KÜHLANLAGE NACH DEM SORPTIONSPRINZIP UND VERFAHREN ZU DEREN BETRIEB

Technisches Umfeld

[001] Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage nach dem Absorptionsprinzip mit einem Absorptionskreis, in dem eine Pumpe ein wäßriges Absorptionsfluid zwischen einem Absorber, in dem es Wasserdampf aufnimmt, und einem Austreiber, in dem Wasser als Dampf wieder ausgetrieben wird, umwälzt, und mit einem Sammler, in dem der Dampf wieder zur Kondensation gebracht wird.

[002] Solche Anlagen, zum Beispiel mit einer LiBr-SoIe, sind aus der Druckschrift DE 44

15 199 Al bekannt. Sollen Temperaturen unter 0 ⁰ C erzielt werden, dann verwendete man bisher Kältemittel, zum Beispiel das giftige Ammoniak, die im Betrieb und bei der Entsorgung Probleme bereiten. Zudem würde man für die Kondensation der niedrig siedenden Komponente des Fluids in dem dem Verdampfer nachgeordneten Sammler eine kostengünstige Wärmesenke ausreichend niedriger Temperatur benötigen, die nicht immer und überall zur Verfügung steht. Offenbarung der Erfindung

[003] Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Kühlanlage anzugeben, mit der eine

Kühlfluid-Temperatur deutlich unter 0°C erreichbar ist und die doch eine wäßrige Lösung zu verwenden erlaubt, die bei der Entsorgung keine Probleme hervorruft. Außerdem soll auf eine hohe Leistungszahl (COP coefficient of power) und einen geringen Aufwand an Apparaten sowie an Fremdenergie Wert gelegt werden.

[004] Diese Aufgabe wird durch die Kühlanlage gemäß dem beiliegenden Hauptänspruch gelöst. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie der bevorzugten Mittel zum Betrieb der Anlage wird auf die abhängigen Ansprüche verwiesen.

[005] Die erfindungsgemäße Kühlanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlfluid eine wäßrige Lösung verwendet wird, die sich in einem Verdampfer befindet, der über eine Dampfleitung mit einem Dampfraum des Absorbers in Verbindung steht und aus dem Sammler mit Kondensat gespeist wird, und daß der Austreiber mit einer mechanischen Brüdenverdich- tungspumpe zusammenwirkt sowie eine in das Absorptionsfluid eingetauchte Kondensationsschlange aufweist, die eingangsseitig mit einem Druckauslaß der Brüdenverdichtungspumpe und ausgangsseitig mit dem Sammler verbunden ist.

[006] Diese Anlage ermöglicht eine Kühlung auf tiefe Temperaturen, die bisher mit einer wäßrigen Lösung als Kühlfluid nicht erreichbar schienen.

[007] In der Praxis kann ein Gasraum des Austreibers mit einer Vakuumpumpe verbindbar sein. Ferner kann der Verdampfer mit einem Rührwerk versehen sein, das im Betrieb die Bildung von kompaktem Eis verhindert und so die Verwendung einer wäßrigen Lösung zur Erreichung einer tiefen Temperatur ermöglicht.

[008] Außerdem kann bei einer praktischen Ausführungsform eine Pumpe in einer Kühl- fluidleitung zwischen dem Verdampfer und dem Sammler liegen, um dem Sammler Kühlfluid zuzuführen. Auch der Sammler kann mit einem Rührwerk versehen sein.

[009] Die Kühlanlage kann bei einer Ausführungsvariante einen weiteren Absorp- tionskreis als Tiefkühlstufe aufweisen. In dem weiteren Absorptionskreis wälzt eine Pumpe ein wäßriges Absorptionsfluid zwischen einem Absorber und einem Austreiber um. Dieser Absorber entzieht Dampf aus einem weiteren Verdampfer, dessen Kühlfluid in einem Verbraucherkreis zirkuliert. Bei dieser Variante kann der Dampfraum des Austreibers des weiteren Absorptionskreises mit dem Dampfraum des Absorbers des ersten Absorptionskreises verbunden sein., Der weitere Verdampfer kann ebenfalls mit einem Rührwerk versehen sein, um die Eisbildung zu vermeiden.

