DE69315700T2

DE69315700T2 - Absorptionswärmepumpe mit direktem Wärmetausch zwischen dem Austreiber eines zweiten Kreislaufs und dem Absorber und Kondensator eines ersten Kreislaufs

Info

Publication number: DE69315700T2
Application number: DE69315700T
Authority: DE
Inventors: Edward Keuper; William Plzak
Original assignee: Gas Research Institute
Current assignee: GTI Energy
Priority date: 1992-09-15
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: CA2144653C; WO1994007093A1; CN1086006A; CA2144653A1; JP3193720B2; US5284029B1; DE69315700D1; JPH08501382A; CN1100241C; EP0659258B1; US5284029A; KR950703136A; ATE161086T1; KR100368180B1; EP0659258A1

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft allgemein eine Wärmetauschabsoptionsvorrichtung zum Abführen von Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke und insbesondere eine mehrstufige Wärmetauschabsoptionsvorrichtung.

Technischer Hintergrund

Absorptionskühlung, Kühlung, das Pumpen von Wärme und die entsprechenden Vorrichtungen, die ein zusammengesetztes Kühlmittel und einen einzigen Kühlkreislauf verwenden, ist bekannt. Der Kühlkreislauf umfaßt einen Erzeuger, einen Ver flüssiger, einen Verdampfer und einen Absorber. Eine Vielzahl zusammengesetzter Kühlsysteme kann in derartigen Vorrichtungen verwendet werden. Zwei Beispiele sind ein Ammoniakiwasser-System und ein Lithiumbromid/Wasser-System.
Die Wärme einer externen Energiequelle wird einem zusammen gesetzten Kühlmittel in dem Erzeuger zugeführt. Der Erzeuger erwärmt die zusammengesetzten flüssigen Kühlmittel hinreichend, um einen Dampf aus der stärker flüchtigen Komponente oder Phase des Kühlmittels (beispielsweise Ammoniakdampf in dem Fall des Ammoniak/Wasser-Kühlmittels und Wasser in dem Fall des Lithiumbromid/Wasser-Systems) abzudestillieren, wobei eine weniger flüchtige Komponente oder Phase des Kühlmittels zurückgelassen wird. Die weniger flüchtige Kühlmittelkomponente kann entweder höher konzentriert sein als das zusammengesetzte Kühlmittel (wenn Wasserdampf aus einer wässrigen Lithiumbromidlösung abdestilliert wird) oder stärker verdünnt sein als das anfängliche Kühlmittel (wenn Ammoniak aus der Wasserlösung entfernt wird). Die verbleibende weniger flüchtige Kühlmittelkomponente wird zu dem Absorber entfernt.
Der Verflüssiger empfängt die Dampfphase des Kühlmittels von dem Erzeuger und verflüssigt es in eine flüssigen Form (auch als Kondensat bekannt). Die durch die Kondensation des Dampfes freigesetzte Wärme wird zu einem Kühlturm, Kühlwasser, anderen externen Wärmesenken oder einer weiteren Stufe der Kühlvorrichtung rückgeführt.
Der Verdampfer entnimmt einer Wärmequelle (zum Beispiel Luft in einem Gebäude, der Inhalt eines Kühlschranks, Kühlwasser oder andere Flüssigkeiten oder Objekte, die zur Kühlung vorgesehen sind) durch Verdampfen des kondensierten flüssigen Kühlmittels Warme in direktem oder indirektem Kontakt mit der Wärmequelle. Der Verdampfer führt folglich eine Rückverdampfung der flüchtigen Kühlmittelkomponente durch.
Der Absorber kommt mit der Dampfkomponente des Kühlmittels in Kontakt, die den Verdampfer mit den weniger flüchtigen Kühlmittelkomponente aus dem Erzeuger verlassen hat. Der Kontaktprozeß erzeugt Wärme, wenn die Dampfphase in die weniger flüchtige Kühlmittelphase reabsorbiert wird. Diese Wärme wird zu einem Kühlturm, Kühlwasser, einer anderen Stufe der Kühlvorrichtung oder anderen Wärmesenken rückgeführt. Das ursprünglich zusammengesetzte Kühlmittel wird in dem Absorber wieder hergestellt und anschließend in den Generator rückgeführt, um den Kreislauf zu schließen.
Die Dreifach-Kühlvorrichtung hat zwei getrennte, aber wechselwirkende Kühlkreise des oben beschriebenen Typs (sie sind als Hochtemperatur-Kreislauf bzw. Niedrigtemperatur-Kreislauf, als ein hoher Kreislauf bzw. als ein niedriger Kreislauf oder als ein erster Kreislauf bzw. als ein zweiter Kreislauf bekannt). Der erste und zweite Kreislauf sind miteinander verbunden, so daß Wärme von dem Absorber und dem Verflüssiger des ersten Kreislaufs zum Erzeuger des zweiten Kreislaufs übertragen wird. Sowohl der erste Kreislauf als auch der zweite Kreislauf beziehen Wärme von der Wärmequelle. Der zweite Kreislauf führt Wärme von ihrem Absorber und ihrem Verflüssiger einer externen Wärmesenke zurück.
