Beschreibung
SOLARTHERMISCH BETRIEBENE KÜHLANLAGE
Die Erfindung betrifft eine solarthermisch betriebene Kuhlanlage sowie eine Anlage zur kombinierten Heizung und Kühlung mit Sonnenenergie und ein Verfahren zum Betreiben dieser Anlagen
Stand der Technik
Das Kuhlen von Räumen oder Substanzen ist eine seit alters her geübte Technik So wurden bereits in der Antike Flüssigkeiten in porösen, irdenen Gefäßen dadurch gekühlt, daß Flüssigkeit durch diese Poren hindurch verdampfte
Auch in den meisten modernen Kuhlanlagen (siehe unten) ist das Verdampfen von Flüssigkeiten der wesentliche Bestandteil des Kuhlkreislaufes Prinzipiell lassen sich jedoch tiefe Temperaturen auch durch eine ganze Reihe von anderen Vorgangen erzielen, so z B durch Mischen von Stoffen, die eine positive Mischungsenthalpie aufweisen, sich also beim Mischen abkühlen Beispielsweise kann durch das Mischen von Eis und Kochsalz eine Temperatur von -22 °C erzielt werden Eine Kältemaschine, die die Mischungswarme von zwei Flüssigkeiten zur Erzeugung von Kalte nutzt, wurde von V P Latyshev, Kholod Tekh 1982,
34-8, beschrieben Ebenfalls auf der Basis von Flüssigkeiten mit positiver Mischungswarme beruhte die von M G Verdiev et al entwickelte Kältemaschine Dabei kamen zwei thermoelektrische Batterien zum Einsatz Als Stoffpaar wurde Methylbromid/ Propan eingesetzt (M G Verdiev et al , Izv Vyssh Uchebn. Zaved , Energ 1980, 23(8), 67-71 )
Das Prinzip der Kompressionskältemaschine, die z B in den meisten Haushaltskuhlschranken angewandt wird, beruht darauf, daß ein gasformiges
Kältemittel unter Druck verflüssigt wird Die dabei auftretende Warme wird abgeführt. Beim nachfolgenden Entspannen verdampft das Kältemittel und entzieht die zur Verdampfung benotigte Warme dem Kuhlraum Die Absorptionskaltemaschine arbeitet wie die Kompressionskältemaschine auf 2 Druckniveaus jedoch auf 3 Temperaturniveaus Dabei ist der mechanische Verdichter durch einen thermischen Verdichter ersetzt Arbeitsstoff ist ein Zweistoffgemisch, bestehend aus dem Arbeits- oder Kältemittel und dem Sorptions- oder Losungsmittel Die Fähigkeit des Sorptionsmittels das Kältemittel zu losen, bestimmt die Wirkungsweise dieses Prozesses Als Arbeitsstoffpaare werden vor allem das Stoffpaar
Wasser/Lithiumbromid und das Stoffpaar Ammoniak/Wasser eingesetzt Neuerdings werden auch andere Stoffpaare getestet, so z B das Stoffpaar 1 , 1 , 1 ,2 - Tetrafluorethan (R1 34a) /Tetraethylenglykoldimethylether (DMETEG) (I Borde et al , Int J Refπg 1995, 18(6), 387-94) Zur Funktionsweise einer kontinuierlich arbeitenden Absorptionskaltemaschine siehe z B F W Winter, Technische Wärmelehre, Verlag W Giradet, Essen, 275ff
Eine derartige Absorptionskaltemaschine hat wenigstens die folgenden 4 Hauptbestandteile
- einen Kocher (Austreiber) Hier wird Ammoniak, z B durch
Gasbeheizung, verdampft
- einen Kondensator Hier wird das ausgetriebene Ammoniak kondensiert, die frei werdende Warme abgeführt
- einen Verdampfer Hier wird das Ammoniak bei reduziertem
Druck verdampft Die dazu erforderliche Warme wird dem Kuhlraum entzogen
- einen Absorber Hier nimmt das aus dem Kocher kommen- de Wasser die aus dem Verdampfer kommenden Ammoniakdampfe wieder auf Die dabei frei werdende Absorptions- und Kondensationswarme werden abgeführt
Als Antriebsenergie erfordert die Absorptionskaltemaschine neben einem geringen Anteil hoherwertiger (z B elektrischer) Energie für die Losungspumpe lediglich minderwertige thermische Energie
Dies ist sicher ein Grund, warum gerade Absorptionkaltemaschinen zur solaren Kühlung eingesetzt worden sind
Ganz allgemein steigt das Interesse an solarer Kühlung, d h der Nutzung von Sonnenwarme für Kuhlzwecke Dabei wird die Sonnenenergie sowohl zum Betrieb von Kuhlschranken als auch zur Kühlung (Klimatisierung) von Räumen genutzt Gebaudekhmatisierung mittels Sonnenenergie ist dabei besonders interessant, da Solarangebot und Kuhlbedarf optimal zusammenfallen (siehe auch Fraunhofer Gesellschaft, Jahresbericht 1995, S 82)
Eine ganze Reihe von Systemen zur solaren Kühlung ist zusammengestellt im Solar Energy Technology Handbook, Part B, Herausgeber William C