[010] Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zum Betrieb der zuvor beschriebenen

Kühlanlage. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß dem Kühlfluid mindestens ein Stoff aus der Gruppe beigemischt ist, die Erdalkali- und Alkali- Halogenide, -Formiate, - Acetate, -Perchlorate und -Sulfate umfaßt.

[011] Dem Kühlfluid kann außer Wasser einen Stoff aus der Gruppe beigefügt werden, die Polyol, Polyethylenoxid und Polyether umfaßt. Ferner kann dem Kühlfluid mindestens ein Stoff aus der Gruppe zugesetzt wird, die Ethylenglykol, Butylenglykol, Polyether und Alkohole umfaßt.

[012] In der Praxis kann sich das Absorptionsfluid vom Kühlfluid lediglich durch seinen geringeren Wassergehalt unterscheiden.

[013] Ebenfalls ist ein Verfahren zum Betrieb der Kühlanlage mit weiterem Absorptionskreis betroffen, bei welchem dem wäßrigen Absorptionsfluid des weiteren Absorptionskreises ein den Gefrierpunkt erniedrigender Stoff zugesetzt wird. Kurze Beschreibung von Zeichnungen

[014] Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

[015] Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Kühlanlage gemäß der

Erfindung.

[016] Figur 2 zeigt eine zweistufige Kühlanlage, die aufbauend auf der Anlage gemäß

Figur 1 einen weiteren Absorptionskreis und einen Tiefkühlkreis besitzt.

[017] Die Anlage gemäß Figur 1 enthält einen Absorptionskreis, in dem im Betrieb eine

Pumpe 1 ein Absorptionsfluid von einem Sammelbehälter 2 in einen Austreiber 3

befördert. Der Austreiber wird durch eine Wärmequelle 4 erwärmt, die beispielsweise ein Sonnenkollektor ist und die niedrigsiedende Komponente des Absorptionsfluids, nämlich Wasser, verdampfen läßt. Dadurch wird der Wassergehalt des Fluids verringert. Das heiße Fluid wird dann über einen Kühler 5 einem Sprühabsorber 6 zugeführt, in den eine Dampfleitung 7 mündet, so daß an Wasser angereichertes Fluid sich am Boden des Sprühabsorbers sammelt. Der Auslaß des Sprühabsorbers 6 ist über einen Siphon 8 mit dem Sammelbehälter 2 verbunden, wodurch sich der Kreis für das Absorptionsfluid schließt. Der Siphon 8 hat die Aufgabe, den Gasraum des Sammelbehälters 2 von dem des Sprühabsorbers unter allen Betriebsbedingungen zu trennen, was natürlich auch ohne Siphon erreicht werden kann, wenn man den Sammelbehälter so positioniert, daß sein Gasraum in Höhe des Gasraums des Sprühabsorbers liegt.

[018] Der Austreiber 3 ist mit einer Brüdenverdichtungspumpe 9 versehen, die den im

Gasraum des Austreibers sich bildenden Wasserdampf absaugt und verdichtet in eine im unteren Bereich des Austreibers liegende Kühlschlange 10 einspeist. Durch die Verdichtung und den Kühleffekt der Schlange kondensiert der Wasserdampf und fließt dann in einen Sammler 11, der von einer schematisch angedeuteten Wärmesenke 12 gekühlt wird. Die Brüdenverdichtungspumpe ist vorzugsweise eine Verdrängungspumpe mit Voreinlaßkühlung, das heißt mit einem zusätzlichen Einlaß für den verdichteten und abgekühlten Dampf in die Pumpenkammer, kurz ehe sich diese zum Auslaß hin öffnet. Dadurch wird die Pumpe entlastet und die Pumpleistung erhöht.

