweigung 10 bei verschiedenem Druckniveau vorgesehen. Der übrige Dampfstrom
11 wird auf Hockdruck komprimiert und in eine Mischkammer 12 im Austreiber geleitet.
Nach dem allgemeinen Verschaltungsprinzip von Absorptionskälteanlagen wird das Kondensat
16 das aus der Absorbereinheit über eine Pumpe 32 auf Hochdruck gebracht und in den
Austreiber 7 zurückgeführt. Ein Teilstrom dieses Kondensats 18 wird durch den Deflegmator
14, ein Wärmetauscher zur Dampfrückkühlung, und weiter durch den Rektifikator 13,
eine Vorrichtung zur Dampfwäsche, durchgeleitet. Beide Vorrichtungen dienen grundsätzlich
zur Reinigung des Kältemitteldampfes von Absorbermittel bevor dieser an den Verflüssiger
2 weitergeleitet wird. Der restliche Teilstrom 17 geht, vorzugsweise nach Wärmeaustausch
22 mit Kondensat 20 das den Austreiber verläßt, zurück in die Mischkammer 12 des Austreibers
7. Das Kondensat 20 aus dem Austreiber 7 hat einen hohen Konzentrationsanteil an Absorbermittel
und erwirkt nach Einleitung in die Mischkammer 8 der Absorbereinheit 6 einen beträchtlichen
Temperaturanstieg des Dampf/Flüssigkeits- Gemisches. Naturgemäß für Zwei- oder Mehrstoffgemische
weist das Naßdampfgebiet ein Temperaturgefälle auf. Dies kann bei entsprechender Auslegung
des Kondensationswärmetauschers 9 dazu genutzt werden, möglichst hohe Kühlmittelaustrittstemperaturen
zu erreichen. Entscheidend für die Funktion der Kälteanlage ist die Tatsache, daß
das Kältemittel/Absorbermittel- Gemisch im flüssigen Zustand eine Verdampfungstemperatur
hat, die in Abhängigkeit vom Konzentrationsgehalt an Absorbermittel entsprechend über
jener des reinen Kältemittels liegt und dadurch die Möglichkeit zur Wärmeabfuhr an
des Kühlmittel bis hin zur vollständigen Kondensation gegeben ist. Dies ist das grundlegende
Funktionsprinzip für Absorptionskälteanlagen, wobei anstatt der Anhebung des Druckes
eine Anreicherung an Absorbermittel stattfindet um die Wärme bei genügend hoher Temperatur
nach außen abgeben zu können. Während bei reinen Absorptionskälteanlagen der zu bewältigende
Temperaturbereich zwischen Wärmeabgabe und Wärmeaufnahme nicht allzu hoch ist, kann
erfindungsgemäß durch Ableitung des Kältemitteldampfes 10 bei einer höheren Druckstufe
dieser Nachteil behoben werden. Die Menge an Kältemitteldampf 11 die durch die Hochdruckkompression
geht ist prozeßtechnisch durch die über den Austreiber 7 erhobene Energiebilanz von
aus- und eingehenden Massenströmen mit den entsprechenden Enthalpien genau festgelegt.
Nachdem sich die zu- und abfließenden Kondensatströme 17, 18, 20, energiemäßig in
etwa ausgleichen, und überhitzter Kältemitteldampf 11 mit hoher spezifischer Enthalpie
einströmt, während Kältemitteldampf 21 im Sättigungszustand bei wesentlich niedrigerer
spezifischer Enthalpie den Austreiber verläßt, ist ersichtlich, daß die einzubringende
Menge an überhitztem, energiereichem Kältemitteldampf 11 geringer als jene des hinausgehenden
Kältemitteldampfes 21 ist. Nachdem die Kompressorarbeit der entscheidende Faktor für
den Aufwand an technischer Energie ist, ergeben sich gegenüber der in Fig. 1 gezeigten
Kompressionskälteanlage wesentlich bessere Leistungsdaten. Die Maßnahme der Kühlung
des flüssigen Kältemittels mit der damit verbundenen Dampfüberhitzung im Dampfwärmetauscher
5 führt zu keiner wesentlichen Erhöhung der Kompressorarbeit, da dadurch weniger Masse
auf Hochdruck komprimiert werden muß. Im Gegensatz zur der in Fig. 1 beschriebenen
Kompressionskälteanlage führt der Einsatz des Dampfwärmetauschers 5 hier zu einer
entscheidenden Prozeßverbesserung.