Dickinson, Paul N Cheremisinoff, Kapitel 30, 1 03ff
Darin werden solar betriebene Absorptionskalteanlagen beschrieben, die mit den Systemen Ammoniak/Wasser, Lithiumchloπd/Wasser und Lithiumbromid/Wasser arbeiten Danach hat insbesondere das System Lithiumbromid/Wasser eine gewisse Verbreitung in solar betriebenen
Klimaanlagen gefunden
Wie diese Studie auch zeigt, ist eine kombinierte Solarheizung und Solarkuhlung deutlich effektiver als Heizung oder Kühlung allein
Auch die Absorptionskaltemaschine gemäß DE-OS 19535840 bzw die in
DE-OS 19535841 beschriebene Vorrichtung zur Klimatisierung arbeiten mit Lithiumbromid/Wasser
Für Zwecke der solaren Kühlung wird auch die Sorptionstechnik mit dem Stoffpaar Wasser/Zeolith untersucht Bei diesem System wird die hohe Bindungstendenz des Zeolithen für Wasser genutzt So erfolgt im evakuierten System die Aufnahme des Wasserdampfes im Zeolith so heftig, daß das Wasser unter Eisbildung verdampft Das Regenerieren des Zeolith, d h das Austreiben des Wassers aus dem Zeolith erfolgt mit Sonnenenergie
bei Temperaturen > 200°C (siehe auch DE-OS 3521448 sowie S Muller, S Zech, Sonnenenergie 6/96, 22-24)
Ein Kuhlsystem auf der Basis Aktivkohle/Ammoniak wird von J Bougard et al beschrieben, Sei Tech Froid 1992 ( 1 , Froid a Sorption solide), 302-7 Das in DE-OS 4340812 beschriebene System zum Heizen und Kuhlen arbeitet mit Zeolith als Speichermedium und Ethan als Arbeitsmittel
Aufgabenstellung
Besonderes Interesse im Bereich der solaren Kühlung hat das System Zeolith/Wasser gefunden Dabei werden zum Regenerieren des Zeolith, also zum Austreiben des Wassers jedoch Temperaturen > 200°C benotigt, die mit den derzeit gebrauchlichen Flachkollektoren nur schwer zu erreichen sind So werden für das Austreiben des Wassers z B spezielle Parabol- kollektoren eingesetzt Hinzu kommt, daß die Handhabung einer solchen, periodisch arbeitenden Zeolith/Wasser- Kältemaschine recht komplex ist (siehe Stefan Eichengrun et al , Ki Luft- und Kaltetechn 1994, 30(3 ) 1 12)
Andererseits sind die solar betriebenen Absorptionskaltemaschinen, die mit dem Stoffpaar Lithiumbromid/Wasser arbeiten, durch den Salzgehalt in ihrem Einsatzbereich beschrankt
Bei dem in einem relativ breiten Bereich einsetzbaren System Ammoniak/ Wasser müssen demgegenüber relativ hohe Temperaturen und Drücke eingesetzt werden, so daß auch dieses System mit den üblicherweise eingesetzten Sonnenkollektoren nicht ohne weiteres zu nutzen ist Einen Ausweg bietet hier u U die von D T Rose et al (AES (Am Soc Mech Eng ) 1994, 3 1 (Absorption Heat Pump Conference, 1994), 109- 1 5) beschriebene zweistufige Ammoniak/Wasser- Absorptionskalteanlage, die allerdings einen recht komplexen Aufbau zeigt
Nach wie vor fehlt es also an einer solarthermisch betriebenen Kälteanlage bzw Klimaanlage, die einfach aufgebaut ist und ohne große Arbeitsdrucke auskommt
Losung
Es wurde nun gefunden, daß die Anforderungen an eine solar betriebene Kuhlanlage in hervorragender Weise erfüllt werden durch die erfindungsgemaße Kuhlanlage, die die folgenden Bestandteile enthalt
- einen direkt oder indirekt solar beheizten Austreiber (Kocher),
- einen Verflussiger (Kondensator),
- eine Mischeinrichtung und - ein Stoffpaar, bestehend aus 2 Flüssigkeiten, die a) eine Mischungswarme ΔH > 500 J7 mol Mischung aufweisen, b) einen Unterschied in den Siedepunkten von > 20°C zeigen, c) von denen wenigstens 1 Komponente einen Siedepunkt > 50°C aufweist
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kühlung mittels Sonnenenergie, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Flussigkeitsgemisch bestehend aus wenigstens 2 Komponenten, die eine Mischungswarme ΔH > 500 J/ mol aufweisen, sich hinsichtlich des Siedepunktes um mehr als 20°C unterscheiden und von denen wenigstens eine Komponente einen
Siedepunkt > 50°C hat, in einer Anlage enthaltend einen direkt oder indirekt solar beheizten Austreiber (Kocher), einen Verflussiger (Kondensator) und eine Mischeinrichtung im Kreis gefuhrt wird, wobei die Mischung im Austreiber in eine gasformige Komponente 1 und eine nicht verdampfende Komponente 2 getrennt wird, die Komponente 1 im
