DD268965A1 - Arbeitsstoffsystem fuer sorptionswaermetransformationsprozesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsstoffsystem fuer Sorptionswaermetransformationsprozesse, anwendbar in Absorptions- oder Resorptionswaermepumpen oder -transformatoren. Ziel der Erfindung ist die Fixierung eines solchen Arbeitsstoffsystems fuer derartige ein- und mehrstufige Prozesse, das es gestattet, den Arbeitsbereich fuer Absorptionswaermepumpen und -transformatoren auf hohe Temperaturen auszudehnen. Die diesbezuegliche Aufgabe wird erfindungsgemaess dadurch geloest, dass als Arbeitsstoffsysteme Salzschmelzegemische eingesetzt werden, welche dadurch charakterisiert sind, dass als Arbeitsmittel niedrig siedende Metallhalogenide und als Loesungsmittel ein Gemisch aus dem Arbeitsmittel und einem oder mehreren schwerer siedenden Salzen und/oder den in solchen Loesungen auftretenden Komplexverbindungen enthalten sind. Fig. 2 zeigt ein Schema eines Waermetransformationsprozesses, in dem das erfindungsgemaesse Arbeitsstoffsystem bevorzugt verwendet werden kann. Fig. 2

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Arbeitsstoffsystem für ein- und mehrstufige Sorptionswärmetransformationsprozesse im Hochtemperaturbereich, realisierbar in Absorptionswärmepumpen und -Wärmetransformatoren.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine Reihe von Stoffpaaren für Sorptionswärmetransformationsprozesse, bestehend aus einem Lösungsmittel und einem flüchtigen zu lösenden Stoff bekannt, wobei im Betrieb von Absorptionswärme· und -käitesystemen Arbeitsmitteldampf aus einer flüssigen oder anderen Absorptionsmittel-Arbeitsmittel-Zusummensetzung durch Kochen wegverdampft, kondensiert, verdampft und in dem flüssigen Absorptionsmittel absorbiert wird, welches nach dem Verdampfungsschritt verbleibt. Solche Stoffpaare sind z.B. NH₃/H₂O bzw. H₂(VuBr + H₂O.

Vorgeschlagen werden auch Systeme, die als Arbeitsstoffe organische Amine oder Alkohole und eine Mischung von Wasser mit Salzen enthalten (EP A10011836). Zur Verhinderung von Korrosionen werdon spezielle Inhibitoren, wie z. B. Na'.riumchromat eingesetzt. Andere Arbeitsstoffsysteme mit NH₃ als Arbeitsmittel und gesättigten bzw. übersättigten wäßrigen Salzlösungen, wie LiBr, LiNO₃, NaSCN oder entsprechende Mischungen werden für Absorptionswärme· und -kältesysteme in EP A10012856 vorgestellt. Weitere bekannte Stoffpaare für derartige Prozesse enthalten aus Sicherheitsgründen Fluorkohlenwasserstoffe als flüssige Phase mit einem Phosphorsäureamid mit Alkyl- oder Phenolgruppen als Lösungsmittel (DEA12944189) bzw. mit Tetraethylenglykoldimethylether (Klima-Kälte-Heizung 8 [1980] 1, 874-875). In EP A10083933 wird ein Arbeitsmedium vorgeschlagen, das neben einem Wasserstoff enthaltendem Fluor oder Fluorkohlenwasserstoff noch ein weiteres Lösungsmittel enthält, das aus einem speziellen flüssigen Säureamid besteht.

Nachteilig ist, daß derartige Arbeitsstoffsysteme nur für relativ niedrige Desorbertemperaturen bis etwa 200⁰C geeignet sind und eine Ausdehnung des Arbeitsbereiches in derartigen Prozessen auf höhere Temperaturen nicht zulassen.

Bekannt sind auch flüssige Arbeitsstoffpaare, wie z. B. ZnCI₃ · 2 NH₃/NH₃ (2. Weltkonferenz Berlin 1930, Bd. 5, Nr. 15,325-335) für Wärmetransformationsprozesse. Nachteilig ist die Erschwerung des Desorptionsprozesses i; folge der diskreten Anlagerung des NH₃ an das Zinkchlorid, bei den vorliegenden Drücken auf Grund de' niedrigen Kondensationstemperatur des Ammoniaks ist der Betrieb einer Wärmepumpe nicht möglich.

