[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Diffusionsabsorptionsanlage
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Diffusionsabsorptionsanlagen sind als Kleinkälteanlagen zur Verwendung in Haushaltskühlschränken
seit langem bekannt. Sie können mit einer entsprechenden konstruktiven Gestaltung
auch als Wärmepumpen zu Heiz- oder Kühlzwecken eingesetzt werden. In diesen Anlagen
wird das Kältemittel Ammoniak (NH
3) und Wasser als Stoffpaar eingesetzt. Dabei stellt das Wasser als Lösungsmittel den
absorbierenden Stoff dar, wobei als druckausgleichendes Trägergas in der Regel Wasserstoff
oder Helium verwendet wird. Als Arbeitsmedium im Kreisprozess setzt sich das Ammoniak-Wasser-Gemisch
bei Wärmezufuhr durch Temperatur- und Konzentrationsunterschiede in Bewegung.
Die Wärmezufuhr erfolgt in einem Kocher, welcher beispielsweise nach der EP 0 419
606 B1 aus einzelnen kreisförmig angeordneten, vertikalen Kocherrohren besteht. Durch
Sieden werden Gasblasen aus der NH
3-reichen Lösung ausgetrieben. Der Wasseranteil in diesem Gasstrom wird im Rektifikator
abgeschieden bzw. zurückgeführt, so dass fast nur NH
3-Dampf zum Kondensator strömt. Dabei muss die Gasblasenpumpe so ausgebildet sein,
dass sie die Flüssigkeit auf eine erhebliche Höhe pumpt, um die nötige Antriebskraft
zu erzeugen. Der hochreine Ammoniakdampf kondensiert und gibt dabei die Kondensationswärme
an das Heizungswasser ab. Anschließend strömt das flüssige Ammoniak nach unten in
den Verdampfer. In der Helium-Ammoniak-Atmosphäre verdampft das Ammoniak unter Aufnahme
von Umgebungsenergie. Danach gelangt das Gasgemisch durch einen Gas-Gas-Wärmetauscher
und strömt zum Absorber, wo das gasförmige Ammoniak von der NH
3-armen Ammoniak-Wasser-Lösung absorbiert wird und die Absorptionswärme an das Heizungswasser
abgibt, bevor der geräuschfreie Prozess wieder neu beginnt.
[0002] Als Wärmequelle für den Prozess kommt zum Beispiel das Erdreich oder die Umgebungsluft
in Betracht. Dazu wird ein sogenannter Kollektor über einen Solekreislauf an den Verdampfer
der Wärmepumpenanlage angebunden, wo dem Wasser-Glycol-Gemisch die Wärme entzogen
wird.
Weiterhin ist von Diffusionsabsorptionsanlagen bekannt, Druckentlastungs- und Temperaturbegrenzungseinrichtungen
vorzusehen oder einen festen Betriebspunkt mit einer Sicherheits- bzw. Endabschaltung
entsprechend einzugrenzen. Aus diesen bekannten Maßnahmen lässt sich jedoch nicht
auf die Funktionsfähigkeit von einzelnen Bauteilen oder eine mögliche Leckage schließen.
Nur wenn reines Helium vorhanden ist, kann beispielsweise der Verdampfungsprozess
richtig ablaufen. Bei einer Leckage würde die Funktion des Verdampfers stark abnehmen
und die Kühlleistung negativ beeinflussen. Außerdem würde sich bei relativ großem
Helium-Mangel der Verdampfer und die Sole erwärmen statt abkühlen. Weil die vorbestimmten
Sicherheitskriterien im Falle einer Leckage nicht sofort überschritten werden, können
diese Mängel bei bekannten Diffusionsabsorptionsanlagen möglicherweise nicht erkannt
werden. Ein Betrieb mit einen schlechten Wirkungsgrad, beispielsweise bis zur nächsten
Wartung, wäre dann die Folge.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage
zu optimieren und dabei insbesondere mögliche Leckagen in funktionswichtigen Kreisläufen
frühzeitig zu erkennen.