[019] Der Sammler 11 empfängt zwar Wasser vom Austreiber, wird aber zusätzlich über eine Pumpe 13 mit dem eigentlichen Kühlfluid beschickt, das aus Wasser und einer Beimischung von Erdalkali- oder Alkali-Halogeniden, -Formiaten, -Acetaten, - Perchloraten oder -Sulfaten besteht, beispielsweise Kaliumformiat KCOOH. Das Absorptionsfluid im Austreiber kann ebenfalls eine dieser Beimischungen enthalten, jedoch braucht dies nicht unbedingt derselbe Stoff zu sein. In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheiden sich die Fluide im Austreiber 3 und im Sammler 11 nur durch die Konzentration der wäßrigen Lösung, die beim Kühlfluid im Sammler 11 geringer ist. Die Zufuhr des Kondensats zum Sammler 11 führt dort aufgrund der Lösungswärme zu einer Temperaturerhöhung, so daß die Kühlung mit Hilfe der Senke 12 bei gegebener Temperatur wirkungsvoller erfolgt. Ein Rührwerk im Sammler 11, das in der Figur angedeutet ist, verbessert den Mischeffekt und vergleichmäßigt so die Wärmeentwicklung .

[020] Das Kühlfluid kommt aus einem Verdampfer 14, welcher ebenfalls ein Rührwerk

15 besitzen kann und über die oben erwähnte Dampfleitung 7 seinen Dampf dem Sprühabsorber 6 anbietet. Damit ergibt sich ein Kreislauf für das aus dem Verdampfer 14 verdampfende Wasser über den Sprühabsorber 6 (Absorption von Wasserdampf), den Sammelbehälter 2, den Austreiber 3 (Desorption) und den Sammler 11 zurück zum

Verdampfer 14. Die Förderleistung der Pumpe 13 wird so eingestellt, daß sich der Sammler 11 nie vollständig entleert. Über ein Ventil 17 in einer Verbindungsleitung 18 zwischen dem Sammler 11 und dem Verdampfer 14 kann der Fluidpegel und damit auch die Temperatur im Sammler 11 abgesenkt werden, beispielsweise wenn die Senke 12 die gewünschte Temperatur alleine nicht schafft.

[021] Die Konzentration des Absorberfluids im Austreiber 3 wird mit einer Sonde 16 am

Eingang des Sprühabsorbers 6 gemessen und durch Steuerung der Pumpe 1 auf einen gewünschten Wert nachgeregelt: So lange die Pumpe 1 ausgeschaltet ist, steigt die Konzentration im Austreiber.

[022] Schließlich ist noch eine Vakuumpumpe 19 vorhanden, die Permanentgase bei Inbetriebnahme aus den verschiedenen Gasräumen, nämlich dem Austreiber 3, dem Absorber 6, den Sammlern 2 und 11 und dem Verdampfer 14 absaugt.

[023] Um zu verhindern, daß sich im Kühlfluid Eis bildet, setzt man dem Kühlfluid ein den Gefrierpunkt herabsetzendes Mittel zu, das ausgewählt wird unter Ethylenglykol, Butylenglykol, Polyethern oder Alkoholen.

[024] Man kann auch bewußt einen Eisschlamm erzeugen, indem man eine Teil-

Kristallisation zuläßt, bis zu einem Eisanteil von etwa 30%. Dann wird das Rührwerk 15 eingeschaltet. Jenseits von einem 30%-igen Anteil an Eis, das sich wegen seiner geringeren Dichte gegenüber Wasser an der Oberfläche zusammendrängt, nimmt die Verdampfungsrate im Verdampfer deutlich ab und die Temperatur somit zu. Ein Eisschlamm ist günstig für eine isothermische Kühlung, da die Temperatur konstant bleibt, so lange die Schmelzenthalpie noch wirkt. Weiter kann man zur homogeneren Verteilung von Eiskristallen und zur verbesserten Umwälzbarkeit des Kühlfluids Polyol, Polyethylenoxid oder Polyether dem Kühlfluid zusetzen.