Bekannten, für den Hochtemperaturbereich einsetzbaren Stoffpaarungen auf der Basis von wäßrigen Salzlösungen sowie von verdünnten Säuren und Laugen sind wegen der hohen Korrosivität Grenzen gesetzt.

Es sind weiterhin Arbeitsstoffsysteme bekannt, bei denen mindestens eine Komponente ein Feststoff ist. Hierzu gehören z. B. die Verwendung von Zeolithen (Klima-Kälte-Heizung 13 [1985] 1,23-26) und der Systeme CaCVH₂O bzw. Metallhydride (DE A12737059). Nachteilig ist die Zirkulation von absorbierenden Feststoffen zwischen Adsorber und Desorber cowie die Erschwerung des regenerativen Wärmeaustausches im Kreislauf.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Fixierung eines Arbeitsstoffsystems für ein- und mehrstufige Sorptionswärmetransformationsprozesse, das es gestattet, den Arbeitsbereich für Absorptionswärmepumpen und -Wärmetransformatoren auf hohe Temperaturen auszudehnen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung lieet die Aufgabe zugrunde, ein im gesamten Arbeitsbereich flüssiges und wenig korrosives Arbeitsstoffsystem zu fixieren, welches den Einsatzbereich von Sorptionswärmetransformationen zu hohen Temperaturen erweitert und das die Verwendung von konventionellen Ausrüstungen für Absorptionswärmepumpen gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Arbeitsstoffsysteme Salzschmelzgemische, insbesondere mit sehr unterschiedlichen Siedepunkten eingesetzt werden, welche dadurch charakterisiert sJnd, daß als Arbeitsmittel niedrig siedende Metallhalogenide, vor allem der Metalle der III. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente, wie z. B. BCI₃, AICI₃, GaCI₃, AIBr₃, TICI₃ oder auch Halogenide anderer Metalle, z. B. FeCI₃ und HgCI₃ und als Lösungsmittel ein Gemisch aus dem Arbeitsmittel und einem oder mehreren schwere·; siedenden Salzen und/oder den in solchen Lösungen auftretenden Komplexverbindungen, z. B. NaCI und KCI, die mit den Arbeitsmitteln AICI₃ und FeCI₃ die Verbindungen NaAICI₄ bzw. NaFeCI₃ und KAI/FeCU bilden, verwendet werden. Derartige Salzschmelzgemische sind nur gering korrosiv, solange sie nicht mit Wasser in Verbindung treten. Bei der erfindungsgemäßen Einbeziehung verschiedener Verbindungen in die Schmelze lassen sich die Schmelzpunkte der Mischungen weiter erniedrigen und somit das flüssige Zustandsgebiet erweitern. Wie Fig. 1 verdeutlicht, oberstreicht ihr Lösungsfeld einen so breiten Temperaturbereich, daß Wärmetransformationsprozesse zwischen weit auseinanderlegenden Temperaturen ermöglicht werden. Vorteilhaft ist weiterhin, daß sich durch den Einsatz geeigneter Resorptionsschaltungen das Einsatzgebiet derartige Prozesse auch auf Druck- und Temperaturbereiche erweitern läßt, in denen die reinen Arbeitsmittel sublimieren, zum anderen bieten sich weitere Einsatzmöglichkeiten durch die Nutzung der bei Dissoziations- bzw. Rekombinationsvorgängen auftretenden Energien.

Ausfuhrungsbeispiel

Das erfindungsgemäße Arbeitsstoffsystem wird nachstehend für den Einsatz in einer Resorptionswärmepumpe berchrieben, wobei ein AICI₃/NaCI-System verwendet wird. Fig. 2 zeigt hierzu ein Schaltbild der Wärmepumpe.