In einer Version der Dreifach-Vorrichtung ist der Verflüssiger des ersten Kreislaufs ein rohrförmiger Wärmetauscher, der innerhalb des Erzeuger-Behälters des zweiten Kreislaufs angeordnet ist. In der gleichen Vorrichtung wird Wärme vom Absorber des ersten Kreislaufs von einem Behälter indirekt zum Erzeuger des zweiten Kreislaufs in einen anderen Behälter übertragen. Die indirekte Wärmeübertragung bringt es mit sich, daß über eine Wärmetauschflüssigkeit abwechselnd durch einen ersten Wärmetauscher im Absorber des ersten Kreislaufs und durch einen zweiten Wärmetauscher im Behälter des Niedrigtemperatur-Erzeugers zirkuliert. Die Verwendung von separaten Wärmetauschern für den Absorber des ersten Kreislaufs und den Erzeuger des zweiten Kreislaufs bringt eine Ineffizienz mit sich und erhöht die Kosten, die Komplexität und die Abwärmeerzeugung der Vorrichtung.
Ein bekannter Erzeuger, welcher Dampf als Wärmequelle verwendet, umfaßt einen äußeren Behälter, der an beiden Enden geschlossen ist, und innere Behälter, welche senkrechte Rohre sind, die den äußeren Behälter durchdringen. Wärme, die dem äußeren Behälter in Form von Dampf von einer Quelle außerhalb des Kühlmittelkreislaufs zugeführt wird, erwärmt die Rohre und folglich das Kühlmittel innerhalb der Rohre. Das Kühlmittel wird innerhalb der Rohre gekocht, und der Dampf und mitgezogene Flüssigkeit wird nach oben befördert und von den oberen Enden der Rohre hinausgetrieben.
Es ist ein Absorber bekannt, bei dem die weniger flüchtige Komponente des Kühlmittels von Windung zu Windung hinuntertropft auf die im wesentlichen horizontalen Windungen eines Wärmetauchers, sobald er den Kühlmitteldampf absorbiert, der den Verdampfer verläßt. Der Wärmetauscher entnimmt die Wärme, die durch den Absorptionsprozeß entsteht. Die Wärme wird zu einer Wärmesenke, beispielsweise Kühlwasser rückgeführt.
In der Zeitschrift "SOLAR AND WIND TECHNOLOGY, Folge 7, Nummer 6, 1990, Seiten 685 - 697, ist eine Vielfach-Wärmepumpe gezeigt, dessen Absorber und Verflüssiger des ersten Kreislaufs in einem Behälter angeordnet sind, in dem der Behälter des zweiten Kreislaufs untergebracht und in direktem Wärmetausch mit diesem ist. Folglich bedeutet diese Lösung eine Ineffizienz und eine Komplexität der Vielfach-Wärmepumpe.
Daher ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Absorptionskühlvorrichtung mit mehreren Kreisläufen bereitzustellen, die weniger wirkende Teile als die vorgenannten Systeme hat.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine Absorptionskühlvorrichtung bereitzustellen, die effizienter als die Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik ist.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung ist, eine Absorptionskühlvorrichtung bereitzustellen, die weniger kostet, weniger wiegt, weniger Raum einnimmt und weniger Abwärme erzeugt als Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik.
Nocheine weitere Aufgabe der Erfindung ist, die Notwendigkeit der Wärmeübertragung von einem Ort zu einem anderen innerhalb der Mehrfach-Absorptionskühlvorrichtung zu reduzieren oder zu eliminieren, anders als bei Übergängen in einem einzigen Kühlkreislauf.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, den Erzeuger eines niedrigeren Kühlkreislaufs und den Absorber und Verflüssiger eines höheren Kühlkreislaufs in einem äußeren Behälter zu kombinieren.
Andere Aufgaben der Erfindung werden für einen Fachmann nach Betrachtung der vorliegenden Offenbarung evident.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung, wie im Anspruch 1 definiert, betrifft eine Absorptions-Wärmetauschvorrichtung zur Wärmeaufnahme von einer Wärmequelle. Die Vorrichtung weist erste und zweite miteinander verbundene Wärmetausch-Kreisläufe auf. Der erste Kreislauf weist einen ersten Erzeuger, einen ersten Verflüssiger, einen ersten Verdampfer und einen ersten Absorber auf, die betriebsmäßig miteinander gekoppelt sind. Der zweite Kreislauf weist einen zweiten Erzeuger, einen zweiten Verflüssiger, einen zweiten Verdampfer und einen zweiten Absorber auf, die operativ zusammengesetzt sind.
Der Verflüssiger und der Absorber des ersten Wärmetausch- Kreislaufs sind in dem selben Behälter wie der neue Erzeuger der zweiten Stufe und stellen direkt die Wärme bereit, die für den Betrieb des Erzeugers der zweiten Stufe notwendig ist. Der Erzeuger weist einen ersten Behälter auf, der durch eine Trennwand in eine erste und eine zweite Kammer geteilt ist. Wenigstens ein zweiter Behälter, der aus einem wärmeleitenden Medium gebildet ist, durchdringt die erste und zweite Kammer. Der erste und zweite Behälter sind im Wärmetauschkontakt über dieses Medium. Der zweite Behälter hat einen Eintritt und einen Austritt und hat keine Sperre zwischen seinem Eintritt und seinem Austritt. Das Innere des zweiten Behälters arbeitet als ein Erzeuger der zweiten Stufe, die erste Kammer arbeitet als ein Absorber der ersten Stufe, und die zweite Kammer arbeitet als Verflüssiger der ersten Stufe.