Verflussiger verflüssigt wird, die flussigen Komponenten 1 und 2 in der Mischeinrichtung unter Aufnahme von Energie gemischt werden und schließlich die erhaltene Mischung wieder dem Austreiber zugeführt wird
Sieht man einmal von den naturlich auch hier zum Einsatz kommenden
Warmetauschtechniken (Gegenstromkuhlung etc ) ab, so wird bei diesem Verfahren an 2 Stellen Energie aufgenommen beim Mischen der beiden Flüssigkeiten (eigentlicher Kuhlvorgang) und beim Verdampfen (Austreiben) der Komponente 1 im Austreiber mittels Sonnenenergie
Die Abgabe der Energie erfolgt im wesentlichen im Verflussiger (Kondensationswarme der Komponente 1 )
Es handelt sich bei der erfindungsgemaßen solar betriebenen Kuhlanlage also um eine sehr einfache Anlage Diese Anlage besteht im wesentlichen aus den in Fig 1 und Fig 2 dargestellten Bauteilen, d h einem solar betriebenen Austreiber, einem Verflussiger und einer Mischeinrichtung Der Unterschied zur solar betriebenen Absorptionskaltemaschine besteht darin, daß die Kühlung durch das Mischen erfolgt und nicht durch Verdampfen bei reduziertem Druck Dadurch bedingt arbeitet die Anlage in der Regel auch auf einem einzigen (niedrigen) Druckniveau
Wesentlich ist auch, daß das Austreiben der niedrig siedenden Komponente 1 in einem Temperaturbereich, z B 40- 180°C, oder bevorzugt 50- 1 50°C erfolgt, der mit den Sonnenkollektoren entsprechend dem Stand der Technik poblemlos erreicht wird Auf den ersten Blick von Nachteil ist der Umstand, daß bei der erfindungsgemaßen solar betriebenen Kuhlanlage der recht hohen Verdampfungswarme eine Mischungswarme entgegensteht, die in der Regel nur einen Bruchteil der Verdampfungswarme ausmacht, z B 20% Dagegen steht der sehr einfache Aufbau der Anlage und das breite Anwendungsspektrum Hinzu kommt, daß diese erfindungsgemaße Kuhlanlage problemlos mit einem Sonnenkollektorsystem zur Brauchwassererwarmung kombiniert werden kann, wobei die Kühlung als Zusatznutzen z B zur Klimatisierung anfallt
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Komponenten der Mischung
Wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemaßen solar betriebenen Kuhlanlage ist eine geeignete Mischung, d h ein geeignetes Stoffpaar, bestehend wenigstens aus den Komponenten 1 und 2 Gegenenfalls kann die Mischung auch noch weitere Bestandteile enthalten, diese werden unter Umstanden eingesetzt zur Beeinflussung des Trennvorganges
(Beeinflussung eines Azeotropes) oder der Rheologie der Mischung. In untergeordneten Anteilen kann die Mischung auch stabilisierende Zusätze wie z.B Alterungsschutzmittel enthalten
Ein geeignetes Stoffpaar, d h eine geeignete Mischung, ist wenigstens durch die folgenden Merkmale charakterisiert
- eine hohe Mischungswarme,
- gute Trennbarkeit durch Verdampfen einer Komponente, - Umweltvertraglichkeit,
- Langzeitstabilitat
Wesentlich für das Funktionieren der erfindungsgemaßen Kuhlanlage ist der Einsatz eines Stoffpaares mit einer möglichst hohen Mischungswarme, d h der Einsatz eines Stoffpaares, das sich beim Mischen deutlich abkühlt
So hat ein geeignetes Stoffpaar eine Mischungswarme ΔH > 500 J/mol Mischung oder bevorzugt ΔH > 1000 J/ mol Mischung Insbesondere, wenn es sich um Stoffpaare mit einem mittleren Molekulargewicht > 80 g/ mol handelt, sind jedoch Mischungswarmen ΔH > 1 500 J/ mol Mischung bevorzugt
Gunstiger ist es im allgemeinen die Mischungswarme auf ein kg Mischung zu beziehen So sollte die Mischungswarme eines geeigneten Stoffpaares im allgemeinen ΔH > 10 kJ/ kg Mischung betragen Bevorzugt ist eine Mischungswarme ΔH > 20 kJ/ kg Mischung
Andererseits kann man auch direkt die Temperaturanderung beim Mischen der Stoffe als Kriterium für die Auswahl eines geeigneten Stoffpaares heranziehen Als Anhaltspunkt laßt sich feststellen, daß die Abkühlung beim Mischen wenigstens 4°C, besser wenigstens 6°C oder bevorzugt wenigstens 8°C betragen sollte Besonders bevorzugt sind solche
Stoffpaare, die sich beim adiabatischen Mischen um mehr als 10°C abkühlen.
