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Die Erfindung bezieht sich auf eine Adsorptionswarmepumpe gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches.
Aus der US 4 553 409 A ist der Aufbau eines Adsorbers und eines Desorbers im Mehrstufenaufbau einer Adsorptionswärmepumpe bekannt. Eine Verschaltung von Modulen Ist nicht vorhanden, auch der Regenerator und der Kondensator sind nicht von Modulen gebildet.
Die US 4 551 991 A behandelt eine Absorptionswärmepumpe mit Verdampfer- und Adsorberstufen, die gruppenweise aufgeteilt sind. Nach der US 4 594 856 A wird bei einem Absorber/ Generator eine periodische Umschaltung zwischen einer Adsorptions- und einer Desorptionsphase vorgesehen. Die Wärmepumpe nach der WO 93/11 393 A besitzt einen ersten, zweiten und dritten Generator und ebenso einen ersten, zweiten und dritten Kondensator, hier findet allerdings keine Umschaltung statt
Ziel der Erfindung ist es, eine Adsorptionswärmepumpe der eingangs näher bezeichneten Art vorzuschlagen, die sich durch einen sehr guten prozessinternen Wärmeaustausch bel geringen Temperaturdifferenzen auszeichnet.
Erfindungsgemäss wird dies bel einer Adsorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruches erreicht. Durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruches wird eine sehr gute Effizienz erreicht, da durch die vorgeschlagenen Massnahmen sichergestellt Ist, dass mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses Umgebungswärme auf ein für Heiz- oder Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Durch diesen Effekt können mit derartigen Wärmepumpen deutlich höhere pn- marenerget ! sche Nutzungsgrade erreicht werden, als mit herkommlicher Heiztechnik.
Weiters Ist eine kontinuierliche Leistungsabgabe an den Verbraucher möglich, obwohl jedes der Adsorber- und Desorbermodule der Adsorptionswärmepumpe diskontinuierlich arbeitet. Auch ergibt sich ein guter Wärmeaustausch und damit eine hohe Wärmeziffer. Bei stationäre Betrieb von Verdampfer und Verdichter wird eine hohe Wärmeziffer erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Massnahmen ist es auch möglich, Hochtemperaturwärme, z. B. mittels eines Gasbrenners, in den Wärmeträgerkreislauf zu übertragen. Ausserdem erlaubt der vorgeschlagene Aufbau einen sehr guten prozessinternen Warmeaustausch bei Temperaturdifferenzen innerhalb eines Adsorber- bzw Desorbermoduls der Adsorptionswarmepumpe. Dies wirkt sich sehr positiv auf die Energieverluste bel der Wärmeübertragung aus. Ausserdem kann ein breites Bela- dungsfeld während eines kompletten Sorptionszyklusses genutzt werden, wodurch sich eine deutliche Erhohung der Wärmeziffer ergibt
Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, dass der Kältemittelstrom entsprechend eingestellt werden kann.
Durch die Drossel wird eine Entkopplung des Kondensatordruckes vom Verdampferdruck ermöglicht. Dabei ist eine Einstellung des Kältemittelstromes nicht zwingend erforderlich.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 ist sichergestellt, dass die vorgesehene Strömung des Kältemittels unter allen Umständen eingehalten wird Dabei ist es zweckmässig, wenn die Rückschlagklappe bei geringen Druckdifferenzen öffnen. Dabei verhindern die Rückschlagklappen einen unerwunschten Druckausgleich zwischen dem Modul und dem Kondensator während der Adsorptionsphase, bzw., zwischen dem Modul und dem Verdampfer während der Desorptionsphase.
Durch die Merkmale des Anspruches 4 ist es auf einfache Weise möglich, den Betrieb der Warmepumpe gemäss den jeweiligen Erfordernissen zu beeinflussen. Dabei erfolgt durch die vorgeschlagenen Massnahmen eine zyklische Welterschaltung der einzelnen Adsorber- und Desorbermodule der Adsorptionswärmepumpe im Wärmeträgerkreislauf, so dass diese nacheinander den kompletten Sorptionsprozess, bestehend aus Aufheizung und Desorption sowie aus Abkühlung und Adsorption, durchlaufen. Dabei ist die Einkopplung von Hochtemperaturwärme und die Abgabe von Nutzwärme an die Verbraucher möglich
In dieser Hinsicht ist es auch vorteilhaft, die Merkmale des Anspruches 5 vorzusehen.
Durch die Bypassleitungen kann verhindert werden, dass der Wärmeträger bei zu niedrigen Aussentemperaturen, bei denen nahezu kein Sorptionsprozess mehr stattfindet, die Module unnötig aufgeheizt und abgekuhlt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung naher erläutert. Dabei zeigen :
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemässe Adsorptionswärmepumpe und
Fig 2 schematisch eine Umschalteinrichtung
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Gleiche Bezugszeichen bedeuten in beiden Figuren gleiche Teile.