Die vorliegende Erfindung hat mehrere Vorteile. Ihr Hauptvorteil ist, daß dadurch, daß der Erzeuger des zweiten Kreislaufs und der Absorber und Verflüssiger des ersten Kreislaufs in einer Einheit kombiniert sind, keine Notwendigkeit für einen Mechanismus zur Übertragung der Hitze vom Absorber des ersten Kreislaufs und dem Verflüssiger des einen Behälters in den Erzeuger des zweiten Kreislaufs in einen anderen Behälter erforderlich ist. Statt dessen wird die verfügbare Wärme, die den Erzeuger des ersten Kreislaufs verläßt, verwendet, um den Erzeuger des zweiten Kreislaufs direkt, und nicht indirekt, zu erwärmen. Folglich eliminiert die Erfindung mehrere Komponenten und deren Kosten, Gewicht und erforderlichen Raum, während eine effizientere Kühlung bereitgestellt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches Flußdiagramm einer Dreifach Absorptions-Wärmetauschvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 3 ist eine detailliertere graphische Darstellung des Behälters mit dem Erzeuger des zweiten Kreislaufs mit dem Absorber des ersten Kreislaufs und dem Verflüssiger des ersten Kreislaufs, wie in Fig. 2 dargestellt.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Die Identität des Kühlmittels ist nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung, so daß in der vorliegenden Beschreibung auf kein bestimmtes Kühlmittel Bezug genommen wird. Einem Fachmann ist es klar, welche Kühlmittelsysteme in der vorliegenden Vorrichtung verwendbar sind. Das gleiche Kühlmittelsystem oder verschiedene Kühlmittelsysteme können in ent sprechenden Kreisläufen der Vorrichtung verwendet werden.
Diese Beschreibung bezieht sich im allgemeinen auf die Komponenten eines typischen Absorptionskühlmittels, welches aus einer stärker flüchtigen Komponente oder Dampf (welcher in flüssiger Form manchmal als ein kondensierter Dampf bezeichnet wird) und einer weniger flüchtigen Komponente. Diese Komponenten können koexistieren wie eine Lösung, sie können durch Wärmezufuhr zu der Lösung getrennt werden und so die stärker flüchtige Komponente wegzudestillieren, und sie können rekombiniert werden, um die Lösung wieder herzustellen und Wärme rückzuführen. Der Dampf kann auch verflüssigt werden, um Wärme rückzuführen oder verdampft werden, um Wärme aufzunehmen. Kühlmittel, die auf verschiedene Weise arbeiten, aber in vergleichbaren Vorrichtungen verwendet werden können, sind auch für eine derartige Verwendung geeignet.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind die Wärme- und Kühlmittelübertragung in einem Kühlsystem dargestellt. Die Anordnung der Komponenten ist der Klarheit wegen zurechtgerückt. Die Elemente aus Fig. 1 sind in drei Spalten angeordnet. Die linke Spalte betrifft den ersten Kühlkreislauf; die mittlere Spalte zeigt die Wärmequellen und die Wärmesenken; und die rechte Spalte zeigt den zweiten Kühlkreislauf.
Das System 10 wird verwendet, um Wärme von der Wärmequelle 12 zu der Wärmesenke 14 zu übertragen. Es ist bekannt, daß diese Wärmeübertragung durchgeführt werden kann, wenn die Wärmequelle 12 eine höhere Temperatur als, eine niedrigere Temperatur als oder die gleiche Temperatur wie die Wärmesenke 14 hat.
Wärme von der Quelle 12 tritt in den Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs der Vorrichtung über den Pfad 18 ein (alle Wärmeübergänge zu oder von einem der Kühlkreisläufe sind in der Fig. durch den Buchstaben Q und einem Pfeil, der die Richtung des übergangs anzeigt, dargestellt). Entweder der Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs ist im direkten Wärmeübertragungskontakt mit der Wärmequelle 12 oder Wärmetauscher verbinden den Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs und die Wärmequelle 12, um diese Wärmeübertragung durchzuführen.
Die Wärme, die in den Verdampfer 16 des ersten Kreislauf eintritt, verdampft den verflüssigten Kühlmitteldampf, der in den Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs über den Pfad 20 eingetreten ist. Der Ausfluß aus dem Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs, welcher den Pfad 22 durchquert, ist ein Kühlmitteldampf, welcher die Wärme von der Wärmequelle 12 mit sich trägt.
Der Absorber 24 des ersten Kreislaufs empfängt den Kühlmitteldampf über den Pfad 22 und kontaktiert ihn mit der weniger flüchtigen flüssigen Kühlmittelkomponente, die von dem Erzeuger des ersten Kreislaufs über den Pfad 28 empfangen wurde. Die resultierende Absorption des Kühlmitteldampfes in der weniger flüchtigen Kühlmittelflüssigkeit verflüssigt den Dampf, setzen dessen Verdampfungswärme frei und setzen die Lösungswärme frei als Ergebnis des Absorptionsprozesses. Die resultierende Wärme wird über den Pfad 30 zu dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs rückgeführt. Das wieder zusammengesetzte Kühlmittel passiert den Pfad 34 durch den Wärmetauscher 35 zum Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs. Der Wärmetauscher 35 wärmt das zusammengesetzte Kühlmittel vor, das den Pfad 34 durchquert, bevor es in den Erzeuger 26 eintritt, um die Wärme zu nutzen, welches sonst anderweitig von dem Erzeuger über die Leitung 28 des weniger flüchtigen Kühlmittels entweichen würde.