[025] Der Nutzkreislauf des Kühlfluids besteht aus einer Umwälzpumpe 20 und dem

Wärmetauscher 21 mit dem (nicht dargestellten) Kühlgut. Zu diesem sind noch weitere Kühler parallelgeschaltet, nämlich der bereits erwähnte Kühler 5 am Einlaß in den Sprühabsorber und ein Kühler 22 in der Rückleitung 18 vom Sammler 11 zum Verdampfer 14.

[026] Verwendet man als Absorptionsfluid eine wäßrige Lösung von Lithiumchlorid LiCI mit einer Konzentration von 40%, dann kann die Temperatur dieses Fluids hinter dem Kühler 5 bei einem Dampfdruck von 1 mbar 20 ⁰ C, bei einem Dampfdruck von 0,6 mbar 10°C und bei einem Dampfdruck von 0,3 mbar noch 0 ⁰ C betragen, ohne daß eine Salzkristallisation der Sole auftritt.

[027] Wird im Verdampfer 14 eine KCOOH-Lösung verwendet, dann ergeben sich folgende Temperaturen mit entsprechenden Dampfdrücken bei verschiedenen Konzentrationen von Kaliumformiat KCOOH:

[028] Für eine Konzentration von 28% (Dampfdruck p=l,0 mbar) ergibt sich bei -20 ⁰ C

noch keine Eiskristallisation.

[029] Für eine Konzentration von 55% (Dampfdruck p=0,6 mbar) ergibt sich bei -20°C noch keine Kristallisation.

[030] Für eine Konzentration von 46% (Dampfdruck p=0,3 mbar) ergibt sich bei -32 ⁰ C noch keine Kristallisation.

[031] Für eine Konzentration von 30% (Dampfdruck p=0,3 mbar) beginnt bei -23 ⁰ C die

Kristallisation.

[032] Für eine Konzentration von 39% (Dampfdruck p=0,2 mbar) beginnt bei -35°C die

Kristallisation.

[033] Im Bereich von 0 bis 28% KCOOH-Konzentration kann die Kristallisationstemperatur, bei der sich eine Eissuspension bildet, zwischen 0 ⁰ C und -30 ⁰ C eingestellt werden. Die Dampfdruckdepression im Vergleich zu Wasser beziehungsweise Eis ist in diesem Bereich nicht hoch.

[034] Die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt abgesehen vom Antrieb der Pumpen, und Rührwerke nur preiswerte Wärmeenergie, insbesondere für den Austreiber. Außer einer hohen Leistungszahl zeichnet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch durch einen geringen Apparateaufwand aus, verglichen zum Beispiel mit einer Vorrichtung zum Abschaben von Eis von einer mit Wasser besprühten Kühlwand.

[035] Die Anlage gemäß Figur 2 unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der oben anhand von Figur 1 beschriebenen Anlage, was durch gleiche Bezugszeichen für gleichartige Elemente manifestiert wird. Hier wurde lediglich eine zusätzliche Tiefkühlstufe angefügt, so daß die Temperatur im Verdampfer 14 über 0 ⁰ C liegen kann. Diese zusätzliche Stufe verwendet als Absorptionsfluid eine wäßrige Kaliumfor- miatlösung, die als Gefrierschutzmittel wirkt. Die Lösung nimmt in einem weiteren Sprühabsorber 23 Dampf auf. Letzterer liefert die so angereicherte Lösung über eine Umwälzpumpe 32 an einen Austreiber 24, der von einer Wärmequelle 25 beheizt wird und dessen Dampfraum über die Leitung 7 mit dem Dampfraum des Sprühabsorbers 6 in Verbindung steht. Der Kreis für die Kaliumformiatlösung schließt sich über einen Kühler 26, von dem gekühltes, abgereichertes Tiefkühlfluid zu den Sprühköpfen des Sprühabsorbers 23 gelangt. Der Wasserverlust im Verdampfer 27 kann über ein Ventil 31 aus dem Verdampfer 14 und durch Rückführung von Kühlfluid aus dem Verdampfer 27 mit Hilfe einer Pumpe 33 in den Sammler 11 ausgeglichen werden.