Bei der erfindungsgemässen Adsorptionswärmepumpe sind je drei Adsorbermodule A 1, A2, A3, in Serie geschaltet, die über einen Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT mit drei in Reihe geschalteten Desorbermodule 01, D2, D3 verbunden sind, vorgesehen. Zu den Desorbermodulen
D1-D3 ist ein Zweig eines Niedertemperatur-Wärmetauschers NWT geschaltet, zu dem eine Pumpe P1 in Reihe geschaltet ist. Diese Pumpe P1 ist mit den Adsorbermodul A 1 verbunden.
Weiters ist die Druckseite der Pumpe P1 mit einer Bypassleitung B1, die nicht zwingend vorgesehen sein muss, verbunden, die weiters mit dem Adsorbermodul A3, bzw. den HochtemperaturWärmetauscher HWT verbunden ist, wobei in der Bypassleitung B1, die parallel zu der Reihenschaltung der Adsorbermodule A 1, A2, A3 geschaltet ist, ein Ventil V1 angeordnet ist.
Eine weitere Bypassleitung B2 ist parallel zur Reihenschaltung der Desorbermodule 01, D2, D3 geschaltet, in der ebenfalls ein Ventil V2 angeordnet ist.
Dabei bilden die Adsorbermodule A 1, A2, A3, der Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT, die Desorbermodule 01, D2, D3, der mit diesen verbundene Zweig des Niedertemperatur-Wärmetauschers NWT und die zugehörigen Bypassleitungen einen Wärmeträgerkreislauf W1.
Die Adsorber- bzw. Desorbermodule A1-A3, D1-D3 sind mit einem gemeinsamen Kondensator 13 verbunden, wobei in jeder dieser zur Fuhrung eines Kältemittels vorgesehenen Verbindungen eine Rückschlagklappe 1 bis 6 angeordnet ist. Weiters sind die Adsorber- und Desorbermodule A1A3, D1-D3 mit einem gemeinsamen Verdampfer 14 verbunden, wobei in jeder dieser ebenfalls zur Führung eines Kältemittels dienenden Verbindung eine Rückschlagklappe 7 bis 12 angeordnet ist.
Der Verdampfer 14 ist über eine Pumpe P3 mit einem Umgebungs-Wärmetauscher 16 verbunden, wobei der Umgebungs-Wärmetauscher 16 und der Verdampfer 14 einen Wärmeträgerkreislauf W3 bilden.
Der Kondensator 13 ist über eine Pumpe P2 mit einem Wärmeverbraucher 17 mit einem zweiten Zweig des Niedertemperatur-Wärmetauschers NWT verbunden, der weiters mit dem Kondensator 13 verbunden ist. Dabei ist eine weitere Bypassleitung B3 parallel zum Kondensator 13 geschaltet, in dem ein Ventil V3 angeordnet ist. Dabei ist jedoch die Bypassleitung B2 für die Funktion der Einrichtung nicht unbedingt erforderlich, aber zweckmässig. Dabei bilden der Kondensator 13, der Wärmeverbraucher 17 mit dem Kondensator und dem zweiten Zweig des Niedertemperatur-Wärmetauschers NWT einen Wärmeträgerkreislauf W2.
Die zur Führung eines Kältemittels vorgesehenen Zweige des Verdampfers 14 und des Kondensators 13 sind über eine Drossel 15 miteinander verbunden, wobei der Kältemittelkreislauf über die Verbindungen zu den Adsorbermodulen A1-A3 und den Desorbermodulen D1-D3 geschlossen ist, wobei die Verbindungen zu den Adsorbermodulen A1-A3, bzw Desorbermodulen D1-D3 paral- lel geschaltet sind.
Die Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung einer Umschalteinrichtung 18. Diese stellt die Verbindung zwischen dem Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT zu dem Desorbermodul 01 und die Verbindung von einem Desorbermodul D1-D3 zum nächsten, sowie zum NiedertemperaturWärmetauscher NWT her. Weiters stellt die Umschalteinrichtung die Verbindung von diesem zum Adsorbermodul A1 her und von einem Adsorbermodul A1-A3 zum nachsten, sowie die Verbindung von diesen zum Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT her, so dass der Wärmeträgerkreislauf W1 geschlossen ist. Die Reihenfolge der Komponenten ändert sich jedoch bei jeder Weiterschaltung.
Durch eine zyklische Weiterschaltung der Umschalteinrichtung 18 in Richtung des Pfeiles 19 im Wärmeträgerkreislauf W1 durchlaufen alle Module A1-A3, D1-D3 den kompletten Sorptionsprozess.
Während des Wärmepumpenbetriebes sind die Ventile V1 und V2 in den Bypassleitungen B1 und B2 geschlossen. Im Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT wird Wärme, z. B mit Hilfe eines Gasbrenners in den Wärmeträgerkreislauf W1 eingekoppelt Dadurch durchströmt der heisse Wärmeträger nacheinander alle in der Hochdruckphase, bzw. Desorptionsphase befindlichen Module D1-D3, wobei sich der Wärmeträger abkuhlt
Durch die Wärmeabgabe an die Desorbermodule D1-D3 wird der dort aufgebrachte Adsorbens erhitzt. Das im Adsorbens befindliche Adsorbat wird verdampft, strömt durch die Rückschlagklappen 4 - 6 zum Kondensator 13 und wird dort verflüssigt.
