BEHÄLTER MIT WÄRMETAUSCHER FÜR KOMPAKTE SORPTIONSKÄLTEANLAGEN UND -WÄRMEPUMPEN SOWIE SORPTIONSKÄLTEANLAGE UND -WÄRMEPUMPE MIT EINEM SOLCHEN BEHÄLTER

Die Erfindung betrifft einen Behälter mit Wärmetauscher für kompakte Sorptionskälteanlagen oder -wärmepumpen nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie eine Sorptionskälteanlage oder - wärmepumpe mit einem solches Behälter nach Anspruch 10.

Dem Stand der Technik entsprechend beinhalten Absorptionskälteanlagen und Absorptionwärmepumpen als Hauptkomponenten Rohrbündelwärmetauscher in horizontaler Bauart. Diese Hauptkomponenten werden als Verdampfer, Absorber, Kondensator oder Austreiber betrieben. Im folgenden ist mit dem Begriff "Kälteanlage" immer der Einsatz eines Sorptionskreislaufs als Kälteanlage oder Wärmepumpe gemeint.

Diese horizontalen Rohrbündel werden typischerweise in Behältern installiert und auf der Rohraussenseite mit Kältemittel oder Sorptionsmittel (flüssig oder fest) beaufschlagt. Auf den Rohrinnenseiten strömt der jeweilige Wärmeträger, beispielsweise Wasser, evtl. in Mischungen, Dampf oder heißes Gas. Die abgeschlossenen Behälter dienen der Aufrechterhaltung des für die Funktion des Kälteanlagenprozesses erforderlichen Betriebsdruckes und halten störende Stoffe fern. Normalerweise befinden sich jeweils zwei Hauptkomponentenwärmetauscher gemeinsam in einem Behälter.

Die Abdichtung der Durchführung der Wärmetauscherrohre durch die Behälterwand erfolgt normalerweise durch Einwalzen, Löten oder Schweißen. Dies ist mit einem hohen Aufwand hinsichtlich Verarbeitung und Materialaufwand verbunden und birgt zudem Risiken im Hinblick auf die Betriebssicherheit und die Anlagenfunktion: Beim Betrieb im Überdruck können im Falle von Undichtigkeiten gefährliche Stoffe austreten. Beim Betrieb im Unterdruck können eindringende Stoffe die Funktion der Anlage beeinträchtigen. Dies gilt insbesondere für den Einfluß nichtkondensierbarer Gase auf die Funktion von Absorptionskälteanlagen mit dem flüssigen Arbeitsstoffpaar Wasser/wässrige Lithiumbromidlösung.

Die JP 2001 201 211 A zeigt einen Absorber für eine Kältemaschine, bei der ein Adsorptionsblock auf seiner Einlassseite am Heizmediumeinlass in eine erste Abschlussplatte eingebaut und damit verbunden ist und entsprechend am gegenüberliegenden Auslass in eine zweite Platte eingebaut ist. Parallel dazu wird analog ein Verdampfungs-/Kondensationsblock mit den beiden Platten verbunden und dann wird ein Gehäuse durch diese Platten beidseitig geschlossen, so dass die Kältemaschinenkomponenten luftdicht im Gehäuse liegen.

Aus der DE 41 41 556 A1 ist ein Wärmetauscher für eine Abgasanlage eines Kraftfahrzeugs bekannt, bei dem in einem Behälter eine Mehrzahl von Wärmetauscherschlangen angeordnet ist. Die Wärmetauscherschlangen werden außerhalb des Behälters in einem gemeinsamen Einlass und einem gemeinsamen Auslass zusammengeführt.

Aus der US 2 877 000 A ist ein Wärmetauscher für Kälteanlagen bekannt, bei dem in einem Behälter eine Mehrzahl von Wärmetauscherplatten mit Strömungskanälen in den Platten und zwischen den Platten angeordnet ist. Die Strömungskanäle in den Wärmetauscherplatten werden an den beiden Stirnseiten in einer Einlass- und einer Auslasskammer zusammengeführt. Durch Leit- und Trennbleche und die beabstandeten Wärmetauscherplatten werden die Strömungskanäle zwischen den Wärmetauscherplatten definiert. Durch die Leit- und Trennbleche werden die Wärmetauscherplatten im Abstand zu der Behälterwandung gehalten.