Prinzipiell können geeignete Stoffpaare direkt aus Standard- Nachschlagewerken wie z B James J Christensen et al , Handbook of
Heats of Mixing, John Wiley & Sons, New York bzw Christensen et al , Heats of Mixing Data Collection (Chemistry Data Series 3/1 ,2), Frankfurt DECHEMA 1984, entnommen werden Daneben lassen sich geeignete Mischungspartner auch durch Inkrementenmethoden berechnen, so z B UNIFAC (siehe auch A Fredenslund et al , AICHE Journal, 21 , 1086 ( 1975) oder J W Barlow et al , Macromolecules 1988, 21 , 2492-2502 und Macromolecules 1989, 22, 374-80)
Allgemein sind anorganische wie organische Flüssigkeiten von Interesse Als Mischungskomponente interessant ist z B Wasser Bevorzugt sind jedoch Stoffpaare, die wenigstens eine organische Fussigkeit beinhalten Besonderes Interesse finden Mischungen, bei denen beide Komponenten organische Flüssigkeiten darstellen Wenigstens eine der Komponenten hat einen Siedepunkt > 50°C, bevorzugt > 80°C Besonders bevorzugt sind Stoffpaare, bei denen die hoher siedende Komponente, im folgenden als
Komponente 2 angesprochen, einen Siedepunkt > 1 20°C oder noch gunstiger einen Siedepunkt > 160°C aufweist
Ganz allgemein sind solche Stoffpaare interessant, die chemisch sehr unter- schiedlich sind, sich also z B hinsichtlich der funktionellen Gruppen unterscheiden Zwar findet man auch Stoffpaare mit positiven Mischungswarmen, wenn die Komponente 1 und Komponente 2 derselben Substanzklasse angehören, sich z B lediglich hinsichtlich der Geometrie unterscheiden wie z B die Kohlenwasserstoffe Cyclohexan/ Heptan Für dieses Stoffpaar findet man eine Mischungswarme ΔH ca 280 J/ mol
Ein derartiger Wert für die Mischungswarme ist jedoch für einen Einsatz in der erfindungsgemaßen solar betriebenen Kuhlanlage zu gering Erfindungsgemaß sind - wie dargestellt- Stoffpaare, die eine Mischungswarme ΔH > 500 J/ mol aufweisen Ganz besonders geeignet sind jedoch solche Stoffpaare, die eine deutlich höhere Mischungswarme, z B ΔH > 2000 J/ mol zeigen
Von besonderem Interesse als Mischungspartner ist die Substanzklasse der reinen Kohlenwasserstoffe, der Alkane Diese zeigt mit einer ganzen Reihe anderer Substanzklassen hohe Mischungswarmen
Dabei kann die Substanzklasse der Alkane sowohl als leicht fluchtige Komponente 1 zum Einsatz kommen (z B Pentan) als auch die schwerer fluchtige Komponente 2 stellen (z B langerkettige Kohlenwasserstoffe wie Dodecan)
Im folgenden sind Substanzklassen aufgeführt, die erfindungsgemaß mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen kombiniert werden können
- Halogenkohlenwasserstoffe, z B Fluoralkane, Chlorkohlenwasserstoffe, - Carbonylgruppen enthaltende Verbindungen wie
- Ketone, z B Aceton/Hexadecan ΔH 2374 J/ mol
- Ester, z B Methylacetat/Dodecan ΔH 2141 J/ mol
- Amide, insbesondere N,N- Dialkylamide, z B N,N- Dimethylacetamid/Heptan ΔH 1236 J/ mol - Carbonsauren, z B Essigsaure/Cyclohexan ΔH ca 1000 J/ mol
- Nitroverbindungen, z B Nitroethan/2,2-Dimethylbutan ΔH ca 1610 J/ mol
- Amine, z B Pyridin/Hexan ΔH 1 590 J/ mol
- Ether/Ketale, auch cyclische, z B Diethylenglykoldimethylether/Heptan ΔH 1650 J/ mol
Alkohole sind als Mischungspartner für Alkane ebenfalls von Interesse Es sind jedoch gewisse Einschränkungen zu beachten Alkohole/Alkane zeigen eine ausgeprägte Abhängigkeit der Mischungswarme von der Temperatur und neigen insbesondere bei tiefen Temperaturen zu Mischungslucken Noch ausgeprägter ist die Temperaturabhangigkeit beim System
Essigsaureanhydrid/Cyclohexan Dieses System ist bei Raumtemperatur nur zu einem geringen Anteil mischbar Bei erhöhter Temperatur, z B 60°C, ist es jedoch gut mischbar und zeigt dann eine Mischungstemperatur von ΔH ca 3000 J/ mol Ein derartiges System ist demzufolge nur bei erhöhter Temperatur einsetzbar
Von den hier genannten Kombinationsmoglichkeiten mit Alkanen sind insbesondere die Fluoralkane und die Carbonylgruppen enthaltenden Systeme wie Ester oder Ketone bevorzugt
Ebenso wie die hier dargestellten Kombinationsmoglichkeiten mit Alkanen lassen sich auch andere Substanzklassen miteinder kombinieren (siehe z B Christensen et al , loc cit )
Interessant ist z B die Kombination von Methyl-t -butylether (MTBE) mit sehr polaren Mischungspartnern MTBE ist eine sehr stabile, niedrig siedende Verbindung, die eine niedrige Verdampfungswarme aufweist