[036] Die Vakuumpumpe 19 zur Entfernung von Permanentgasen bei Betriebsbeginn erfüllt in dieser Anlage zusätzlich die gleiche Aufgabe in den Gasräumen des weiteren Sprühabsorbers 23, des weiteren Austreibers 24 und des weiteren Verdampfers 27.

[037] Aufgabe des Sprühabsorbers 23 ist der Entzug von Wasserdampf aus einem mit einem Rührwerk 28 versehenen Verdampfer 27, dessen wäßrige KCOOH-Lösung von einer Pumpe 29 zu einem Verbraucher- Wärmetauscher 30 befördert wird.

[038] Zusätzlich zu den beiden Kreisen mit dem Absorptionsfluid und dem Kühlfluid gemäß Figur 1 gibt es also hier noch eine zweite Stufe mit einem Absorptions- und einem Tiefkühlfluidkreis. Das Absorptionsfluid ist wieder eine wäßrige Lösung von KCOOH, und auch das Kühlfluid im Verdampfer 14 ist wie bisher KCOOH, jedoch liegt in einer bevorzugten Betriebsform die Vorlauftemperatur des Verbraucher- Wärmetauschers 21 der ersten Stufe nur bei -10°C ohne Nutzung der Schmelzenthalpie einer Eissuspension. Falls kein Bedarf für eine Kühlung in diesem Temperaturbereich vorliegt, kann der Verbraucher-Wärmetauscher 21 entfallen. Bei einer KCOOH- Konzentration von 63% und einer Temperatur von -1O ⁰ C im Verdampfer 14 hat dieses Fluid einen Dampfdruck von 1 ,0 mbar. Bei dieser Temperatur kann auch der Kühler 26 am Einlaß in den Absorber 23 aus dem Absorberfluid im Verdampfer 14 gespeist werden.

[039] Das Tiefkühlfluid soll am Ausgang des Verdampfers 27 eine Temperatur von -32

°C erreichen. Eine wäßrige KCOOH-Lösung einer Konzentration von 34% kann bei , dieser Temperatur eine Fluid/Eissuspension bilden, welche die Schmelzenthalpie von Eis für den Verbraucher- Wärmetauscher nützt. Die Wärmekapazität dieses Fluids ohne Eis beträgt bei einer Temperaturdifferenz von 10 Grad 41,8 kJ/kg. Eine solche Suspension hat bei isothermischer Kühlung eine Wärmekapazität von etwa 100 kJ/kg. Toleriert man eine Erwärmung um 10 Grad, dann erreicht man eine Wärmekapazität von sogar 140 kJ/kg.

[040] Um eine Temperatur von -34°C im Verdampfer 27 zu erreichen, müßte die in den

Absorber 23 eingespritzte KCOOH-Lösung eine Konzentration von 77% aufweisen. Allerdings kristallisiert bei -10 ⁰ C das Formiat aus. Hier kann man entweder mit einer Ultraschallvorrichtung die Formiatkristalle in Suspension halten oder aber einen Teilstrom des Tiefkühlfluids von der Pumpe 29 zum Kühler 26 leiten, um die Temperatur der in den Sprühabsorber 23 eingespritzten Lösung auf -2O ⁰ C zu bringen. Man arbeitet dann mit einer Formiat- Konzentration von 71%, die bei -20 ⁰ C einen Dampfdruck von 0,3 mbar hat. Die Fluid/Eissuspension mit 34% Konzentration hat bei diesen Bedingungen einen Dampfdruck von 0,33 mbar.

[041] Bei der Kühlanlage gemäß Figur 2 ergibt sich eine wesentlich höhere Leistungszahl bei gleicher Endtemperatur als bei der Kühlanlage gemäß Figur 1. Es wäre auch möglich, dieses Kaskadenprinzip auf mehr als zwei Stufen zu erweitern.

[042] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen in allen Details beschränkt, sondern umfaßt im Rahmen des Hauptanspruchs zahlreiche Varianten, von denen einige oben angedeutet wurden.