[0023] Fig. 4 zeigt erfindungsgemäß eine erweiterte Variante der in Fig. 3 gezeigten Ausführung
mit Einsatz von zwei Absorbereinheiten 6 und 26. Die Auskopplung der Massenströme
10 und 23 erfolgt bei unterschiedlichen Druckstufen. Dabei wird das Kondensat 18 aus
der Absorbereinheit 26 mit dem höheren Druck über Deflegmator 14 und Rektifikator
13 in den Austreiber 7 zurückgeleitet, während das Kondensat 16 aus der Absorbereinheit
6 mit dem niedrigeren Druck in die Mischkammer 12 des Austreibers 7 zurückgeht. Durch
die Maßnahme der zweistufigen Kondensation können von der Anlage höhere Temperaturdifferenzen
zwischen Wärmeabgabe an das Kühlmedium und Wärmeaufnahme aus der Sole bewältigt werden,
wobei die Kompressorarbeit möglichst gering gehalten wird. In dieser Ausführung sind
für die Dampfauskopplung 10 zu den einzelnen Absorbereinheiten jeweils drei Ausgänge
bei unterschiedlichen Druckstufen vorgesehen, wobei je nach Betriebsanforderung die
optimale Stufe geöffnet werden kann. Prozeßtechnisch von besonderem Vorteil ist dabei,
daß das Kondensat 23 aus der Absorbereinheit 26 mit der höheren Druckstufe eine geringere
Konzentration an Absorbermittel aufweist und besser für die Rektifikation geeignet
ist. Zudem ergibt sich, wie die Bilanz der in den Austreiber ein- und ausgehenden
Massenströme von Absorbermittel und Kältemittel zeigt, für das aus dem Austreiber
7 weggehende Kondensat 20 eine geringere Konzentration an Absorbermittel, was zu niedrigeren
Temperaturen im Austreiber 7 führt. Eine diesbezügliche Temperaturbegrenzung kann
wichtig sein, wenn zu verhindern ist, daß das Kältemittelgemisch eine chemische Veränderungen
eingeht, was ab einer bestimmten Grenztemperatur möglich sein kann. Ein weiterer Vorteil
ist gegeben, wenn im Austreiber 7 ein Wärmetauscher Fig.5, 35 für eine Wärmezufuhr
von Außen vorgesehen ist, da diese Wärmezufuhr bei niedrigerer Temperatur erfolgen
kann.
[0024] Fig. 5 zeigt eine verbesserte Variante der in Fig. 4 gezeigten Ausführung mit zusätzlichen
effizienzsteigernden Maßnahmen wie, Kondensatabzapfung aus dem Verdampfer 24, Beimischung
von Kondensat 27 in den Dampfwärmetauscher 5, Kondensateinspritzung zwischen den Kompressionsstufen
34, besondere Ausführung 28 der Kondensationswärmetauscher 9 zur Anhebung der Kühlmittelaustrittstemperatur
und zusätzlichem Wärmerückgewinnungstauscher 25. Eine besondere Variante in Erweiterung
zu Fig. 4 sieht einen Wärmetauscher 35 zum Zwecke der Wärmezufuhr von Außen vor.
Kurzgefaßt dient die Kondensatabzapfung zur Reinigung des Kältemitteldampfes 30 im
Verdampfer 4 von, wenn auch nur in geringem Ausmaß vorhandenem, Absorbermittel. Da
schon geringste Anteile an Absorbermittel eine starke Erhöhung der Verdampfungstemperatur
hervorrufen, reagiert der Prozeß äußerst sensibel auf diese Verunreinigung an Absorbermittel
und fordert eine entsprechende Drucksenkung im Verdampfer 4 um die Wärme aus der Sole
aufnehmen zu können. Dies führt zu einer erhöhten Kompressorleistung und somit schlechteren
Leistungsdaten der Anlage. Da bereits sehr geringe Abzapfmengen eine große Reinigungswirkung
haben wird der Nachteil, daß dadurch weniger Kondensat zur Verdampfung zur Verfügung
steht und dadurch weniger Wärme aus der Sole entzogen werden kann, durch die positiven
Auswirkung bei weitem aufgehoben. Eine weitere, sehr effiziente Maßnahme zur Verbesserung
der Leistungsdaten der Anlage besteht darin, Kondensat 27 in den Dampfwärmetauscher
5 einzuspritzen. Mit dieser zusätzlichen Verdampfungswärme kann das Hochdruckkondensat
15 weiter abgekühlt werden und somit mehr Wärme aus der Sole entzogen werden kann.