In dem Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs wird das zusammengesetzte Kühlmittel durch die Heizeinrichtung 36 ausreichend erwärmt, um den stärker flüchtigen Kühlmitteldampf wegzudestillieren, wobei der weniger flüchtige Bestandteil des Kühlmittels zurückgelassen wird. Der Kühlmitteldampf wird über den Pfad 38 dem Verflüssiger 40 zugeführt. Der weniger flüchtige Bestandteil des Kühlmittels geht zum Absorber 24 des ersten Kreislaufs über den Pfad 28 (wie vorstehend beschrieben).
In dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs wird der Kühlmitteldampf, der über den Pfad 38 eintritt, verflüssigt. Die Wärme der Verflüssigung wird von dem ersten Kreislauf rückgeführt und folgt dem Pfad 42 zum Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs. Der verflüssigte Kühlmitteldampf tritt danach aus dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs über den Pfad 20 aus und kehrt zum Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs zurück, um den ersten Kreislauf zu schließen.
Folglich tritt in dem ersten Kreislauf Wärme von der Wärmequelle 12 und der Heizeinrichtung 36 in den Kreislauf ein, und Wärme aus dem Absorber 24 und Verflüssiger 40 verläßt den Kreislauf. Anders als jede Abwärme, die verloren geht, geht all die Wärme, die der Wärmequelle 12 und der Heizeinrichtung 36 entnommen ist, zum Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs. Ein Wärmetauscher ist auch in konventioneller Weise vorgesehen, um Wärme von dem weniger flüchtigen Kühlmittel in der Leitung 28, die den Erzeuger 26 verläßt, dem zusammengesetzten Kühlmittel in der Leitung 34, die in den Erzeuger 26 eintritt, zu übertragen.
Unter Bezugnahme auf die rechte Seite der Fig. 1 ist die Organisation des zweiten Kühlmittelkreislaufs im wesentlichen identisch mit der des ersten Kühlmittelkreislaufs. In erster Linie liegen die Unterschiede in der Wärmezufuhr und der Wärmeabgabe.
Die Teile des zweiten Kreislaufs sind ein Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs, ein Absorber 46 des zweiten Kreislaufs, ein Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs und ein Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs. Diese Teile sind in ihrer betriebsmäßigen Beziehung durch eine Kühlmitteldampfkondensatleitung 52, eine Kühlmitteldampfleitung 54, eine Leitung 56 für zusammengesetztes Kühlmittel, eine Leitung 58 für weniger flüchtiges Kühlmittel und eine Kühlmitteldampfleitung 60 miteinander verbunden. Die Wärmezufuhr und -abgabe des zweiten Kreislaufs funktioniert wie folgt. Die Wärme, die für den Betrieb des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs erforderlich ist, kommt vom Absorber 24 und vom Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs über die Pfade 30 und 42, wie vorstehend beschrieben. Zusätzliche Wärme von der Wärmequelle 12 wird in dem Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs über den Pfad 48 aufgenommen. Von dem Absorber 46 und Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs wird über die Pfade 62 und 64 Wärme rückgeführt. Obwohl die Pfade 62 und 64 ineinander mündend dargestellt sind, sei darauf hingewiesen, daß separate Wärmesenken 14 für den Absorber 46 und dem Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs vorgesehen sein können. Zusätzlich wird das wieder zusammengesetzte Kühlmittel über die Pfade 56 durch den Wärmetauscher 65 dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs zugeführt. Der Wärmetauscher 65 wärmt das zusam mengesetzte Kühlmittel, das den Pfad 56 durchquert, vor, bevor es in den Erzeuger 32 eintritt, und nutzt dabei Wärme, welche anderweitig von dem Erzeuger 32 über die Leitung 58 für weniger flüchtiges Kühlmittel entweichen würde.
Mit Bezug auf Fig. 2 und Fig. 3 wird nun eine Vorrichtung offenbart, die wie in Fig. 1 veranschaulicht funktioniert. Bestimmte Teile von Fig. 2 und 3 entsprechen denen von Fig. 1 und werden deshalb mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In der Ausgestaltung von Fig. 2 und 3 sind der Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs, der Absorber 24 des ersten Kreislaufs, der Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs, der Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs und der Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs alle in einem einzigen, unterteilten ersten Behälter 70 angeordnet. Der Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs ist ein separater Behälter und der Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs und der Absorber 46 des zweiten Kreislaufs sind jeweils in einem Behälter 72. Der Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs ist in dieser Ausgestaltung nicht verändert worden.
Insbesondere wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Der erste Behälter 70 ist aus einer unteren zylindrischen Wand 74, einer mittleren zylindrischen Wand 76 und einer oberen zylindrischen Wand 78 gefertigt. Der erste Behälter, der durch den durch die zylindrischen Wände 74, 76 und 78 eingeschlossenen Raum definiert ist, ist durch eine untere Trennwand 80, eine mittlere Trennwand 82 und eine obere Trennwand 84 unterteilt, in ein erstes Kopfteil oder Eintritt 86, einen Verflüssiger des ersten Kreislaufs (auch als zweite Kammer bezeichnet) 40, eine Absorberkammer des ersten Kreislaufes (auch als erste Kammer bezeichnet) 24 und ein zweites Kopfteil oder Austritt 92, die in Reihe angeordnet sind. Die Trennwände 80, 82 und 84 sind zu den zylindrischen Wänden 74, 76 und 78 abgedichtet, um den ersten Behälter abzu schließen und flüssigkeitsdichte Unterteilungen vorzusehen.