Von besonderem Interesse sind die Kombinationen Alkohol/Keton, Alkohol/Ester und Alkohol/Nitril So zeigt die Mischung Isopropanol/
Aceton eine Mischungswarme von ΔH ca 1600 J/ mol, ebenso deutlich positiv ist die Mischung Isopropanol/Methylacetat (ΔH ca 1600 J/ mol)
Prinzipiell kann das Mischungsverhältnis der Komponenten 1 und 2 im Bereich 1 9 bis 9 1 liegen (Gewichtsteile) Im allgemeinen wird man die
Komponenten jedoch im Verhältnis 3 7 bis 7 3 (Gewichtsteile) einsetzen Insbesondere wenn die Anlage ausschließlich Kuhlzwecken dient, ist es vorteilhaft, die Komponente 1 , für die die Verdampfungsenergie aufgebracht werden muß, im Unterschuß einzusetzen In diesem Fall ist ein Verhältnis Komponente 1 zu Komponente 2 im Bereich 2 8 bis 4 6
(Gewichtsteile) bevorzugt
Trennbarkeit der Stoffpaare im Austreiber
Von den oben dargestellten Stoffpaaren mit einer Mischungswarme ΔH > 500 J/ mol sind diese von besonderem Interesse, die einen möglichst großen Unterschied im Siedepunkt aufweisen In der Regel sollte dieser Unterschied mehr als 20°C oder bevorzugt mehr als 40°C betragen Die Trennbarkeit der Stoffe wird erleichtert, wenn die Komponente 2 einen um mehr als 80°C höheren Siedepunkt aufweist als die Komponente 1 Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die Komponenten 1 und 2 sich in ihrem Siedepunkt um mehr als 120°C unterscheiden und kein Azeotrop bilden
Bei einem derartigen Unterschied im Siedepunkt gelingt die Trennung der Komponenten im Austreiber auch bei sehr unterschiedlichem Energieeintrag Dabei kann es durchaus von Vorteil sein, daß bei besonders hohem Energieeintrag (also bei besoders hoher Sonneneinstrahlung) das Austreiben der Komponente 1 im Austreiber nahezu vollständig erfolgt, wobei dann beim Mischen der fast reinen Komponenten eine besonders starke Kühlung erfolgt, wahrend bei nur geringer Sonneneinstrahlung das Austreiben der Komponente 1 aus der Mischung nur unvollständig gelingt, Komponente 2 also noch erhebliche Anteile an Komponente 1 enthalt (z B 20%) Dies bewirkt eine deutlich geringere Temperaturabsenkung
(siehe Beispiel 10)
Damit ist z B eine Klimaanlage realisierbar, die ohne zusatzliche aufwendige Regelung auskommt
Bezuglich einer Auswahl geeigneter Stoffpaare bietet sich zunächst die große Anzahl der literaturbekannten Stoffpaare an, die eine Mischungswarme ΔH > 500 J/ mol zeigen, einen ausreichend großen Unterschied hinsichtlich des Siedepunktes aufweisen und kein die Trennung störendes Azeotrop bilden (siehe auch Azeotropic Data 3 (Adv Chem Series 1 16), Washington ACS 1973 )
Geht man beispielsweise vom Stoffpaar Keton/Alkan aus und wählt das Keton als leicht fluchtige Komponente 1 , so sind eine Reihe von literaturbekannten Mischungen direkt geeignet Hier sind z B zu nennen (Siedepunkte der Komponenten jeweils in Klammer) Aceton (56°C)/Decan ( 174°C), ΔH 1978 J/ mol,
Ethylmethylketon(79°C)/Dodecan (216°C), ΔH 1664 J/ mol
Will man bei diesen Mischungen beispielsweise den Einsatzbereich zu tiefen Temperaaturen hin vergrößern, so wird man verzweigte Alkane wählen, die einen deutlich niedrigeren Festpunkt haben
Andererseits kann man auch das Alkan als fluchtige Komponente 1 wählen und entsprechend das Keton als hoher siedende Komponente Dabei kommen als Alkane z B die verschiedenen Butane, Pentane oder Hexane in Frage, als Ketone entsprechend hoher siedende Verbindungen, z.B
Diethylketon oder Cycloalkanone Lediglich, wenn die Anlage unter erhöhtem Druck arbeiten soll, ist Aceton als Komponente 2 von Interesse, etwa in der Kombination mit Butan als Komponente 1
Ganz analog ist das Stoffpaar Ester/Alkan zu sehen Auch hier kann man beim Einsatz des Esters als fluchtiger Komponente 1 direkt die in der Literatur beschriebenen Stoffpaare auf Basis niedrig siedender Formiate oder Acetate einsetzen, so z B die Mischungen Methylacetat (56°C)/Dodecan (216°C), ΔH 2140 J/ mol oder Ethylacetat (77°C)/Dodecan (216°C), ΔH 1 768 J/ mol
Bei Wahl des Alkans als Komponente 1 wird man sich jedoch nicht auf die literaturbekannten Stoffpaare wie
Hexan (68°C)/Methylbenzoat ( 199°C), ΔH 1372 J/ mol,
Hexan (68°C)/Dimethylcarbonat (90°C), ΔH 1 896 J/ mol, beschranken, sondern beispielsweise statt des Hexans das tiefer siedende
