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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Sorptionswärmepumpen aller Art konnen zur Beheizung von Gebäuden sowie zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Sie zeichnen sich hierbei durch eine besonders gute Effizienz aus, da sie mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses Umgebungswärme auf ein für Heizoder Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau anheben. Durch diesen Effekt können mit derartigen Wärmepumpen deutlich höhere primärenergetische Nutzungsgrade erreicht werden als mit konventioneller Heiztechnik.
Aus der US 4 553 409 A ist eine vielstufige Absorptionswärmepumpe bekanntgeworden, bel der eine Vielzahl von AbsorbernNerdampfern und Regeneratoren/Kondensatoren bekanntgeworden sind. Durch diese werden die Reagenzien in Stoffströmen durchgeführt.
Ziel der Erfindung ist es, eine Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die eine sehr weitgehende Anpassung an unterschiedliche Verhältnisse ermöglicht.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ergibt sich eine Aufteilung in drei Wärmeträgerkreisläufe. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es auch möglich, z. B. bei zu niedrigen Aussentemperaturen, sicherzustellen, dass der Wärmeträger nur noch zwischen dem HochtemperaturWärmeaustauscher und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher zirkuliert und die Reihenschaltung der Adsorber und der Desorber durch die Bypassleitungen überbrückt wird. Während eines solchen Betnebszustandes findet kein Sorptionsprozess mehr statt und die übrigen Wärmeträgerpumpen können abgeschaltet werden. Dabei wird durch die Aktivierung der Bypassleitungen eine Verminderung der Druckverluste erreicht.
Bei einer solchen Sorptionswarmepumpe sind während des Wärmepumpenbetriebes die Absperrorgane in den Bypassleitungen geschlossen. Dabei wird im Hochtemperatur-Wärmeaustau- scher die Wärme mit Hilfe z. B. eines Gasbrenners in den entsprechenden Wärmeträgerkreislauf W1 eingekoppelt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil eines sehr einfachen Aufbaues.
Ausserdem ergibt sich dadurch ein sehr guter prozessinterner Wärmeaustausch bei geringen Temperaturdifferenzen innerhalb eines Moduls, was sich positiv auf die Energieverluste bei der Wärmeübertragung auswirkt. Überdies wird durch die vorgeschlagenen Massnahmen auch ein breites Beladungsfeld während eines kompletten Sorptionszyklus genutzt, und es ergibt sich durch diese Massnahmen auch eine deutliche Erhöhung der Wärmeziffer.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfindungsgemässe Sorptionswärmepumpe zeigt.
Eine erfindungsgemässe Sorptionswärmepumpe ist aus Wärmepumpenmodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6 aufgebaut, die In insgesamt drei Wärmeträgerkreisläufen W1, W2, W3 zusammengeschaltet sind, wobei in der Zeichnung beispielhaft sechs solcher Module dargestellt sind.
In jedem der Kreisläufe W1, W2, W3 ist jeweils eine Wärmeträgerpumpe P1, P2, P3 angeordnet. Der Kreislauf W1 verbindet in serieller Schaltung alle Adsorber A 1, A2, A3 und Desorber D1, D2, D3 aller beteiligter Wärmepumpenmodule M1-M6, einen Hochtemperaturwärmeaustauscher HWT und einen Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT sowie eine Pumpe P1. Der Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT ist zwischen dem heissesten Modul in der Hochdruckphase (Desorptionsphase, hier.
M1) und dem heissesten Modul in der Niederdruckphase (Adsorptionsphase, hier : M6) des Arbeitszyklus angeordnet Der Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT ist zwischen dem ältesten Modul in der Hochdruckphase (hier : M3) und dem ältesten Modul in der Niederdruckphase (hier M4) angeordnet. Die Pumpe P1 befindet sich in Strömungsrichtung des Wärmeträgers direkt vor (wie in der Zeichnung dargestellt) oder direkt hinter dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT.
Der Wärmeträger durchströmt alle Komponenten des Kreislaufs W1 in der Reihenfolge Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT, in der Hochdruckphase desorbierende Module, Pumpe P1 bzw. NWT, Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT bzw. P1, in der Niederdruckphase adsorbierende Module.