Eine Vielzahl im wesentlichen vertikaler Röhren 94, die jeweils eine zylindrische Wand aufweisen, welche eine Innenfläche 96 und eine Außenfläche 98 definieren, sorgt für eine Verbindung zwischen dem ersten Kopfteil 86 und dem zweiten Kopfteil 92. Diese Röhren 94 erstrecken sich durch den Verflüssiger des ersten Kreislaufs (auch als zweite Kammer bezeichnet) 40 und durch den Absorber des ersten Kreislaufs (auch als erste Kammer bezeichnet) 24. Die Trennwände 80, 82 und 84 sind auch verschweißt, verlötet oder auf andere Weise an der Außenfläche 98 der Röhren 94 abgedichtet, um flüssigkeitsdichte Unterteilungen zwischen dem ersten Kopfteil 86, dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs, dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs und dem zweiten Kopfteil 92 zu erhalten.
Die Wände der Röhren 94 definieren zusammengenommen eine Unterteilung zwischen dem ersten Behälter 70 (der außerhalb der Wände der Röhren 94 und zwischen den Trennwänden 80 und 84 ist) und dem zweiten Behälter (der die Gesamtheit aller Räume innerhalb der Wände der Röhren 94 in dem Behälter 70 zwischen den Trennwänden 80 und 84 ist). Die Wände der Röhren 94 dienen als Wärmetauschmedium zwischen dem ersten und dem zweiten Behälter. Die Wände der Röhren 94 sind aus einer Kupferlegierung oder einem anderen Material gefertigt, das von der Struktur her dauerhaft, nicht leicht korrodierbar, im wesentlichen flüssigkeits- und gasdicht und ein guter Wärmeleiter ist.
Genauer gesagt ist der Raum zwischen der unteren Trennwand 80, unterhalb der mittleren Trennwand 82, außerhalb der Röhren 94 und innerhalb der unteren zylindrischen Wand 74 der Verflüssiger des ersten Kreislaufs (zweite Kammer) 40. Die durch die Innenfläche 96 der Röhren 94 eingeschlossenen und innerhalb der Grenzen des Verflüssigers 40 des ersten Kreislaufs angeordneten Räume definieren zusammen eine erste Stufe des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs. Die Abschnitte der Wände der Röhren 94, die in dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs eingeschlossen sind, definieren den Wärmeübertragungsweg 42 von Fig. 1.
Oberhalb der mittleren Trennwand 82, unterhalb der oberen Trennwand 84, außerhalb der Röhren 94 und innerhalb der mittleren zylindrischen Wand 76 ist der Absorber des ersten Kreislaufs bzw. erste Kammer 24. Die durch die Innenflächen 96 der Röhren 94 eingeschlossenen Räume innerhalb der Grenzen des Absorbers 24 des ersten Kreislaufs definieren zusammen eine zweite Stufe des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs. Die Abschnitte der Wände der Röhren 94, die in dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs eingeschlossen sind, definieren den Wärmeübertragungsweg 30 von Fig. 1.
Der Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs hat einen Eintritt, der allgemein mit 38 bezeichnet ist, um Kühlmitteldampf aufzunehmen. Der Dampf kondensiert an den Außenflächen 98 der Röhren 94. Die Tröpfchen des Kühlmittelkondensats, die an den Flächen 98 gebildet werden, laufen infolge des Einflußes der Schwerkraft an den Röhren 94 nach unten, um einen Zusammenschluß des Kondensats in dem Sammelbereich 100 am Boden des Verflüssigers 40 des ersten Kreislaufs zu bilden. Das Kondensat läuft über den Kühlmittelweg 20 zu dem Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs ab. In dieser Ausgestaltung mündet der Weg 20 in den Kühlmittel-Rücklaufweg 102.
Da die Flächen 98 der Röhren 94 eine große Oberfläche haben, die viel Raum für eine Kondensation bietet, wird die Kondensationswärme des kondensierenden Kühlmitteldampfes in dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs größtenteils auf die Röhren 94 übertragen und erwärmt den Inhalt der Röhren 94. Der Verflüssiger 40 stellt daher seine Wärme dem Inhalt der Röhren 94 zur Verfügung.
Der Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs ist vorzugsweise eine ringförmige Einrichtung, die innerhalb der Abgrenzungen der zylindrischen Wand 76 angeordnet ist und den Absorber 24 des ersten Kreislaufs umgibt. Der kondensierte Kühlmitteldampf wird von dem Sammelbereich 100 über die Leitung 20 und den Kühlmittel-Rücklaufweg 102 zu dem Verdampfer 16 übertragen. Das Kondensat wird durch Zerstäuber 104 über eine Anordnung von Wärmetauscherflächen versprüht, die allgemein mit 106 bezeichnet sind und den Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs ausmachen. Zu kühlendes Wasser (das die Wärmequelle 12 von Fig. 1 darstellt) oder eine separate Wärmetauscherflüssigkeit wird durch die Anordnung 106 durchgeleitet, um Wärme von der Wärmequelle 12 auf das Kühlmittelkondensat zu übertragen. Die dadurch empfangene Wärme verdampft wieder das Kühlmittelkondensat. Der in dem Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs erzeugte Dampf füllt das Innere des Absorbers 24 des ersten Kreislaufs und ist in Kontakt mit den Flächen 98 der Röhren 94 zwischen den Trennwänden 82 und 84.