Pentan (34°C) und statt des Dimethylcarbonat das hoher siedende Diethylcarbonat ( 121 °C) wählen, das in der Literatur beispielsweise als Mischungspartner für Dodecan beschrieben ist Ganz allgemein ist die Mischung niederes Alkan (z B die verschiedenen Butane, Pentane, Hexane)/Dimethyl- oder Diethylcarbonat von Interesse
In der Regel laßt sich bei einer gegebenen Mi schung der Siedepunkt einer Komponente dadurch verringern, daß man z B in einer homologen Reihe eine Komponente mit niedrigerem Molekulargewicht wählt, z B die Mischung Hexan (68°C)/Diethylcarbonat ( 121 °C) statt der in der Literatur beschriebenen Mischung Dodecan (216°C)/Diethylcarbonat ( 121 °C)
Die inverse Vorgehensweise, d h ausgehend von einer bekannten Mischung das Molekulargewicht einer Komponente zu erhohen, etwa um den Siedepunkt anzuheben, ist nicht immer möglich Hier treten häufig Mischungslucken auf Generell gilt, daß wenigstens die Komponente 1 der Mischung ein Molekulargewicht < 100g/ mol aufweisen sollte Im allgemeinen ist es von Vorteil, wenn auch die hoher siedende Komponente 2 ein relativ niedriges Molekulargewicht, z B < 400 g/ mol aufweist
Besonders interessant sind die Stoffpaare Alkohol/Keton und Alkohol/ Ester, die auch beim Einsatz relativ hoch molekularer Komponenten in der Regel vollständige Mischbarkeit und recht hohe Mischungswarmen zeigen Hier sind z B als Stoffpaare zu nenen
Aceton und Ethylmethylketon als Komponente 1 und langerkettige, insbesondere auch verzweigte Alkohole, z B C4- C I O Alkanole oder mehrwertige Alkohole als Komponente 2, beispielsweise Ethylmethylketon (79°C)/l ,3-Butandiol (204°C), ΔH ca 1600 J/ mol oder Aceton (56°C)/ l -Hexanol ( 1 57°C), ΔH 1784 J/ mol
Noch breiter sind die Variationsmoglichkeiten im Bereich Ester/Alkohol Hier lassen sich z B niedere Ester mit höheren Alkoholen kombinieren, z B Ethylacetat (77°C)/3-Methyl- l -butanol ( 13 1 °C), ΔH ca 2700 J/ mol oder niedere Ester wie Methanol, Ethanol, Propanol und Isopropanol als Komponente 1 und höhere Ester als Komponente 2, z B
Isopropanol/Dialkylester von Dicarbonsauren wie Dialkylsuccinate, Dialkyladipate Als Esterkomponente von Interesse sind auch Ester von Diolen und hoch siedende cyclische Ester wie Propylencarbonat Bevorzugt als Komponente 1 ist Isopropylalkohol und ein Diisopropylester einer Dicarbonsaure als Komponente 2
Anforderungen an Umweltvertraglichkeit / Langzeitstabilitat
Neben der Anforderung einer möglichst hohen Mischungswarme und einer guten Trennbarkeit im Austreiber müssen die Stoffpaare selbstverständlich umweltvertraglich und stabil sein
So sind Alkan/Chlorkohlenwasserstoff- Kombinationen, insbesondere Stoffpaare, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe enthalten, weniger bevorzugt Gut geeignet sind dagegen Fluorkohlenwasserstoff/ Alkan- Kombinationen
Diese Stoffpaare zeigen gute Stabilität, darüber hinaus zeichnen sich Fluorkohlenwasserstoffe durch eine niedrige Verdampfungswarme aus Gut geeignet sind auch Alkan/Keton- und Alkan/Ester- Kombinationen
Insbesondere unter dem Aspekt der Langzeitstabilität sind jedoch Alkohol/Ester- Kombinationen nur eingeschränkt einsetzbar. Zum einen erforden diese Stoffpaare den Einsatz von Trockenmitteln, um eine Hydrolyse des Esters zu verhindern, zum anderen besteht die Gefahr der Umesterung. Aus diesem Grunde sind Alkohol/Ester- Kombinationen, bei denen der Alkoholrest des Esters und der Alkohol gleich sind, besonders interessant, z.B. Kombinationen vom Typ Isopropylalkohol/Isopropylester. In diesem Fall führt eine Umesterung nicht zur Veränderung des Mischungs- und des Siedeverhaltens. Ganz allgemein ist es vorteilhaft unter Ausschluß von Sauerstoff zu arbeiten und Oxydationsschutzmittel und Trockenmittel zu verwenden.
Anforderungen an die Mischeinrichtung und den Kocher (Austreiber)
Prinzipiell kann das Mischen der Komponenten 1 und 2 mit Hilfe eines Rührwerkes erfolgen. Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau der Kühlanlage wird man jedoch in der Regel auf einen Rührer verzichten. Häufig genügt ein einfaches Zusammenführen der Komponenten. Geeignete Mischeinrichtungen sind z.B . beschrieben in Ullmann' s Encyclopedia of
Industrial Chemistry, Vol. B4, 561 ff : 'Continuous Mixing of Fluids' . Besonders geeignet zum Mischen der Komponenten 1 und 2 sind statische Mischer (siehe hierzu insbesondere Manfred H. Pahl und E.Muschelknautz, Chem.-Ing. -Tech., 51 ( 1979), 347-64 und Chem.-Ing. -Tech., 52 ( 1980), 285-91 ).
