Kontinuierlich arbeitende Absorptionskältemaschine. Die Erfindung betrifft eine kontinuier lich arbeitende Absorptionskältemaschine, bei der das Absorptionsmittel eine aus einem oder mehreren wasserfreien unflüchtigen Salzen und dem flüssigen Kältemittel zu sammengesetzte Flüssigkeit ist. Gemäss der Erfindung beträgt der Temperaturunter schied zwischen dem Verdampfer für das Kältemittel und dem Absorber 40 C oder mehr.
Durch die Erfindung wird ein neuer Weg gezeigt, um Kälte tiefer Temperatur und Kälte bei hohen Kühlwassertemperatu ren mit hohem thermodynamischem Wir kungsgrad zu erzeugen, was bisher nur mit der Kompressionsmaschine möglich war. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, auch in den erwähnten Fällen Kälte unmit telbar aus Wärme zu erzeugen, ohne diese erst in mechanische Energie umwandeln zu müssen.
Bereits der Umstand, dass Wärmeenergie an vielen Orten leichter zu beschaffen ist als mechanische oder elektrische Energie, zeigt, wie wertvoll dieser neue -Weg ist.
Die Ursache für die Erhöhung des ther modynamischen Wirkungsgrades der vorlie genden Maschine lässt sich durch folgende Betrachtung erkennen: Beim Kälteprozess wird Wärme tiefer Temperatur, nämlich die gälte, auf die Temperaturstufe der Umwelt (Kühlwasser temperatur) gehoben. Diese Arbeitsleistung muss in irgend einer Form aufgebracht wer den. Beim Kompressionsverfahren wird sie als mechanische bezw. elektrische Energie, beim Absorptionsverfahren in Form von Wärme höherer Temperatur zugeführt.
Diese Wärme lässt man auf die Temperatur der Umwelt (Kühlwassertemperatur) absinken und gewinnt so, entsprechend dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre, die erforder liche Energie. Um nun eine bestimmte Wärmemenge um einen bestimmten Tempe raturbetrag zu heben, muss man beim Ab sorptionsverfahren theoretisch, ebenfalls entsprechend dem zweiten Hauptsatz, eine gleichgrosse Wärmemenge um etwa einen gleichen Temperaturbetrag absinken lassen. Will man also z. B. Wärme von -5 auf 20 heben, so wäre theoretisch nur ein Absinken von 45 auf 20 erforderlich.
In der Praxis ist nun aber die Über tragung der Wärme von einem Stoff auf den andern, wie es beim Absorptionsver fahren notwendig ist, an Temperaturdiffe renzen gebunden. Es muss einmal Wärme von hoher Temperatur auf die Lösung (Aus treiber), . dann. von dem erzeugten Dampf auf das Kühlwasser (Kondensator), sodann Wärme von tiefer Temperatur (Kälte leistung) an den Kälteträger, zum Beispiel Ammoniak (Ammoniakverdampfer) und fer ner die Absorptionswärme auf Kühlwasser (Absorber) übertragen werden. Rechnet man für jede Übertragung mit dem üblichen Wert von 10 , so verliert man 40'.
Hinzu kommt noch der durch den Konzentrations unterschied der armen und reichen Lösung bedingte Temperaturverlust (Unterschied der Austreibungstemperaturen bei' gleichem Druck). Dieser Verlust beträgt etwa 20, wenn derFlüssigkeitsumlauf zwischenAntrei- ber und Absorber nicht zu hoch werden soll.
Der thermodynamische Wirkungsgrad ist etwa proportional dem nutzbringenden Tem peraturgefälle zum insgesamt erforderlichen Gefälle, hier also 25 : (25 -f- 40 -I- 20) = 0,3, während er beim Kompressor unter den glei chen Verhältnissen 0,6 bis<B>0,7</B> beträgt.
Wird nun nach vorliegender Erfindung zum Beispiel Kälte tiefer Temperatur er zeugt, so wird der thermodynamische Wir- kungsgrad für den Absorptionsprozess gün stiger, denn die Temperaturverluste bleiben konstant und das nutzbringende Gefälle wird grösser, während der Wirkungsgrad der Kompressionskältemaschine ungünstiger wird.