Zudem ergibt sich prozeßtechnisch der Vorteil, daß der Dampfeintritt in die Kompressoreinheit
1 im Sattdampfzustand erfolgt, was trotz Massenzunahme die Kompressorarbeit verringert.
Eine zusätzliche Möglichkeit zur Senkung der Kompressorarbeit ergibt sich durch weitere
Kondensateinspritzung zwischen den höheren Druckstufen. Idealerweise entnimmt man
jenes Kondensat 34, unmittelbar bei Austritt aus dem Rektifikator 13. Die besonderen
Ausführungen 28 der Kondensationswärmetauscher 9 in den Absorbereinheiten 6, 26 dienen
dazu um höhere Kühlmitteaustrittstemperaturen zu erzielen, und führen zu keiner direkten
Erhöhung der Leistungsdaten der Kälteanlage, sondern zu einer besseren Nutzbarkeit
der abgeführten Wärme. Bei bestimmten Betriebsbedingungen, insbesonders bei großen
Unterschieden von Kondensationstemperatur im Verflüssiger 2 zu Verdampfungstemperatur
im Verdampfer 4 ist es sinnvoll einen Wärmetauscher 25 mit Wärmeentnahme aus dem Verflüssiger
2 zur Erwärmung des Kondensates 19 vor Eintritt in den Austreiber 7 einzusetzen. Dieser
Wärmetauscher 25 dient ebenso wie der Wärmetauscher 22 zur Energierückgewinnung und
senkt den in die Anlage einzubringenden Energiebedarf. Bei geringeren Temperaturunterschieden
ist zu beachten, daß weniger Dampf aus der Kompressoreinheit ausgekoppelt wird und
in weiterer Folge eine geringere Kondensatmenge durch Deflegmator 14 und Rektifikator
geleitet werden kann. Dadurch ergibt sich das Problem, daß durch die Kondensaterwärmung
25 die Rückkühlung im Deflegmator 14 sehr schlecht wird und der Gesamtprozeß durch
diese Maßnahme schlechter statt besser werden kann. Je nach Einsatzzweck kann es sinnvoll
sein, eine Anlagenvariante mit einem Wärmetauscher 35 im Austreiber 7 vorzusehen.
Dadurch ist ein Mischbetrieb mit mehr oder weniger Kompressorarbeit bei entsprechender
Wärmezufuhr möglich. Dies kann so weit gehen, daß die Anlage hauptsächlich mit Wärmeenergie
bei geringer oder gar keiner Kompressorarbeit betrieben werden kann.
[0025] Fig. 6 zeigt eine abgeänderte Variante der in Fig. 4 gezeigten Ausführung mit getrennten
Kompressoreinheiten, welche bezüglich der Betrachtung als Gesamtkompressoreinheit
jeweils mit 1 bezeichnet sind. Prozeßtechnisch wird mit der zweistufigen Kondensation
bei unterschiedlichen Druckstufen genau das selbe Ziel wie in Fig. 5 mit den damit
verbundnen, oben genannten Vorteilen verfolgt. Baulich gesehen ist kein Vorteil erkennbar
sondern durch die zusätzliche Pumpe 36 eher ein Mehraufwand gegeben. Diese Verschaltung
beruht grundsätzlich auf dem selben erfindungsgemäßen Prinzip, der Auskopplung von
Kältemitteldampf aus einer Kompressoreinheit und Weiterleitung an eine Absorbereinheit.