[0004] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Gekennzeichnet ist die Erfindung dadurch, dass beim Start des Gasbrenners und/oder
während des Betriebes die Funktion des Kochers und/oder des Verdampfers überprüft
wird. Dies erfolgt durch einen Vergleich von wesentlichen Betriebswerten, welche für
die Leistung der Bauteile charakteristisch sind, mit vorgegebenen Sollwerten. Wenn
mindestens ein Sollwert nicht erreicht wird, kommt es zu einer Sicherheitsabschaltung
durch den Feuerungsautomaten. Für die Leistung bzw. korrekte Funktion der Bauteile
charakteristisch ist insbesondere die Zeitdauer bis zum Erreichen einer vorgegebenen
Temperatur am Kocher. Diese wird erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert für die
Zeitdauer verglichen. Die Diffusionsabsorptionsanlage wird vom Feuerungsautomaten
verriegelt, wenn die vorgegebene Temperatur nicht erreicht und/oder der vorgegebene
Sollwert für die Zeitdauer überschritten wird. Vorzugsweise liegt die vorgegebene
Temperatur am Kocher etwa 5-30 Prozent unter dem Siedepunkt das Kälte- bzw. Lösungsmittels
und wird im oberen Bereich des Kochers gemessen.
Wenige Minuten nach dem Erreichen der vorgegebenen Temperatur am Kocher wird bei jedem
Start die Pumpe im Solekreislauf zu einer externen Wärmequelle eingeschaltet. Beim
Start der Pumpe wird die Temperatur der Sole am Austritt aus dem Verdampfer gemessen.
Diese wird dann mit einem nach einer vorgegebenen Zeitdauer gemessenen Wert für die
Temperatur der Sole verglichen. Dabei verriegelt der Feuerungsautomat die Diffusionsabsorptionsanlage,
wenn die nach der vorgegebenen Zeitdauer gemessene Temperatur nicht um einen vorgegebenen
Differenzbetrag niedriger als die beim Start der Pumpe gemessene Temperatur im Solekreislauf
ist. Vorzugsweise beträgt die vorgegebene Zeitdauer bis zu 15 Minuten und ist kann
bei Bedarf für die einzelnen Verfahrensschritte unterschiedlich sein. Der vorgegebene
Differenzbetrag zwischen der Temperatur der Sole beim Start und nach der vorgegebenen
Zeitdauer ist auf mindestens 1 °C festgelegt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Betrieb einer Diffusionsabsorptionsanlage
optimiert, weil mögliche Leckagen in funktionswichtigen Kreisläufen frühzeitig erkannt
werden. Ausgenutzt wird der Effekt, dass der Siedepunkt des im Kocher erhitzten Ammoniak-Wasser-Gemisches
in der optimalen Konzentration bekannt ist. Im Falle einer Leckage würde sich die
Konzentration im System ändern und der Siedepunkt abfallen. Der vorgegebene Temperaturschwellwert,
der vorzugsweise 5-30 Prozent unter dem Siedepunkt des Kälte- bzw. Lösungsmittels
liegt, kann dann im Kocher nicht erreicht werden. Daher ist mit der vorgeschlagenen
Überprüfung des Temperaturanstiegs bei jedem Start des Gasbrenners eine schnelle und
einfache Detektion von Leckagen im Ammoniak-Wasser-Kreislauf sichergestellt.
Genauso kann der Verdampfungsprozess nur richtig ablaufen, wenn reines Helium im Kreislauf
vorhanden ist. Durch den Vergleich der Temperatur im Solekreislauf am Austritt aus
dem Verdampfer erfolgt daher eine sichere Überprüfung der Verdampferleistung und -funktion
bzw. schnelle Detektion von Helium-Verlusten.
[0005] Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer
einzigen Figur eine Anordnung zur Regelung einer Diffusionsabsorptionsanlage.