Mit wachsendem Kompressionsver hältnis werden hier die Verluste grösser, die Kompressoren müssen schliesslich zwei- und dreistufig gebaut werden, und so ergibt sich bei der Erzeugung von Kälte von - 60 für den Absorptionsprozess ein Wert von 80 : 140 = 0,57 und für den Kompressions- prozess ein Wert von etwa 0,5.
Der Vergleich der thermodynamisehen Wirkungsgrade gibt aber für die 'irt- schaftlichkeit noch nicht das richtige Bild, wenn der Kompressor durch eine Wärme kraftmaschine, zum Beispiel eine Dampf maschine angetrieben wird. Man muss in diesem Falle auch den thermischen Wir kungsgrad des Gesamtprozesses betrachten, das heisst den Wärmeverbrauch beider Ver fahren vergleichen.
Beim Kompressionsverfahren wird aus Wärme mechanische bezw. elektrische Ener gie erzeugt. Der Wirkungsgrad bezogen auf Kohle einschliesslich aller Übertragungsver luste ist bereits hoch, wenn er 18 % beträgt. Der Gesamtwirkungsgrad für den Kompres- sionsprozess wird damit für wenig tiefe Temperaturen 0,18 X 0,7 = ca. 0,13, für tiefe Temperaturen 0,18 X 0,5 = 0,09.
Beim Absorptionsprozess fällt die Um wandlung der Energie fort. Die Wärme kann mit dem Wirkungsgrad ausgenutzt werden, der dem Carnotischen Wirkungs grad der Zuführungstemperatur entspricht. Verluste durch Unvollkommenheit des kraft erzeugenden Prozesses (Turbinenwirkungs grad, Generatorverluste usw.) fallen fort. Es ist gegenüber dem Carnotischen Wir kungsgrad lediglich ein Abschlag von etwa 20% für den unvollkommenen Wärmeaus tausch zwischen der reichen und armen Lö sung einzusetzen.
Für wenig tiefe Tempera turen (- 5 ) wäre die Zuführungstempera tur für das obige Beispiel (Kühlwasser temperatur + verbrauchtes Gefälle) = 20,' 25 + 40 -i- 20 =<B>105</B> , für tiefe Tem peratur (-60#'), 20'+80'+40'+2,0' -1,60'.
Der Carnotische Wirkungsgrad ist bei 20' Umwelttemperatur für
EMI0002.0055
Damit ergibt sich ein Gesamtwirkungs grad bei 20% Abschlag und den oben er- reehneten thermodynamischen Wirkungs graden für wenig tiefe Temperaturen (-5 ) - 0,22 X 0,8 X 0,3 = 0,05, für tiefe Tem peraturen (- 60-') = 0,32 X 0,8 X 0,54 = 0,15.
Dass diese Betrachtungen nicht nur theo retisch zutreffen, sondern auch praktisch zutreffen, zeigt das Ergebnis einer ausführ lichen Berechnung einer mit Lithiumnitrat- Ammoniaka.t als Absorptionsmittel arbeiten den Absorptionskältemaschine für Kälte von - 45 .
Diese Berechnung wurde auf Grund eingehender Laboratoriumsversuche über die physikalischen Eigenschaften und auf Grund von Versuchen mit einer Ver suchsanlage aufgestellt. , Als Absorptionsmittel für derartige Kältemaschinen dienen Flüssigkeiten, die aus wasserfreien, unflüchtigen Salzen, zum Beispiel überchlorsauren Salzen von Natrium und Lithium oder Lithiumnitrat und aus Ammoniak oder einem Amin bestehen. Diese Flüssigkeiten geben auch bei hohen Temperaturen von 200' und darüber nur reines Gas ab, da die Salze selbst unflüchtig sind und sich nicht zersetzen.
Die mit Am moniak gebildeten Flüssigkeiten bilden bei l atabs zum Teil erst bei über<B>100</B> feste Verbindungen.
Alle andern bisher bekannten Absorp tionsmittel weisen derartige Eigenschaften nicht auf. Verwendet man zum Beispiel Wasser, so verdampft das Wasser mit dem Kältemittel (meist Ammoniak) und man er hält im Ammoniakkondensator nicht reines Ammoniak, sondern Ammoniak mit Wasser. Dies tritt natürlich besonders dann in Er scheinung, wenn die Temperatur im Aus treiber \hoch ist, wie es bei der Erzeugung von Kälte tiefer Temperatur der Fall sein muss. Auch teure Rektifilmtionsapparate können diesen Übelstand nicht gänzlich be seitigen.