Die Absorbereinheit besteht in diesem Fall aus zwei Untereinheiten, 6 und 26, mit
jeweils einer Mischkammer und einem Kondensationswärmetauscher. Diese beiden Untereinheiten
sind in der Weise verschaltet, daß ein Teil des Kondensats 16, sowie der restliche
Dampf 23 aus der ersten Einheit 6 in die zweite Einheit 26 geleitet wird, wo die weitere
vollständige Verflüssigung stattfindet. Da zwischen den Absorberuntereinheiten 6 und
26 ein Druckunterschied vorliegt, ist ein Kompressor 1 und eine Pumpe 36 zwischengeschaltet.
[0026] Fig. 7 zeigt eine mögliche Ausführung eines Kondensationswärmetauschers 9. Im wesentlichen
wird das Ziel verfolgt, die Wärme bei möglichst hoher Temperatur an das Kühlmedium
abzugeben. Um dies zu erreichen, muß, um den Gleichgewichtszustand der Phasen sicherzustellen,
das Dampf/Kondensat- Gemisch während der Kondensation stets gut durchmischt sein,
und darf keinesfalls in eine vorhergehende Kondensationsstufe rückgemischt werden.
Wie allgemein üblich durchläuft das Dampf/Kondensat- Gemisch eine große Anzahl von
Böden wo es die Wärme an die Leitbleche 42 abgibt, welche diese Wärme an die Rohrbündel
43 mit dem Kühlmedium weiterleiten. Diese mit den Leitblechen verbundenen Rohrbündeleinheiten
43 samt Verteiler und Sammler sind üblicherweise in einem Druckbehälter 41 untergebracht.
Die Besonderheit dieses Wärmetauschers liegt darin, daß zwei unterschiedliche Kühlmedien
durch separate Rohrbündeleinheiten 43 mit den entsprechenden Verteiler und Sammlereinheiten
44, 45 durchgeleitet werden. Während das Kühlmedium aus der Wärmeschiene einen geschlossenen
Kreislauf durchläuft und über den Auslaßstutzen 47 den Druckbehälter wieder verläßt
geht das zweite Medium, ein Kondensat aus dem Austreiber mit hoher Konzentration an
Absorbermittel, in die direkt darüber liegende Mischkammer 8. Dieses Kondensat aus
Kälte- und Absorbermittel dient für den Kondensationsprozeß als Kühlmedium, wobei
durch die Erwärmung eine höhere Energie in die Mischkammer 8 eingebracht wird. Da
die Wärmeabgabe nun im Naßdampfgebiet bei einem höheren Energiezustand beginnt muß
zur vollständigen Verflüssigung mehr Wärme entzogen werden, wobei die Temperatur bei
Kondensationsbeginn höher ist. Die Wärmemenge die tatsächlich nach außen geht bleibt
laut Energiebilanz unverändert , da die zusätzliche Kondensationswärme über das Kondensat
zurück in die Mischkammer 8 gebracht wird. Der eigentliche Vorteil dieser erfindungsgemäßen
Verschaltung liegt darin, daß das Kühlmedium aus der Wärmeschiene auf eine höhere
Austrittstemperatur gebracht werden kann.
[0027] Fig. 8 zeigt ein Diagramm mit dem Wärmeverlauf von Kondensat und Kühlmittel. Dabei
wird ein Wärmetauscher ohne die erfindungsgemäße Kondensatvorwärmung mit der Temperatur
b' zu Kondensationsbeginn und einer mit der entsprechenden Verschaltung mit der Temperatur
b zu Kondensationsbeginn betrachtet. Wie man sieht kann durch die besondere Verschaltung
die Kühlmittelaustrittstemperatur von d' auf d angehoben werden.
[0028] Fig. 9 zeigt die mögliche Ausführung eines Wärmetauschers zur Verdampfung von Zweioder
Mehrstoffgemischen, wobei die Konzentrations- und die damit verbundenen Temperaturänderungen
während der Verdampfung gezielt genutzt werden um die Wärmezufuhr bei möglichst niedrigen
Temperaturen bewerkstelligen zu können. Im wesentlichen geht es bei der Verdampfung
darum, den ausgeschiedenen Dampf nicht in das Kondensat einer vorhergehenden Verdampfungsstufe
durchgehen zu lassen. Dies wird dadurch erreicht, daß das Kondensat über eine Anordnung
von Böden 52 mit Kondensatauffangvorrichtungen 56 geleitet wird, wobei der Dampf am
Rand zur Behälterummantelung 51 ausströmt und sich in den Dampf der sich weiter unten
ausgeschieden hat dazumischt. Ein Rückfluß in weiter oben liegende Wärmetauscherkanäle
ist durch diese Anordnung nicht möglich. Die Wärmeabgabe an die Leitbleche 52 erfolgt
über Rohrbündel 53 mit Sammlerund Verteilereinheiten 54. Dieser, wie in Fig.9 gezeigte
Wärmetauscher eignet sich besonders für den Einsatz in Kälteanlagen mit Nutzung des
Absorptionsprinzips und ist an Stelle des üblicherweise eingebauten Kochers, ein Wärmetauscher
mit einer direkt im siedenden Kondensat liegenden Heizvorrichtung ohne entsprechende
Nutzung des Temperaturgefälles, im Austreiber 7 angeordnet.