In dem Wärmekreislauf W1 sind noch zwei Bypassleitungen B1 und B2 angeordnet, von denen die Desorber D1, D2, D3, bzw. die Adsorber A 1, A2, A3 überbrückt werden können, wobei In jeder
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der Bypassleitungen B1, B2 ein Absperrorgan V1, V2 angeordnet ist. Dabei liegen die Anschlüsse der Bypassleitung B1 in Strömungsrichtung des Wärmeträgers nach dem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT und vor der Pumpe P1 bzw. dem NWT. Die Anschlüsse der Bypassleitung B2 liegen in Strömungsrichtung des Wärmeträgers nach dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT bzw. der Pumpe P1 und vor dem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT.
Der Kreislauf W2 verbindet alle Kondensatoren K1, K2, K3 der desorbierenden Module M1, M2, M3, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT und die Pumpe P2. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers durch die Kondensatoren K1, K2, K3 erfolgt wahlweise, wie dargestellt, seriell vom kälteren zum wärmeren oder vom wärmeren zum kälteren Kondensator oder parallel durch alle Kondensatoren und anschliessend durch den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT. Dabei Ist die Anordnung der Pumpe P2 frei wählbar.
Der Kreislauf W3 verbindet alle Verdampfer V1, V2, V3 der adsorbierenden Module M4, M5, M6, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT und die Pumpe P3. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers durch die Verdampfer V1, V2, V3 erfolgt wahlweise, wie dargestellt, seriell vom wärmeren zum kälteren oder vom kälteren zum wärmeren Verdampfer V1, V2, V3, oder aber parallel durch alle Verdampfer V1, V2, V3 und anschliessend durch den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT, Dabei ist die Anordnung der Pumpe P3 frei wählbar.
Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung der Wärmepumpenmodule M1 - M6 werden für die beschriebenen drei Wärmeträgerkreisläufe W1, W2, W3 insgesamt zwei in der Zeichnung nicht dargestellte Umschalteinheiten eingesetzt. Eine Umschalteinheit ist in den Wärmeträgerkreislauf W1 integriert und realisiert die zyklische Weiterschaltung aller Ad- bzw. Desorber A1, A2, A3 ; D1, D2, D3. Die zweite Umschalteinheit verbindet die Wärmeträgerkreisläufe W2 und W3 miteinander und realisiert die zyklische Weiterschaltung der
Kondensatoren K1, K2, K3 und Verdampfer V1, V2, V3.
Während des Wärmepumpenbetnebes sind die Absperrorgane V1 und V2 in den Bypassleitungen B1 und B2 geschlossen. Im Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT wird Wärme z. B. mit
Hilfe eines Gasbrenners in den Wärmeträgerkreislauf W1 eingekoppelt. Dabei durchströmt der heisse Wärmeträger 1 nacheinander alle Module M1 - M3, die sich in der Hochdruckphase (Desorptionsphase) befinden, wobei er sich abkühlt. Durch die Wärmeabgabe an die Desorber 01, D2, D3 wird der dort angebrachte Adsorbens erhitzt. Das im Adsorber befindliche Adsorbat wird verdampft, strömt zum Kondensator K1, K2, K3 und wird dort verflüssigt und gespeichert.
Die dabei entste- hende Kondensationswärme wird vom Wärmeträger 2 aufgenommen, über den Wärmeträgerkreis- lauf W2 an den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT abgegeben und gelangt von dort als Nutz- wärme zum Verbraucher.
Der Wärmeträger 1 strömt nach den desorbierenden Modulen M1, M2, M3 zum Niedertem- peratur-Wärmeaustauscher NWT und wird dort abgekühlt, wobei diese Wärme ebenfalls als Nutz- wärme zum Verbraucher gelangt. Danach durchströmt der Wärmeträger 1 nacheinander alle
Module in der Niederdruckphase (Adsorptionsphase), wobei er durch Aufnahme der Adsorptions- wärme aufgeheizt wird. Die Aufheizung beruht darauf, dass das während der Desorptionsphase auf den Kondensatoren K1, K2, K3 gespeicherte flüssige Adsorbat nun durch Einkopplung von Umge- bungswärme im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT wieder verdampft wird. Die in der Hoch- druckphase als Kondensatoren K fungierenden Bauteile arbeiten somit in der Niederdruckphase als Verdampfer V.