Man hat daher bereits vorgeschlagen, an Stelle des meist verwandten Wassers als Absorptionsflüssigkeit wä.ssrige Lösungen von Salzen, wie Calciumchlorid, Lithium- chlorid und andere zu verwenden, deren Siedepunkt höher als der des Wassers liegt.
Man erreicht damit zwar eine Verbesserung, aber auch hier kann das absorbierte Kälte mittel nicht rein abgegeben werden, da auch hochkonzentrierte Lösungen bei<B>80'</B> immer noch einen beträchtlichen Wasser dampfdruck besitzen und daher immer etwas Wasserdampf mit dem ausgetriebenen Kälte mittel mitgeht.<B>80'</B> ist wohl die geringste Temperatur, die zum Beispiel für das Aus treiben des Ammoniaks bei einer Absorp- tionskältemaschine in Betracht kommt; meist liegt sie sogar weit höher. Ausserdem greifen die Salzlösungen unlegiertes Eisen stark an, so dass die Verwendung teurer Spezialmaterialien erforderlich wird.
Auch die weiterhin vorgeschlagenen Kohlenwasserstoffe sind nicht geeignet, da sie ebenfalls einen zu geringen Siedepunkt besitzen und merkbar mitverdampfen. Ausserdem zersetzen sie sich bei längerem Gebrauch infolge der Einwirkung der Hitze und geben zu Verkrustungen an den Heiz flächen Anlass.
Zur Vermeidung dieser Nachteile hat man nun in neuerer Zeit für die Absorption von Ammoniak oder Aminen an Stelle von Wasser oder wässriger Lösungen feste Stoffe, wie aktive Kohle oder auch feste Salze, wie Calciumahlorid zu verwenden versucht. Man muss aber hierbei in Kauf nehmen, dass man die Maschinen nicht mehr kontinuierlich, sondern nur noch periodisch betreiben kann, da diese festen Stoffe nicht gepumpt werden können; auch muss man ausserordentlich grosse und besonders kon struierte Heizflächen einbauen, da sonst der Wärmeübergang von der Wand auf den festen Stoff schlecht ist.
Man kann diese Stoffe daher nur bei absatzweise arbeiten den Kleinkältemaschinen verwenden, wo der Wirkungsgrad der Anlage nicht von aus schlaggebender Bedeutung ist.
Unter den erwähnten festen, wasserfreien Salzen, die für die Absorption von Am moniak oder andern Kältemitteln in Be- tracht kommen, befinden sich auch einige, die bei Zimmertemperatur, wenn man ge nügend Kältemittel absorbieren lässt, mit dem Kältemittel eine flüssige Verbindung bilden. Diese Erscheinung ist bereits be kannt, man hat aber diese Flüssigkeiten bis her nicht in Betracht gezogen mit Aus nahme der flüssigen Verbindungen von Ammoniumnitrat und Ammoniumthiocyanat.
Diese Flüssigkeiten sind nun aber keines wegs für die vorliegende Kältemaschine ge eignet. Sie zersetzen sich bereits bei ca. 100 , sind vor allem explosiv und bilden bei bereits etwa <B>30'</B> und 1 atabs mit Ammoniak feste Verbindungen. Bei höheren Tempera turen, wie sie bei der Erzeugung von Kälte tieferer Temperatur auftreten, sind sie nicht brauchbar.
Gegenüber allen diesen bekannten Ab sorptionsmitteln besitzen die oben genannten Lithiumsalze und die Perchlorate eine Reihe bedeutender Vorteile. Da sie während des ganzen Prozesses flüssig sind und hierbei überhaupt nicht fest werden, so ist der Wärmeübergang beim Kühlen und beim Erhitzen dauernd gut; die Heizflächen wer den daher klein, und Sonderkonstruktionen, wie sie für feste Stoffe in Frage kommen, sind überflüssig.