[0006] Die Diffusionsabsorptionsanlage besteht im Wesentlichen aus einem Kocher 1, in dem
ein Ammoniak-Wasser-Gemisch von einem Gasbrenner 2 beheizt wird, einem Feuerungsautomaten
3 sowie einem Verdampfer 4, der über einen Solekreislauf 5 an eine externe Wärmequelle
6 angeschlossen ist.
Über die Messstelle 7 wird die Zeitdauer bis zum Erreichen einer vorgegebenen Temperatur
des Kochers 1 im oberen Bereich bei jedem Start des Gasbrenners 2 erfasst und im Feuerungsautomaten
3 mit einem vorgegebenen Sollwert für die Zeitdauer verglichen. Parallel dazu dienen
die Messstellen 8 und/oder 8' im Solekreislauf 5 zur Überwachung der Temperatur der
Sole am Austritt aus dem Verdampfer 4. Beim jedem Start der Pumpe im Solekreislauf
5, welcher verzögert zum Start des Gasbrenners erfolgt, wird die Temperatur gemessen
und im Feuerungsautomaten 3 mit einem nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer gemessenen
Temperaturwert der Sole verglichen. Werden die vorgegebenen Kriterien nicht erfüllt,
so verriegelt der Feuerungsautomat 3 die Diffusionsabsorptionsanlage.
1. Verfahren zur Regelung einer Diffusionsabsorptionsanlage, mit Anschluss an einen Heiz-
oder Kühlkreislauf, mit einem Kälte- bzw. Lösungsmittelkreislauf, einem Solekreislauf
zu einer externen Wärmequelle, einem Kocher mit einem Gasbrenner, einem Absorber,
einem Rektifikator, einem Verdampfer, einem Gas-Gas-Wärmetauscher, einem Kondensator
sowie einem Feuerungsautomaten,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Start des Gasbrenners (2) und/oder während des Betriebes die Funktion des Kochers
(1) und/oder des Verdampfers (4) durch einen Vergleich von wesentlichen, für die Leistung
der Bauteile charakteristischen Betriebswerten mit vorgegebenen Sollwerten überprüft
wird, und dass eine Sicherheitsabschaltung erfolgt, wenn mindestens ein Sollwert nicht
erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Start des Gasbrenners (2) die Zeitdauer bis zum Erreichen einer vorgegebenen
Temperatur am Kocher (1) erfasst und mit einem vorgegebenen Sollwert für die Zeitdauer
verglichen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerungsautomat (3) die Diffusionsabsorptionsanlage verriegelt, wenn die vorgegebene
Temperatur am Kocher (1) nicht erreicht und/oder der vorgegebene Sollwert für die
Zeitdauer überschritten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur am Kocher (1) vorzugsweise um einen Betrag von etwa 5-30
Prozent unter dem Siedepunktes das Kälte- bzw. Lösungsmittels liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur am Kocher (1) vorzugsweise in dessen oberen Bereich gemessen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Start die Pumpe im Solekreislauf (5) zu einer externen Wärmequelle (6),
wenige Minuten nachdem die vorgegebene Temperatur am Kocher (1) erreicht ist, eingeschaltet
wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Start der Pumpe im Solekreislauf (5) die Temperatur der Sole am Austritt aus
dem Verdampfer (4) gemessen und mit einem nach einer vorgegebenen Zeitdauer gemessenen
Wert für die Temperatur der Sole verglichen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der Feuerungsautomat (3) die Diffusionsabsorptionsanlage verriegelt, wenn die nach
Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer gemessene Temperatur nicht um einen vorgegebenen
Differenzbetrag niedriger als die beim Start der Pumpe gemessene Temperatur im Solekreislauf
(5) ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitdauer vorzugsweise bis zu 15 Minuten beträgt und/oder wahlweise
für die einzelnen Verfahrensschritte unterschiedlich ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Differenzbetrag zwischen der Temperatur der Sole beim Start und nach
Ablauf der vorgegebenen Zeitdauer vorzugsweise auf mindestens 1 °C festgelegt ist.