Die US 1,331,356 A offenbart einen Behälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ziel dieser Erfindung ist es, die Wärmetauscher so auszuführen, dass sowohl Herstellprozess und Herstellkosten günstig beeinflusst werden als auch die Funktion der Wärmetauscher verbessert oder Störungen des Kälteanlagenprozesses vermieden werden.

Dieses Ziel wird durch einen Behälter gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. durch eine Sorptionswärmepumpe bzw. Sorptionskältemaschine nach Anspruch 10 erreicht.

Gemäß der Erfindung wird der bzw. die Wärmetauscher derart in einem Behältern untergebracht, dass die Anzahl der erforderlichen Durchführungen durch die Wände des Behälters minmiert werden und gleichzeitig weiterhin eine kompakte Bauform der Kälteanlage möglich ist. Zudem erlaubt die erfindungsgemäße Ausführung der Wärmetauscher weitgehend die Beibehaltung der Anlagenkonzepte, Dimensionierungen und Konstruktionsdetails, die bisher bei den oben beschriebenen Anlagen mit horizontalen Rohrbündeln Verwendung finden. Die verwendeten Wärmetauschergeometrien müssen einen Betrieb mit geringen prozessinternen Druckverlusten, d.h. in der Dampfströmung vom Austreiber zum Kondensator sowie vom Verdampfer zum Absorber, zulassen.

Gemäß der Erfindung stützt sich die Behälterwandung auf dem wenigstens einen Wärmetauscher insbesondere punktuell ab.

Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.

Es zeigt

• Fig. 1 bis 6 eine erste Ausführungsform des Behälters mit einem Wärmetauscher in Form mäandrierender Rohrschlangen,
• Fig. 7 bis 8 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, die sich von der ersten Ausführungsform durch Lamellen zur Verbesserung des Wärmeübergangs unterscheidet,
• Fig. 9 bis 11 eine dritte Ausführungsform der Erfindung mit einem Wärmetauscher in Form von Wärmetauscherplattenpaaren,
• Fig. 12 eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die sich von der dritten Ausführungsform durch durchgehende Öffnungen in den Wärmetauscherplatten unterscheidet,
• Fig. 13 eine Skizze zur Erläuterung der Funktionsweise der dritten und vierten Ausführungsform,
• Fig. 14 eine erste Ausführungsform einer Sorptionswärmepumpe oder -kältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung,
• Fig. 15 eine zweite Ausführungsform einer Sorptionswärmepumpe oder -kältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung, und
• Fig. 16 einer fünften Ausführungsform des Behälters gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie insbesondere bei der Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine gemäß den Figuren 14 und 15 eingesetzt wird.

Im folgenden werden einige Bauformen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgeführt:

Horizontale Rohrpakete, wie sie beispielweise bei Luftkühlern Verwendung finden, jedoch ohne Lamellen zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Rohraussenseite (Fig. 1 bis 6).

Horizontale Rohrpakete, wie sie beispielweise bei Luftkühlern Verwendung finden, mit Lamellen zur Verbesserung des Wärmeübergangs auf der Rohraussenseite (Fig. 7 und 8). Diese Vergrößerung der äußeren Wärmetauscher kann insbesondere bei der Absorption und Desorption vorteilhaft sein.

Die vorgenannten Rohrpakete ähneln den typischerweise verwendeten Rohrbündeln mit in die Rohrplatten (stirnseitige Behälterwände) von Sorptionskälteanlagen eingewalzten horizontalen Rohren, jedoch wird auf die Durchführung jedes einzelnen Rohres (oder Haarnadelrohres) durch die Behälterwand verzichtet. Stattdessen wird ein meandrierender Rohrzug hergestellt, der den Behälter ausfüllt. Vorteilhafterweise füllt das Rohrpaket einen Quader, so dass es verfahrenstechnisch weiterhin wie ein Rohrbündel aufgefasst und behandelt werden kann. Für die Ausführung dieses meandrierenden Rohrzuges können Haarnadelrohre und U-Bögen - siehe Fig. 1 und 2 - und/oder meanderförmig gebogene Rohre - siehe Fig. 3 - verwendet werden. Die Herstellung ähnelt damit zumindest teilweise der Herstellung von Standardwärmetauschern aus der Kälte- und Klimatechnik, wie z.B. von Luftkühlern oder Verflüssigern.