Während der Kühlmitteldampf in Kontakt mit den Flächen 98 ist, wird die leicht flüchtige Komponente des Kühlmittels über die Leitung 28 zu dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs transferiert. Die niedrig flüchtige Komponente des Kühlmittels wird zu der oberen Fläche der Verteilerplatte 108 befördert. Die Verteilerplatte 108 deponiert die niedrig flüchtige Komponente des Kühlmittels an den Außenflächen 98 der Röhren 94. Anziehungskräfte verursachen Lagen oder Tropfen der weniger flüchtigen Komponente des Kühlmittels, die an den Außenflächen 98 hinunterfließen.
Da diese niedrig flüchtige Komponente des Kühlmittels an den äußeren Wänden 98 hinunterfließt, wird die bereits in der niedrig flüchtigen Komponente des Kühlmittels (das gerade in dem Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs gesiedet wurde, um die flüchtige Komponente zu entlassen) befindliche Wärme auf die Röhren 94, und somit auf deren Inhalt übertragen. Gleichzeitig wird der durch den Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs erzeugte Kühlmitteldampf durch die weniger flüchtige Komponente des Kühlmittels, die an den Röhren 94 hinunterfließt, absorbiert, wobei das ursprüngliche, zusammengesetzte Kühlmittel wiederhergestellt wird und eine wesentliche Menge von Absorptions- und Kondensationswärme freigesetzt wird. Diese Wärme wird durch die Röhren 94, und somit durch deren Inhalt aufgenommen. Das frisch wiederhergestellte, zusammengesetzte Kühlmittel fließt die Röhren 94 hinunter zu der mittleren Trennwand 82 und sammelt sich in dem inneren Sammelbereich 110. Der Inhalt des inneren Sammelbereichs 110 wird durch die Leitung 34 abgelassen und über den Wärmetauscher 35 zu dem Erzeuger 26 des ersten Kreislaufs zurückgeführt. Der Verdampfer 16 des ersten Kreislaufs hat auch einen äußeren Sammelbereich 112, in dem die auf die Anordnung von Wärmetauscherflächen 106 des Verdampfers 16 des ersten Kreislaufs gesprühte Flüssigkeit, die nicht verdampft, sich sammelt. Das flüssige Kühlmittel in dem äußeren Sammelbereich 112 wird über den Kühlmittel-Rücklaufweg 102 zu den Zerstäubern 104 zurückgeführt.
Im folgenden wird auf Fig. 3 und gelegentlich auf Fig. 1 und Fig. 2 Bezug genommen. Der Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs der gezeigten Ausführungsform wird nun beschrieben. Die zusammengesetzte Flüssigkeit des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs (das dasselbe sein kann wie das Kühlmittel des ersten Kreislaufs oder sich von diesem unterscheiden kann) tritt durch die Leitung 56 in das erste Kopfteil 86 des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs ein.
In der ersten Stufe des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs (innerhalb des Verflussigers 40 des ersten Kreislaufs) wird das zusammengesetzte Kühlmittel, das den Absorber 46 des zweiten Kreislaufs verläßt, durch die Pumpe 114 (Fig. 2) in das erste Kopfteil 86 und hoch in die Eintritte der Röhren 94 gepumpt. Wärme wird von dem Kühlmitteldampf des ersten Kreislaufs, der an den Außenflächen 98 der Röhren 94 kondensiert, auf das zusammengesetzte Kühlmittel des zweiten Kreislaufs übertragen, das innerhalb der Innenflächen 96 derselben Röhren 94 angeordnet ist. Aufgrund einer Kombination von Konvektion und Auftrieb der Kühlmitteldampfblasen, die in den Röhren 94 gebildet werden, wird die aus dem zusammengesetzten Kühlmittel des zweiten Kreislaufs bestehende Beladung innerhalb der Röhren 94 nach oben getrieben. Die Dampfblasen strömen besonders schnell innerhalb der Röhren 94 nach oben.
An den Außenflächen 98 der Röhren 94 findet innerhalb des Absorbers 24 der ersten Stufe, der die zweite Stufe des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs einschließt, Absorption statt. Das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs innerhalb der Innenflächen 96 der Röhren 94 wird weiterhin durch die Absorption des ersten Kreislaufs erwärmt, die in der Nähe der Außenflächen 98 derselben Röhren stattfindet. Dieser Erwärmungsprozeß destilliert mehr Kühlmitteldampf von dem weniger flüchtigen Bestandteil des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs innerhalb der Röhren 94 heraus. Die aufsteigenden Dampfblasen, die innerhalb der Innenflächen 96 gebildet werden, treiben sowohl sich selbst, als auch das weniger flüchtige flussige Kühlmittel durch die oberen Enden 116 der Röhren 94 aus und in das zweite Kopfteil 92 hinein.