Prinzipiell kann der Sonnenkollektor direkt als Austreiber (Kocher) eingesetzt werden. Andererseits ist es auch möglich, den Sonnenkollektor mit einem Wärmeträgermedium zu betreiben und damit den Austreiber zu beheizen. Bevorzugt ist jedoch der Einsatz des Sonnenkollektors direkt als
Austreiber. Falls erforderlich wird man dem Austreiber noch einen Rektifi- kator nachschalten. Im allgemeinen wird man die Rektifikationseinrichtungen (z.B . Rücklaufkühler) möglichst klein halten und stattdessen Stoffpaare mit einem möglichst großen Unterschied in den Siedepunkten
wählen Im allgemeinen lassen sich die von den Absorptionskaltemaschinen bekannten Austreib- und Rektifiziertechniken verwenden
Besondere Ausfuhrungsformen der Erfindung
Die erfindungsgemaße solar betriebene Kuhlanlage zeigt ein außerordentlich breites Einsatzspektrum Dies ist unter anderem darin begründet, daß die Temperaturen zum Trennen der Komponenten ideal mit den Arbeitsbereichen der üblichen Sonnenkollektoren übereinstimmen Hervorzuheben ist aber auch, daß der hier genutzte Effekt der Abkühlung durch das Mischen von 2 Flüssigkeiten nicht nur bei Raumtemperatur sondern auch bei höheren Temperaturen und bei tiefen Temperaturen anwendbar ist Im allgemeinen kann ein Arbeitsbereich von z B +70°C bis -80°C mit einem einzigen Stoffpaar abgedeckt werden Wählt man spezielle
Tieftemperatur oder Hochtemperaturmischungen so ist der Arbeitsbereich noch großer + 1 50°C bis - 1 10°C Dabei ist nur darauf zu achten, daß der Festpunkt der Komponenten tiefer als der Einsatzbereich ist
So kann die erfindungsgemaße Kuhlanlage zum Betrieb eines
Gefrierschrankes (Temperatur - 18°C) oder eines Kuhischrankes (Temperatur ca 4°C) eingesetzt werden Besonders geeignet ist aber auch der Einsatz zur Luftentfeuchtung oder zur Klimatisierung (Kühlung) von Räumen Prinzipiell ist es möglich, zur Erzielung eines Kuhleffektes auch für Zeiten ohne Sonne oder für die Nachtstunden die Komponenten 1 und 2 in getrennten Vorratsbehaltern zu speichern, in der Regel wird man jedoch insbesondere bei kleinen Geraten wie Haushaltskuhlschranken oder Gefriertruhen auf Vorratsbehalter für die Komponenten 1 und 2 verzichten und vielmehr die gesamte im System befindliche Mischung möglichst gering halten
Für große Anlagen, etwa zum Klimatisieren von ganzen Gebaudekomplexen ist es jedoch durchaus vorteilhaft, die Komponenten 1 und 2 in Vorratsbehaltern zu speichern und entsprechend dem Kuhlbedarf zu mischen
Von besonderem Vorteil ist dabei, daß die Lagerung dieser Komponenten z B bei Raumtemperatur nicht zeitlich begrenzt ist und auch keine Isolierung erfordert
Insbesondere bei Haushaltskuhlschranken und Gefiertruhen wird man zur Uberbruckung der sonnenarmen Zeit bzw zur Uberbruckung der
Nachtstunden jedoch z B Eisspeicher oder Solespeicher einsetzen Kuhlschranke und Gefrierschranke mit geeigneten Latentspeichern sind bekannt aus DE-OS 2433499, EPA 0098052 oder EPA 065 1214 Derartige Kuhlschranke mit Speicher wurden insbesondere für photovoltaisch betriebene Kuhlschranke oder für Kuhlschranke entwickelt, die mit billigem
Nachtstrom arbeiten
Neben einem Einsatz als Klimaanlage im häuslichen Bereich ist vor allem die Klimatisierung von Mobilheimen, Campingeinrichtungen und Fahrzeugen von Interesse Besonders interessant ist der Einsatz im Bereich von Campingkuhlschranken
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemaßen solar betriebenen Kuhlanlage ist der kombinierte Betrieb einer solar betriebenen Heizung insbesondere einer solar betriebenen Warmwasserbereitung und einer Kälteanlage
Dies ermöglicht eine besonders effektive Nutzung der Sonnenenergie
Bei dieser kombinierten Solarheizung/Solarkuhlung wird die im Austreiber zum Verdampfen der Komponente 1 eingebrachte Sonnenenergie im Verflussiger (Kondensationswarme) zur Warmwasserbereitung genutzt
(siehe Fig 2)
Dabei laßt sich der Warmwasserspeicher bevorzugt als sogenannter
Schichtspeicher betreiben
Bei Nutzung dieser Form der solaren Warmwasserbereitung ist die erfindungsgemaße Kaiteerzeugung ein Zusatznutzen, der ohne größeren, zusatzlichen Aufwand erreicht wird
Je nach Auslegung der Anlage (siehe Fig 2) - stärkere Betonung der
Kühlung oder der Warmwasserbereitung - kann es hier durchaus von
Vorteil sein, auch Stoffe mit einer relativ hohen Verdampfungswarme als Komponente 1 einzusetzen
So ist insbesondere bei dieser Ausführungsform auch Wasser als Komponente 1 von Interesse (Verdampfungswarme 2253 kJ/ kg) Gut geeignet als Komponente 1 sind bei dieser Heiz/Kuhl-Kombination auch Methanol, Ethanol und Isopropanol
Bei einer reinen Nutzung als Kälteanlage oder als Klimaanlage wird man als Komponente 1 jedoch Substanzen mit einer deutlich niedrigeren Verdampfungswarme einsetzen Hier sind insbesondere fluorierte