Das dampfförmige Adsorbat wird vom Adsorbens unter Abgabe der Adsorpti- onswärme wieder aufgenommen. Die Adsorptionswärme wird an den Wärmeträger 1 übertragen.
Nach dem Durchströmen aller Module M4 - M6 in der Niederdruckphase strömt der Wärmeträger 1 zum Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT, um dort bis auf seine Maximaltemperatur aufge- heizt zu werden.
Der Wärmeträgerkreislauf W3 dient zur Versorgung der Verdampfer V mit Umgebungswärme.
Der Wärmeträger 3 wird im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT unter Aufnahme von Umge- bungswärme aufgewärmt und beim Durchströmen der Verdampfer V unter Abgabe der Verdamp- fungswärme an das flüssige Adsorbat wieder abgekühlt.
Bei zu niedrigen Aussentemperaturen kann es je nach Auslegung der Anlage zu Betriebszu- ständen kommen, die die wahlweise integrierbaren Bypassleitungen B1, und B2 erfordern. Im Falle solcher Betriebszustände, werden die Absperrorgane V1 und V2 geöffnet, so dass der Wärmeträger
1 aufgrund geringerer Druckverluste nur noch zwischen dem Hochtemperaturwärmeaustauscher
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HWT und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT zirkuliert. Während dieses"Direktheiz- betriebes" findet kein Sorptionsprozess mehr statt, und die Pumpen P2 und P3 sind ausgeschaltet.
Durch die erfindungsgemässe Verschaltung der einzelnen Wärmepumpenmodule zu einer Ad-
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lässt sich der Sorptionsprozess durch insgesamt zwei Umschalteinheiten steuern. Die Integration der Umschalteinheit ist schematisch in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt
Dabei verbindet der Kreislauf W1 die darin integrierten Komponenten seriell in folgender Reihenfolge in Richtung der Strömung des Wärmeträgers 1 gesehen : Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT, alle Desorber D, Wärmeträgerpumpe P1 bzw. NWT, Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT bzw. P1, alle Adsorber A (P1 ist in Fig. 2 nicht dargestellt). Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung ist ausserdem eine nicht näher beschriebene Umschalteinheit 1 in den Kreislauf W1 integriert.
Zur Realisierung des"Direktheizbe- triebes" können wahlweise zwei Bypassleitungen B1 und B2 mit jeweils einem Absperrorgan V1 und V2 in den Kreislauf W1 integriert werden (in Fig. 2 nicht dargestellt).
Der Kreislauf W2 umfasst alle Kondensatoren K, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT sowie die Wärmeträgerpumpe P2 (in Fig. 3 nicht dargestellt). Die Schaltung der Kondensatoren mit dem Kondensator-Wärmeaustauscher KWT ist wahlweise seriell, wie dies In der Zeichnung dargestellt ist, oder parallel. Die Anordnung der Pumpe P2 ist dabei frei wählbar.
Der Kreislauf W3 umfasst alle Verdampfer V, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT sowie die Wärmeträgerpumpe P3 (in Fig. 3 nicht dargestellt), die vom Wärmeträger durchströmt werden.
Die Verschaltung der Verdampfer V mit dem Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT kann wahlweise seriell, wie In der Zeichnung dargestellt, oder auch parallel erfolgen. Die Anordnung der Pumpe P3 ist dabei frei wählbar. Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung verbindet eine zweite Umschalteinheit die beiden Kreisläufe W2 und W3 miteinander, wie in der Fig. 3 dargestellt.
Die dargestellte Verschaltung erlaubt einen sehr guten prozessinternen Wärmeaustausch bei geringen Temperaturdifferenzen innerhalb eines Moduls M, was sich positiv auf die Energ ! ever- luste bei der Wärmeübertragung auswirkt. Ausserdem wird mit dieser Verschaltung ein breites Beladungsfeld während eines kompletten Sorptionszyklus genutzt. Insgesamt führen diese Punkte zu einer deutlichen Erhöhung der WÅarmeziffer.