Im folgenden wird auf Fig. 2 und 3 zusammen Bezug genommen. Der dampfförmige Bestandteil des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs, der die Röhren 94 verläßt, wird von dem Kopfraum in dem zweiten Kopfteil 92 aufgenommen. Der weniger flüchtige, flüssige Bestandteil des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs, der aus denselben Röhren 94 ausgetrieben worden ist, wird zu dem Sammelbereich 118 abgelenkt und dort gesammelt, der durch die Oberseite der oberen Trennwand 84 definiert ist. Von dem Sammelbereich 118 wird die weniger flüch tige Komponente des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs durch die Leitung 58 zu dem Absorber 46 des zweiten Kreislaufs gefördert.
In dieser Ausgestaltung ist der Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs ebenso innerhalb des zweiten Kopfteils 92 angeordnet. Der Verflüssiger 50 des zweiten Kreislaufs gibt Wärme an die Wärmesenke 14 (Fig. 1) ab und sammelt dann den kondensierten Dampf des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs für einen Transport durch die Leitung 52 zu dem Verdampfer 47 des zweiten Kreislaufs.
Mehrere unterscheidungskräftige Merkmale der beschriebenen Vorrichtung werden im folgenden zusammengefaßt: Die Anordnung der Röhren 94 hat eine große Wandfläche, so daß in ho hem Maße Wärme zwischen den Innenflächen 96 und den Außenflächen 98 der Röhren 94 übertragen wird. Unmittelbarer Wärmeübertrag tritt somit zwischen dem Kondensator 40 des ersten Kreislaufs und dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs und auch zwischen dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs und dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs auf. Dies führt zu einem wesentlich effizienteren Wärmeübertrag als in Fällen, in denen Wärme indirekt über einen Kopplungskreislauf mit einer zwischengeschalteten Flüssigkeit übertragen wird, wie in bekannten Systemen vorgeschlagen worden ist.
Ein anderer Unterschied besteht darin, daß wegen dem vorwiegenden Fluß des kondensierenden Dampfes innerhalb des Verflüssigers 40 des ersten Kreislaufs nach unten und des Flusses des Kühlmittels innerhalb des Erzeugers 26 des zweiten Kreislaufs durch die Röhren 94 im allgemeinen nach oben, der heißeste Teil des Kondensators des ersten Kreislaufs mit dem heißesten Teil des Erzeugers 32 des zweiten Kreislaufs in Kontakt ist und der kälteste Bestandteil des Kühlmittels außerhalb der Röhren 94 mit dem kältesten Bestandteil des Kühlmittels innerhalb der Röhren 94 in Kontakt ist. Dieser Gegenstrom sorgt für eine effiziente Wärmeübertragung.
Weiterhin ist der Kondensatorraum in dieser Vorrichtung außerhalb der Röhren 94, wie es in bekannten Systemen der Fall ist. Jedoch ist im Unterschied zu bekannten Systemen der Erzeugerraum des zweiten Kreislaufs innerhalb dieser Röhren.
In Bezug auf den Absorber 24 des ersten Kreislaufs besteht ein Unterschied darin, daß der Absorptionsprozeß an den Außenflächen 98 der Röhren 94 stattfindet, während der Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs innerhalb ein und derselben Röhren 94 angeordnet ist. Die Wände der Röhren 94 sind alles, was den Absorber 24 und den Erzeuger 32 voneinander trennt. Diese Anordnung macht es überflüssig, einen separaten Wärmetauscherkreis vorzusehen, in der eine separate Wärmetauscherflüssigkeit zwischen zwei Wärmetauschern zirkuliert wird, deren Wände jeweils ein zweites bzw. ein drittes Wärmetauschermedium in dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs bzw. dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs definieren.
Das vorliegende System stellt somit eine direkte Wärmetauscherbeziehung (d.h. mit einem einzigen Wärmetauschermedium) zwischen dem Absorber 24 des ersten Kreislaufs und dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs und zwischen dem Verflüssiger 40 des ersten Kreislaufs und dem Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs her. Dadurch werden sowohl ein Medium (Röhrenwand) als auch Mittel (Wärmetauscherflüssigkeit) sowie die Einrichtung zum Zirkulieren des Mittels eliminiert.
Ein anderes unterscheidendes Merkmal der vorliegenden Vorrichtung ist der Fluß von weniger flüchtigem Kühlmittel zur Absorption entlang der Außenseiten der Röhren 94, die im we sentlichen gerade sind und normalerweise vertikal ausgerichtet sind ("normalerweise" bezieht sich auf die Ausrichtung der Vorrichtung im Betrieb). Das Kühlmittel fließt an den Außenflächen 98 der Röhren 94 in einer sehr dünnen, großen Oberflächenschicht nach unten, wodurch eine große Kontaktfläche zwischen der weniger flüchtigen, flüssigen Phase und der Dampfphase des Kühlmittels vorhanden ist. Diese Röhren können äußere und/oder innere Vergrößerungseinrichtungen haben, um unter relativ geringen Kosten für eine größere Wärmetauscheroberfläche zu sorgen.
Die Flüssigkeit, die die äußeren Wände 98 hinunterfließt, und der Inhalt, der innerhalb der inneren Wände 96 der Röhren 94 aufwärts strömt, sind im Gegenstrom. Die Wärmeübertragung ist daher höchst effizient.