Verbindungen und niedere Kohlenwasserstoffe von Interesse So zeigt z B Pentan eine Verdampfungswarme von 383 kJ/ kg Aber auch die niederen Ester wie Methylacetat (Verdampfungswarme 406 kJ/ kg) sind geeignet
Gerade in der Kombination solare Warmwasserbereitung/solare Kühlung liegt der besondere Nutzen der erfindungsgemaßen Kuhlanlage Dabei ist insbesondere der sehr einfache Aufbau hervorzuheben So besteht die ganze Anlage abgesehen vom Austreiber (Sonnenkollektor) und Kondensator (Warmwasserspeicher) lediglich aus einer Anzahl von Rohren und Wärmetauschern Besonders beanspruchte, bewegliche Teile hat die Anlage nicht In der Regel wird die Anlage von einer Pumpe angetrieben, die z B die Mischung in den Austreiber pumpt Vorteilhaft arbeitet diese Pumpe photovoltaisch Dabei kann im allgemeinen auf eine aufwendige Regelung verzichtet werden
Bei geschickter Auswahl der Komponenten 1 und 2 hinsichtlich der Dichte, z B Dichte der Komponente 2 deutlich hoher als Dichte der Komponente 1 (wie dies bei einem Alkan als Komponente 1 und einem Ester als Komponente 2 der Fall ist), kann auf eine Pumpe ganzlich verzichtet werden In diesem Fall ist ein hydrostatischer Antrieb möglich
Der Verzicht auf komplexe, bewegliche Teile macht die erfindungsgemaße Anlage storunanfallig, nahezu gerauschlos und einfach in der Herstellung
Beispiele
Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung, stellen jedoch keine Einschränkung dar
Beispiele 1 -7 Orientierende Vorversuche zur Untersuchung des Mischungsverhaltens der Komponenten 1 und 2
Zur exakten Bestimmung der Mischungswarmen von Fussigkeiten siehe z B Christensen et al (loc cit ) Für eine schnelle, orientierende Untersuchung ist es jedoch völlig ausreichend, je 20g Flüssigkeit in einem Glaskolben, ausgestattet mit Magnetruhrer und Thermometer zu mischen und die Temperaturanderung zu beobachten Dabei ist es lediglich erforderlich die Komponenten zunächst auf dieselbe Ausgangstemperatur zu bringen und ein schnell ansprechendes Thermometer oder Thermoelement zu verwenden
Auf eine aufwendige Isolierung kann verzichtet werden, da die Temperaturanderung sehr schnell erfolgt
Beispiel 1 Isopropanol und Aceton werden im Verhältnis 1 1 (Angaben jeweils als
Gewichtsverhaltnisse) gemischt Man beobachtet eine Abkühlung um 9, 5°C
Beispiel 2 Methylacetat und Dodecan werden im Verhältnis 1 1 gemischt
Man beobachtet eine Abkühlung um 7,8°C
Beispiel 3
2-Ethylhexanol und Methylacetat werden im Verhältnis 1 1 gemischt Man beobachtet eine Abkühlung um 8,9°C
Beispiel 4
Eine Estermischung, bestehend aus 70Gew% Ethylenglykoldiacetat und 30Gew% Ethylacetat, wird mit Pentan im Verhältnis 1 1 gemischt Man beobachtet eine Abkühlung um 7,3 °C
Beispiel 5
Isopropanol und Propylencarbonat werden im Verhältnis 1 1 gemischt
Man beobachtet eine Abkühlung um 10,9°C
Beispiel 6
Isopropanol und Propylencarbonat werden im Verhältnis 3 5 gemischt Man beobachtet eine Abkühlung um 1 0, 8°C
Beispiel 7 (nicht erfindungsgemaß) Ethylenglykoldiacetat und Aceton werden im Verhältnis 1 1 gemischt
Man beobachtet eine geringfügige Temperaturerniedrigung von ca 0,3°C
Beispiel 8 Kuhlversuch mit partiellem Warmetausch
Die Komponenten gemäß Beisiel 1 , I sopropanol und Aceton, werden unter partiellem Warmetausch kontinuierlich gemischt Dazu werden die
Ausgansstoffe auf einer Strecke von ca 1 0 cm durch die Mischung vorgekuhlt Es stellt sich eine Temperatur von 4, 3°C ein (Temperatur der Ausgangsstoffe 24,6°C Es resultiert also eine Temperaturerniedrigung um 20,3°C
Beispiel 9 Mischversuch bei erniedrigter Temperatur
Jeweils 20g der Komponenten gemäß Beispiel 3 werden bei einer
Ausgangstemperatur von -26, 1 °C gemischt
Man beobachtet eine Abkühlung auf -33 , 5°C
Beispiel 10 Trennversuch ohne Rektifikation
Die Komponenten der Mischung gemäß Beispiel 2 (Komponente 1 Methylacetat, Siedep 56°C, Komponente 2 Dodecan, Siedep 216°C) werden durch Austreiben des Methylacetates getrennt
1 ) Arbeitstemperatur des Austreibers 88°C
Die Austreibung des Methylacetates ist unvollständig, das zurückbleibende Dodecan enthalt noch ca 12% Methylacetat Beim Mischen der zurückbleibenden Komponente 2 mit der ausgetrie- benen Komponente 1 beobachtet man eine Abkühlung um 5,4°C
2 ) Arbeitstemperatur des Austreibers 95°C
Die Austreibung des Methylacetates ist auch in diesem Fall noch nicht vollständig Das zurückbleibende Dodecan enthalt ca 8% Methylacetat Beim Mischen der zurückbleibenden Komponente 2 mit der ausge- triebenen Komponente 1 beobachtet man eine Abkühlung um 6, 5°C
Mit zunehmendem Energieeintrag wird die Trennung besser und der Kuhleffekt großer Damit gestattet das Stoffpaar Methylacetat den Aufbau einer solar betriebenen Kuhlanlage ohne aufwendige Temperaturregelung