[0029] Bei den in allen Figuren schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Merkmalen ist
darauf hinzuweisen, daß die einzelnen Bauteile sowie Zuleitungen in allen möglichen
verschiedenen, beim Stand der Technik bekannten Ausführungsvarianten gefertigt sein
können.
1. Kälteanlage -, betrieben mit einem Zwei- oder Mehrstoffgemisch, mit mindestens einer
Kompressoreinheit (1) , mindestens einem Verflüssiger (2), mindestens einem Verdampfer
(4), mindestens einer Absorbereinheit (6), vorzugsweise unterteilt in Mischkammer
(8) und Kondensationseinheit (9), einem Austreiber (7), vorzugsweise bestehend aus
den drei Funktionseinheiten, Deflegmator (14), Rektifikator (13) und Mischkammer (12),
dadurch gekennzeichnet, daß aus der Kompressoreinheit (1) ein oder mehrere Teilströme (10, 23) von Dampf mit
hoher Kältemittelkonzentration bei einem Druck, der unter dem Hochdruckniveau der
Anlage liegt, abgezweigt werden und jeweils in ein oder mehrere Absorbereinheiten
(6, 26) geleitet werden, in denen eine Beimischung von Absorbermittel und eine Verflüssigung
stattfindet, und daß der von der Kompressoreinheit (1) auf Hochdruck komprimierte
Dampfstrom (11) in den Austreiber (7) geleitet wird, in welchem eine Trennung von
Kälte- und Absorbermittel in der Weise stattfindet, daß ein aus dem Austreiber (7)
annähernd reiner Kältemitteldampf (21) im Sattdampfzustand austritt.
2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Teilströme (10, 23) aus der Kompressoreinheit (1) vor Hochdruck bei jeweils
unterschiedlichem Druck abgeführt werden und in getrennte Absorbereinheiten (6, 26),
in denen jeweils eine Anreicherung von Absorbermittel und eine vollständige Verflüssigung
stattfindet, geleitet werden.
3. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensat in die Kompressoreinheit (1) geleitet wird und dort dem überhitzten
Dampf beigemischt wird.
4. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat (34), welches dem Austreiber (7) nach Austritt aus dem Rektifikator
(13) entnommen wird dem überhitzten Dampf zur Beimischung innerhalb der Kompressoreinheit
(1) dient.
5. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kältemitteldampf (30) in einem Dampfwärmetauscher (5) Kondensat, welches vorzugsweise
der Absorbereinheit (6) entnommen wird, beigemischt wird.
6. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beimischung von Kondensat (27) mit dem Kältemitteldampf (30) im Dampfwärmetauscher
(5) während der Wärmeaufnahme kontinuierlich erfolgt.
7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Verdampfer (4) eine geringe Menge an Kondensat (24) abgezapft wird.
8. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat (20) aus der Austreibereinheit (7) in der Absorbereinheit (6), vorzugsweise
in den Absorbereinheiten (6, 26) vor Eintritt in die Mischkammern (8) in den Kondensationswärmetauschern
(9) erwärmt wird.
9. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der im Verflüssiger (2) abzuführenden Wärme über einen Wärmetauscher (25)
an das Kondensat (19), welches in den Deflegmator (14) eingeleitet wird, abgegeben
wird.
10. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Austreibereinheit (7), in der eine Trennung von Kälte- und Absorbermittel
stattfindet, zusätzlich ein Wärmetauscher (35) zur Wärmezufuhr von außen angeordnet
ist.