Der Behälter 72, der den Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs und den Absorber 46 des zweiten Kreislaufs enthält, ist in gewisser Weise der entsprechenden Vorrichtung des ersten Kreislaufs ähnlich. Der Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs kann ringförmig sein und den Absorber 46 des zweiten Kreislaufs enthalten, so daß der Kühlflüssigkeitsdampf von dem Verdampfer 44 des zweiten Kreislaufs innerhalb des Absorbers 46 des zweiten Kreislaufs freigesetzt wird. Die beschriebene Vorrichtung weist einen konventionellen Absorber 46 des zweiten Kreislaufs mit Zerstäubern auf, um die weniger flüchtigen, flüssigen Bestandteile des Kühlmittels abzutrennen.
Dem Fachmann sind viele weitere Mittel und Variationen bekannt. Diese Anderungen und Zusätze können ausgeführt werden, ohne vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel können der Absorber 24 des ersten Kreislaufs und der Kondensator 40 des ersten Kreislaufs, abhängig von der Kombination Kühlmittel/Absorbens, vertikal miteinander vertauscht werden und kann der Erzeuger 32 des zweiten Kreislaufs unverändert gelassen werden.
Mehrere andere Beispiele sind die folgenden: Die jeweiligen Kondensations- und Absorptionsvorgänge, die außerhalb der äußeren Wände 98 der Röhren 94 stattfinden, können umgekehrt werden. Drei oder mehr miteinander verbundene Kühlmittelschleifen können ebenso, gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen werden Weiterhin kann eine zusätzliche Wärme quelle verwendet werden, um das erste Kopfteil 86 und somit das enthaltene Kühlmittel zu erwärmen.
Im Hinblick auf die vorangegangene Beschreibung erschließen sich dem Fachmann viele weitere Mittel von selbst.
Somit wurde eine Mehrkreislauf-Absorptionskältevorrichtung gezeigt, die weniger Betriebsteile als bekannte Systeme aufweist. Es ist zu erwarten, daß diese Vorrichtung typischerweise effizienter als bekannte Vorrichtungen ist und weniger kostet, weniger wiegt, weniger Platz einnimmt und weniger Wärme verliert als bekannte Vorrichtungen. Die Notwendigkeit, Warme indirekt von einem Ort zu einem anderen innerhalb einer Mehrkreislauf-Absorptionskältevorrichtung zu übertragen, wurde beseitigt. Weiterhin wurden der Erzeuger eines unteren Kreislaufs und der Absorber und Verflüssiger eines oberen Kreislaufs in einem äußeren Behälter kombiniert. Damit wurden eines oder mehrere Ziele der vorliegenden Erfindung durch die beschriebene Vorrichtung erfüllt.
Durch Kombination des Erzeugers des zweiten Kreislaufs und des Absorbers und Verflüssigers des ersten Kreislaufs in eine einzige Einheit wurde die Einrichtung zur Wärmeübertragung von dem Absorber und Verflüssiger des ersten Kreislaufs zu dem Erzeuger des zweiten Kreislaufs eliminiert. Die durch den Erzeuger des ersten Kreislaufs erzeugte Wärme erwärmt direkt den Erzeuger des zweiten Kreislaufs. Dadurch werden Bestandteile eliminiert und Kosten sowie Platzanforderungen reduziert, wobei die Effizienz der Kühlung gesteigert wird.

Claims

1. Vorrichtung zur Übertragung von Wärme aus einer Wärmequelle (12) zu einer Wärmesenke (14), wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt:

- einen ersten Kreislauf mit einem ersten Erzeuger (26), einem ersten Verflussiger (40), einem ersten Verdampfer (16) und einem ersten Absorber (24), die betriebswirksam miteinander verbunden sind,

- einen zweiten Kreislauf mit einem zweiten Erzeuger (32), einem zweiten Verflüssiger (50), einem zweiten Verdampfer (44) und einem zweiten Absorber (46), die betriebswirksam miteinander verbunden sind,

- einen ersten Behälter (70), der durch eine Unterteilung in eine den ersten Absorber (24) umfassende erste Kammer und in eine den ersten Verflüssiger (40) umfassende zweite Kammer, die indirekt miteinander verbunden sind, unterteilt ist, und

- mindestens einen zweiten aus einem Wärmetauschmedium gebildeten Behälter, der den zweiten Erzeuger (32) umfaßt, einen Eintritt (86) und einen Austritt (92) besitzt, zwischen seinem Eintritt und seinem Austritt eine ungehinderte Strömung zuläßt und sich durch die erste und die zweite Kammer erstreckt, wodurch der zweite Erzeuger (32) über das Wärmetauschmedium in direktem Wärmetauschkontakt mit dem ersten Absorber (24) und dem ersten Verflüssiger (40) steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine zweite Behälter mindestens ein Rohr aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Rohr eine Außenfläche (98) und eine Innenfläche (96) aufweist und die erste und die zweite Kammer zum Teil durch die Außenfläche (98) des Rohrs definiert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Absorber (24) weiterhin Einrichtungen für ein Herabströmen einer weniger flüchtigen Komponente des Kühlmittels an der Außenfläche (98) des Mediums sowie Einrichtungen zum in Kontakt bringen des an der Außenfläche (98) des Mediums herabströmenden konzentrierten flüssigen Kühlmittels mit einem Kühlmitteldampf aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Unterteilung eine Trennwand (82) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Rohr (94) ein im wesentlichen gerades, normalerweise vertikales Rohr ist.