Alternativ zu Rohren als Ausgangsmaterial für die Wärmetauscherherstellung können auch Wärmetauscherplatten eingesetzt werden - siehe Figuren 9 bis 13 -, ähnlich zu herkömmlichen Plattenwärmetauschern, jedoch derart modifiziert, dass ein Einsatz als Fallfilmapparat oder überfluteter Wärmetauscher möglich ist. In jedem Fall sind entsprechend große Dampfkanäle zwischen den Platten und bei der Positionierung im Behälter zur Vermeidung störender Druckverluste vorzusehen - siehe fig. 12 und 13.

Der Rohrzug bzw. die Wärmetauschergeometrie kann so ausgeführt werden dass - wie bei den herkömmlich verwendeten Rohrbündeln - eine serielle, parallele oder eine teilweise parallele Durchströmung der Abschnitte des Wärmetauschers erfolgt - siehe Fig. 4, 5 und 6.

Der jeweilige Wärmetauscher wird einzeln oder paarweise in einem Behälter montiert. Der Wärmeträger wird nur über eine Vor- und eine Rücklaufleitung oder über wenige Vor-Rücklaufleitungspaare oder mittels eines Sammler- oder Verteilerrohres und einzelnen Vor- oder Rücklaufrohren an den externen Wärmeträger (Kaltwasser, Kühlwasser, Antriebswärme, oder sinngemäß andere) angeschlossen. Es sind auch beliebige Kombinationen zwischen den vorgenannten Anschlussarten möglich. Beispiele zeigen die Figuren 4 bis 6.

Prinzipiell kommen beliebige andere Wärmetauschergeometrien für eine Verwendung entsprechend dieser Erfindung in Frage, die es erlauben die Anzahl der Durchführungen der den Wärmeträger führenden Leitungen durch die Behälterwände zu reduzieren.

Erfindungsgemäß gestaltete Wärmetauscher können in beliebigen ein- und mehrstufigen geschlossenen Sorptionskälteanlagen mit flüssigen oder festen Sorbentien eingesetzt werden. Sie sind insbesondere geeignet für kompakte Anlagen mit Verdampferleistungen im Bereich bis wenige 100kW. Entsprechende Kälteanlagen können beispielsweise mit Solarwärme oder Niedertemperaturwärme, beispielsweise aus Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen oder beliebigen Abwärmequellen, angetrieben werden. Ein weiteres Einsatzgebiet sind Wärmepumpen zur Hausheizung, Brauchwassererwärmung oder in industriellen Anwendungen.

Die erfindungsgemäße Ausführung der Hauptkomponentenwärmetauscher - oder auch des Lösungswärmetauschers, d.h. mit Kälte-/Sorptionsmittelmischung auf der Wärmetauscheraussen- und -innenseite - eröffnet die folgenden Vorteile:

Verringerung der Anzahl der Durchführungen durch die Behälterwände. Dadurch Verringerung der Anzahl potentieller Leckagestellen und damit Verbesserung der Anlagenfunktion, insbesondere Verringerung des Eindringens nicht-kondensierbarer Gase. Gleichzeitig Verringerung des Herstellaufwands und der Herstellkosten; gegebenenfalls können Bauteile oder Teilschritte der Herstellung von Standardwärmetauschern genutzt werden. Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Wärmetauscher wird eine schwächere Dimensionierung der Behälterwände möglich, insbesondere kann die Stärke der stirnseitigen Behälterabschlüsse (Rohrplatten), in die dem Stand der Technik entsprechend die horizontalen Wärmetauscherrohre eingewalzt werden, verringert werden. Zudem ergibt sich ein geringere Beanspruchung der Behälterwand in Folge thermischer Dehnung des Wärmetauschermaterials, da der Wärmetauscher nicht fest in der Behälterwand eingespannt wird. Dies erlaubt eine Reduzierung der Materialkosten und des Anlagengewichts.