Die benötigten Gleichgewichtsdaten wurden nach Literaturangaben (J. Am. Chein. Soc. 77 (195D] 2639; Inorg. Chem. 21 [1982] 402; J. Chem. Eng. Data 23 [1978] 122) zusammengestellt, der flüssige Zustandsbereich des Systeme wurde nach Fig. 3 ermittelt (Lumsden, J.: Thermodynamics of molten salt mixtures, London 1966). Für den in Fig. 2 dargestellten Prozeß herrscht im Desorber 1 eine Temperatur von 390K (Siedebeginn) bis 400K (Siedeende). Bei einem unteren Druckniveau von 0,73kPa sind damit dio Konzentrationen der armen und der reichen Lösung im Lösungskreislauf Il mit ξ,ιι = 0,764 bzw. ξ,π = 0,773Ma.-%AICI₃ fixiert. Das bei der Desorption als AI₂CIj verdampfende AICI₃ vird im Absorber 4 in der gleichen Form absorbiert. Unter Berücksichtigung der Kristallisationsgrenze kann die Konzentration der armen Lösung im Kreislauf I etwa ξ,ι = 0,704 sein. Fixiert man die Konzentration der reichen Lösung zu ξ, ι = 0,714, se wird eine nutzbare Absorptionswärme zwischen 583 und 526K frei. Die reiche Lösung des Kreislaufes I wird mittels Lösungsmittelpumpe 10 auf Umgebungsdruckniveau gebracht, es erfolgt die Zufuhr von Hochtemperaturwärme, wobei im Desorber 6 AICI₃ ausgetrieben wird, dabei heizt sich die verbleibende Lösung von 935K (Beginn des Siedens der reichen Lösung) bis auf 1110K auf. Die Abkühlung der armen Lösung bis auf Absorptionstemperatur wird im Wärmeübertrager 7 zur Aufheizung der aus dem Absorber 9 austretenden reichen kalten Lösung benutzt, die Entspannung erfolgt über dirt Drossel 8. Das im Desorber 6 ausgetriebene Arbeitsmittel wird im Wärmeübertrager 11 unter Abgabe der Rekombinationswärme in den dimeron Zustand überführt, in dem es im Absorber 4 absorbiert wird. Dieser Wärmeübertrager kann bei nicht dissoziierenden Arbeitsmitteln entfallen.

Bei der Absorption des Arbeitsmittels im Absorber 4 reichert sich die arme Lösung des Lösungskreislaufes Il mit AICI₃ an, bis ξ,ιι wieder erreicht ist. Dabei wird eine Absorptionswärme im Temperaturbereich zwischen 614 und 591K zur Nutzung frei. Zur Verbesserung der Wärmeverhältnisse ist auch im Lösungskreislauf Il ein Wärmeübertrager 3 angeordnet. Die über eine Drossel 5 entspannte reiche Lösung wird im Desorber 1 zum Teil verdampft und die zurückbleibende arme Lösung auf den oberen Druck über die Lösungsmittelpumpe 2 komprimiert.

Claims (3)

1. -ι- 263 965 Patentansprüche:

   1. Arbeitsstoffsystem für Sorptionswärmetransformationsprozesse bestehend aus einem Lösungsmittel und einem flüchtigen zu lösenden Stoff, gekennzeichnet dadurch, daß das System aus einem Gemisch von zwei oder mehreren Salzen besteht, von denen eine Komponente einen so niedrigen Siedepunkt hat, daß sie durch Wärmezufuhr aus dem System ausgetrieben und als Arbeitsmittel zirkulieren kann.
2. 2. Arbeitsstoffsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Arbeitsmittel niedrig siedende Metallhalogenide, vor allem der III. Hauptgruppe dos Periodensystems der Elemente, wie BCI₃, AICI₃, GaCI₃ AIBr₃, TICI₃ oder Halogenide anderer Metalle, wie FeCI₃, HgCI₃ und als Lösungsmittel ein Gemisch aus dem Arbeitsmittel und einem oder mehreren schwerer siedenden Salzen und/oder den in derartigen Lösungen auftretenden Komplexverbindungen wie NaCI und KCI verwendet werden.
3. 3. Arbeitsstoffsystem nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß seine Verwendung in Absorptions- oder Resorptionswärmepumpen oder-Wärmetransformatoren erfolgt.