Da ausserdem diese Flüssigkeiten auch. bei hohen Temperaturen nur reines Am moniakgas abgeben, so kann die Temperatur im Austreiber viel höher liegen als bei Ver wendung von wässrigen Lösungen. Hier durch ist es möglich, im Austreiber die Flüssigkeit so ammoniakarm zu machen,
dass auch bei hohen Absorbertemperaturen im Absorber noch Ammoniak aufgenommen wird. Man kann daher entweder die Heiz flächendifferenz im Absorber zwischen Ab sorptionsflüssigkeit und Kühlwasser sehr gross machen und so bei kleiner Absorber kühlfläche eine grosse Kälteleistung erzielen oder den Konzentrationsunterschied zwischen der ammoniakarmen und ammoniakreichen Flüssigkeit erhöhen und damit die umlau fenden Flüssigkeitsmengen und die Pumpen leistung vermindern oder auch den. Tempe- raturunterschied zwischen der erzeugten Kälte und dem
Kühlwasser vergrössern. Die genannten Absorptionsmittel eignen sich da her besonders für hohe Kühlwassertempera turen, wie es in den Tropen vorkommt, und in den Fällen, wo Kälte tiefer Temperatur verlangt wird, wie dies für verschiedene in dustrielle Zwecke erforderlich ist.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt ein Ausfüh rungsbeispiel einer Kältemaschine gemäss der Erfindung zum Erzeugen von Kälte tiefer Temperatur.
1 ist der Austreiber. Hier wird durch Wärmezufuhr aus der Absorptionsflüssig keit, zum Beispiel Lithiumnitratammoniakat, bei 12 atabs und<B>160'</B> Ammoniakdampf er zeugt. Die Beheizung erfolgt durch Wasser dampf in der Schlange 2; der Ammoniak dampf wird im Kondensator 3 an der wassergekühlten Schlange 4 niederschlagen. Das flüssige Ammoniak fliesst über das Drosselventil 5 in den Ammoniakverdampfer 6. Hier verdampft es bei Unterdruck, zum Beispiel bei 0,4 atabs bei - 50 und er zeugt Kälte. Eine durch die Schlange 7 fliessende Kältesole wird dementsprechend abgekühlt.
Der Ammoniakdampf strömt zum Absorber 8 und wird hier von flüssi gem Lithiumnitratammoniakat ebenfalls bei Unterdruck absorbiert. Die Affinität dieser Flüssigkeit zum Ammoniakdampf ist so gross, dass der Dampf bei einer Temperatur von + <B>30'</B> aufgenommen wird. Die Flüs sigkeit besitzt also infolge ihres hohen Salz gehaltes einen bedeutend niedrigeren Dampf druck als das Ammoniak bei einer um 40' tieferen Temperatur, das heisst bei -10 , bei welcher Temperatur der Dampfdruck des Ammoniaks immer noch 2,9 atabs beträgt. Die entstehende Wärme wird durch Schlange 9 auf Kühlwasser übertragen.
Die ammo- niakreiche Flüssigkeit wird durch Pumpe 10 durch den Temperaturwechsler 11 in den Austreiber 1 gepumpt. Hier wird der auf genommene Ammoniakdampf ausgetrieben und die ammoniakarme Flüssigkeit fliesst über die Leitung 14, den Temperaturwechs ler 11 und Drosselventil 12 dem Absorber 8 wieder zu.
Damit die ammoniakreiche Flüssigkeit im Temperaturwechsler 11 nicht zum Sieden kommt, kann noch das Drossel ventil 13 zwischen Temperaturwechsler 11 und Austreiber 1 eingeschaltet werden, so dass mittels dieses Drosselventils im Tempe raturwechsler 11 ein höherer Druck aufrecht erhalten werden kann als im Austreiber 1.
Infolge des höheren Druckes im Tempe raturwechsler 11 gelingt es, die ammoniak- reiche Flüssigkeit auf eine höhere Tempe ratur vorzuwärmen als dies bei Austreiber- druck ohne Drosselventil 13 möglich wäre. Wenn man den Temperaturwechsler 11 gross genug macht, kann man erreichen, dass die ammoniakreiche Flüssigkeit nahezu die Temperatur der ammoniakarmen Flüssigkeit im Austreiber 1 annimmt.