Fig. 14 zeigt eine erste Ausführungsform einer Sorptionswärmepumpe bzw. -kältemaschine mit einem ersten und einem zweiten Behälter/Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung. Der erste Behälter/Wärmetauscher umfaßt einen Wärmetauscher, der als gefluteter Generator oder Austreiber G ausgebildet ist und einen zweiten Wärmetauscher, der als Kondensator K ausgebildet ist. Der zweite Behälter/Wärmetauscher umfaßt einen dritten Wärmetauscher, der als Rieselverdampfer V und einen vierten Wärmetauscher, der als Rieselabsorber A ausgebildet ist. Der Boden des ersten Behälter/Wärmetauschers ist mit Lösung geflutet - Lösungssumpf, wobei der Lösungssumpf den ersten Wärmetauscher, d. h. den Generator G vollständig überdeckt - gefluteter Generator. Über dem Lösungssumpf ist der zweite Wärmetauscher, d. h. der Kondensator K angeordnet. Unmittelbar unter dem Kondensator K ist eine Kondensatauffangwanne für das aus dem Kondensator K abtropfende Kältemittelkondensat vorgesehen.

Der Boden des zweiten Behälter/Wärmetauschers ist in eine Wanne für Kondensat mit darüberliegendem Rieselverdampfer V und eine Wanne für Lösung mit darüberliegenden Rieselabsorber A unterteilt. Aus der Wanne für Lösung wird die Lösung abgezogen und über eine Lösungspumpe zum einen dem Lösungssumpf im ersten Behälter/Wärmetauscher zugeführt und zum anderen über eine Verteilerdüse in den Absorber A bzw. den zweiten Behälter/Wärmetauscher zurückgeführt. Durch diesen Rezirkulationskreis wird für eine dauerhafte Benetzung des Rieselabsorbers A gesorgt. Arme Lösung aus dem Lösungssumpf des ersten Behälter/Wärmetauschers wird der Wanne für Lösung in dem zweiten Behälter/Wärmetauscher zugeführt. Kältemittelkondensat aus der Kondensatauffangwanne wir der Wanne für Kondensat im zweiten Behälter/Wärmetauscher zugeführt. Über eine Kondensatpumpe wird beständig Kondensat aus der Wanne für Kondensat abgeführt und über eine Verteilerdüse über dem Rieselverdampfer verteilt. Zwischen der aus dem Generator G abgezogenen und dem Generator G zugeführten Lösung ist ein Lösungswärmetauscher LWT vorgesehen.

Durch den überfluteten Generator G und die Rezirkulation der Lösung im Rieselabsorber A ist für eine gute Benetzung von Generator und Absorber gesorgt. Durch die Verwendung eines überfluteten Generators G verringert sich der Lösungsmassenstrom und der Betrieb der Sorptionsanlage wird effizienter - verbesserter COP. Der vorgesehene Aufbau mit Pumpe und Rezirkulation ermöglicht den Einsatz von Verteilerdüsen oder andere mit Druck zu beaufschlagende Verteilereinrichtungen im Absorber.

Die zweite Ausführungsform der Soprtionswärmepumpe bzw. kältemaschine nach Fig. 15 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 14 lediglich hinsichtlich des Aufbaus des ersten Behälter/Wärmetauschers. Kondensator K und Generator G sind nicht übereinander, sondern wie Absorber A und Verdampfer V nebeneinander in einem gemeinsamen Behälter angeordnet. Der Generator G ist als Rieselaustreiber ausgebildet, wobei die Lösung mittels einer Verteilerdüse über dem Rieselaustreiber verteilt wird. Im übrigen entspricht die Ausführungsform nach Fig. 15 der Ausführungsform nach Fig. 14.

Fig. 16 zeigt schematisch den Aufbau des ersten und zweiten Behälter/Wärmetauschers in Form von Rohrbündeln mit senkrecht zu den Rohrbündeln verlaufenden rechteckförmigen Lamellen. Die Rohrbündel werden durch rechteckförmige Stirnbleche abgeschlossen, die etwas größer sind als die Lamellen. Zwischen den Lamellen sind weitere Tragbleche vorgesehen, die die gleiche Größe wie die Stirnbleche aufweisen. Die Stirn- und Tragbleche stützen die Behälterwandung des umschließenden Behälters ab. Gleichzeitig wird die Wärmeankoppelung des Wärmetauschers mit der Behälterwandung auf einem Minimum gehalten.