Dadurch wird der Wärmebedarf für den Austreiber 1 vermiu- dert und dies ist wichtig, weil infolge des grossen Temperaturunterschiedes zwischen dem Verdampfer 6 für das Kältemittel und dem Absorber 8 auch der Temperaturunter schied zwischen dem Absorber 8 und dem Austreiber 1 gross wird und infolgedessen zur Beheizung Dampf höherer Spannung verwendet werden muss, der teurer ist als der Abdampf für die übliche Absorptions- kältemaschine.
Die Anlage ist hier in einer einfachen Form dargestellt. Man kann zur Erhöhung der Leistung natürlich alle die Hilfsmittel anwenden, wie zum Beispiel Vorkühlung des flüssigen Ammoniaks und dergleichen mehr, wie sie für die mit Ammoniak und Wasser arbeitenden 31aschinen bekannt sind. Eben so kann man auch hier die bekannten Kon struktionen für den Austreiber und Absor ber anwenden. Rektifiziereinrichtungen, wie sie für den Verdampfer sonst notwendig sind, fallen allerdings gänzlich fort, was natürlich ein grosser Vorteil ist.
Wie man sieht, ist es ohne weiteres mög lich, mit Hilfe von Lithiumnitratammonia- kat Kälte von - 50 , bei Kühlwassertempe raturen von -r- 20 zu erzeugen. Ebenso ge lingt es auch, unter Anwendung der ent- sprechenden Drucke und Temperaturen, Kälte von - 20 bei einer Kühlwasser temperatur bis zu 40 zu erzeugen, wie dies in den Tropen erforderlich ist.
Dies alles bedeutet also eine wesentliche Verbesserung für das Absorptionsverfahren, der Betrieb wird wirtschaftlicher, und in vielen Fällen, wo bisher nur die Anwendung des Kom pressionsverfahrens in Frage kam, kann nunmehr die Absorptionsmaschine mit Er folg betrieben werden, und sogar mit besse rem wirtschaftlichen Wirkungsgrad als die Kompressionskältemaschine. Dies wird im mer dann der Fall sein, wenn als Betriebs kraft Dampf oder eine adere Wärmequelle zur Verfügung steht, da dann die Erzeu gung der für den Kompressor notwendigen mechanischen Energie fortfällt und die Wärme unmittelbar verwendet werden kann.
Verwendet man zum Betrieb der Kälte maschine Flüssigkeiten, wie zum Beispiel Zinkchloridammoniakat, so kann man die Temperatur im Absorber sogar so hoch stei gern, dass man diesen nicht mehr mit Kühl wasser zu kühlen braucht, sondern man kann mit Hilfe der freiwerdenden Wärme gespannten Wasserdampf erzeugen, der zur Energieerzeugung oder zur Beheizung aus genutzt werden kann. Man kommt so zu einer gleichzeitigen Erzeugung von Kälte und von gespanntem Wasserdampf. In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Kältemaschine dargestellt.
In dem Austreiber 1 befindet sich zum Bei spiel geschmolzenes Zinkchlorid-Diammonia- kat bei einer Temperatur von etwa 450 und einem Druck von 12 atabs. Dieses wird durch die Wärme der Feuerung 15 zum Teil in Zinkchlorid-Monammoniakat und Ammoniakdampf gespalten. Der Ammoniak dampf von 12 atabs Druck und 450' ge langt durch das Drosselventil 16 und den Temperaturwechsler 17, in dem er sich zum Beispiel auf etwa<B>50'</B> abkühlt, in den Kon densator 3. Durch die Kühlschlange 4 wird dem Ammoniakdampf hier Wärme ent zogen, so dass er kondensiert.
Das flüssige Ammoniak von etwa<B>30'</B> strömt darauf durch das Drosselventil 5 in den Verdampfer 6, wo es unter niedrigem Druck, zum Bei spiel '3 atabs, bei<B>-10'</B> wieder verdampft wird. Die hierfür erforderliche Wärme stellt die Kälteleistung der Anlage dar, und sie kann entweder der Wärme der Umge bung oder der Wärme einer die Heizschlange 7 durchströmenden, abzukühlenden Flüssig keit entnommen werden.
Je nach der ge wünschten Temperatur der Kälteleistung wird der Druck im Verdampfer 6 verschie den sein; je niedriger der Druck ist, umso tiefer ist die Temperatur der erzeugten Kälte. Der dem Verdampfer 6 entweichende Ammoniakdampf wird in dem Temperatur wechsler 17, entsprechend der vorherigen Abkühlung, wieder erwärmt (zum Beispiel bei einer Verdampfungstemperatur von -10 im Verdampfer 6 würde er auf 390 erwärmt werden) und wird sodann dem Ab sorber 8 zugeführt.
Hier wird er mit flüs sigem Zinkchlorid-Monammoniakat durch den Verteiler 18 in Berührung gebracht, wodurch sich unter Wärmeentwicklung die ursprüngliche Verbindung (Zinkchlorid- Diammoniakat) zurückbildet. Bei den an gegebenen Verhältnissen tritt diese Wärme- entwicklung bei einer Temperatur von etwa <B>350'</B> ein.
Die Flüssigkeit wird durch die Pumpe 19; Heizschlange 20 und Rohrlei- tung 21 im Kreislauf geführt, wobei sie die im Absorber 8 freiwerdende Wärme an den Wasserverdampfer 22 abgibt und in ihm ge spannten Wasserdampf, zum Beispiel von 100 atm erzeugt.
Zur Aufrechterhaltung konstanter Ge mische von Zinkchlorid-Monammionakat und Zinkchlorid-Diammoniakat (also konstanter Konzentrationen) im Austreiber 1 und im Absorber 8 stehen beide durch eine Ring leitung miteinander in Verbindung. Die im Absorber 8 befindliche Flüssigkeit wird durch die Pumpe 10 in den Temperatur wechsler 11 und weiter über das Drosselven til 13 in den Austreiber 1 geführt, während gleichzeitig eine entsprechende Flüssigkeits menge durch die Rohrleitung 14,
den Tem- peraturwechsler 11 und weiter durch das Drosselventil 12 zum Absorber 8 zurücl@- gelangt.
Durch die Überhitzung im Temperatur wechsler 17 wird der Wirkungsgrad der An lage beträchtlich erhöht. Ohne sie müsste die Wärmemenge, die im Temperaturwechsler 17 dem vom Austreiber 1 zum Kondensator 3 strömenden Dampf entzogen wird, auf das Kühlwasser des Kondensators 3 über tragen und somit nutzlos abgeführt werden, während jetzt diese Wärmemenge im Ab sorber 8 frei wird und zur Erzeugung von gespanntem Wasserdampf verwendet wird.
Der Vorteil gegenüber andern Absor bern liegt darin, dass in den Absorber durch die Leitung 21 eine grosse Menge an Flüs sigkeit eingespritzt werden kann, so dass eine schnelle Absorption bis zur grösstmög lichen Sättigung stattfindet. Für die Ab sorption bei Unterdruck, wo es sich um grosse Dampfvolumen handelt, ist dies be sonders wichtig.
Für den Fall, dass der im Wasserver dampfer 22 erzeugte Wasserdampf der Kraft erzeugung dient, aber noch weitere Kraft mengen benötigt werden, oder dass man die Erzeugung von Kraft und Kälte zum Zwecke der Belastungsregelung gegeneinan der abgleichen will, kann man zu der zwi schen Drosselventil 16 und Absorber 8 ange ordneten Kälte erzeugenden Apparatur (3, 4, 5, 6, 7, 17) eine Ammoniakdampf- turbine 23 parallel schalten, und so den im Austreiber 1 erzeugten Ammoniakdampf abwechselnd ganz oder teilweise die Kälte anlage oder die Kraftanlage betreiben lassen.
Es ist auch möglich, die im Absorber 8 freiwerdende Wärme nicht nur zur Erzeu gung von Wasserdampf, sondern auch ander weitig, zum Beispiel für Beheizung von Apparaturen oder dergleichen, zu verwen den.
Neben Zinkchloridammoniakat kommen als Absorptionsmittel für vorliegende Kälte maschine noch die Ammoniakate von andern Metallhalogeniden in Frage, wie zum Bei- spiel Zinkbromid, Aluminiumchlorid, Magne- siumjodid, Kaliumbromid, Lithiumehlorid, bezw. Gemische von diesen Salzen.