Die dabei entstehende Kondensationwärme wird vom Wärmeträgerkreislauf W2 aufgenommen und als Nutzwarme an den Verbraucher 17 abgegeben.
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Der Warmeträger im Wärmeträgerkreislauf W1 strömt nach den desorbierenden Modulen D1-D3 zum Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT und wird dort weiter abgekühlt, wobei diese Wärme durch den Wärmetràgerkreislauf W2 ebenfalls als Nutzwärme zum Verbraucher 17 gelangt
Danach durchströmt der Wärmeträger im Wärmeträgerkreislauf W1 nacheinander alle in der Niederdruckphase, bzw. Adsorptionsphase befindlichen Module A1-A3, wobei der Wärmeträger durch Aufnahme der Adsorptionswärme aufgeheizt wird.
Die Aufheizung beruht darauf, dass während der Desorptionsphase im Kondensator 13 verflüssigtes Adsorbat durch die Drossel 15 vom höheren Kondensatordruck auf den niedrigeren Verdampferdruck gedrosselt wird und im Verdampfer 14 durch Einkopplung von Umgebungswärme aus dem Umgebungs-Wärmetauscher 16 wieder verdampft wird.
Das dampfförmige Adsorbat strömt durch die Rückschlagklappen 7-9 vom Verdampfer 14 in die adsorbierenden Module A1-A3 und wird dort vom Adsorbens unter Abgabe der Adsorptionswarme wieder aufgenommen. Die Adsorptionswärme wird an den Wärmeträger im Wärmekreislauf W1 übertragen, der sich dabei erwärmt. Nach dem Durchströmen aller in der Niederdruckphase befindlichen Module A 1-A3 strömt der Wärmeträger im Wärmeträgerkreislauf W1 zum Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT, um dort bis auf seine Maximaltemperatur aufgeheizt zu werden.
Mittels der Umschalteinrichtung 18 erfolgt eine zyklische Weiterschaltung aller Module A1-A3, D1-D3 im Wärmeträgerkreislauf W1, wodurch diese den kompletten Sorptionsprozess bestehend aus Aufheizung und Desorption D1-D3 sowie Abkühlung und Adsorption A1-A3 durchlaufen.
Je nachdem, in welcher Betriebsphase sich ein Modul A 1-A 1, 01-03 befindet, strömt entweder desorbierter Kältemitteldampf durch die jeweilige Rückschlagklappe 1-6 vom Modul in den Kondensator 13, oder im Verdampfer 14 erzeugter Kältemitteldampf strömt durch die jeweilige Rückschlagklappe 7-12 vom Verdampfer 14 in das betreffende Modul, um dort vom Adsorbens adsorbiert zu werden
Der Wärmeträgerkreislauf W2 dient zur Versorgung des Verbrauchers 17 mit Nutzwärme, die im Kondensator 13 oder Im Niedertemperatur-Warmetauscher NWT aufgenommen wird.
Bei zu niedrigen Aussentemperaturen kann es je nach Auslegung der Anlage zu Betriebszuständen kommen, die die wahlweise integnerbaren Bypassleitungen B1 und B2 erfordern im Falle solcher Betriebszustände werden die Ventile V1 und V2 geöffnet, so dass der Wärmeträger im Wàrmetràgerkrelslauf W1 aufgrund geringerer Druckverluste nur noch zwischen dem Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT und dem Niederdrucktemperatur-Wärmetauscher NWT zirkuliert.
Während eines solchen Direktheizbetriebes findet kein Sorptionsprozess statt und die Pumpe P3 kann abgeschaltet werden. Im Wärmeträgerkreislauf W2 ist In diesem Betriebszustand das Ventil V3 geöffnet, so dass die Nutzwärme vom Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT durch die Bypassleitung B3 direkt zum Verbraucher 17 transportiert wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Adsorptionswärmepumpe mit mindestens einem Adsorber und mindestens einem Desor- ber, sowie einem Kondensator (13) und einem Verdampfer (14), die über einen Kältemit- telkreis miteinander verbunden sind und ein erster Wärmeträgerkreislauf (W2) des Kon- densators (13) mit einem Wärmeverbraucher (17) und ein weiterer Wärmeträgerkreislauf (W3) des Verdampfers (14) mit einem Umgebungs-Wärmetauscher (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärmepumpe In an sich bekannter Weise aus mehreren Adsorber/Desorber-Modulen (A1-A3, D1-D3) aufgebaut ist, die uber einen dritten Warmeträgerkreislauf (W1) miteinander in Serie geschaltet sind und die jeweils an den Kondensator (13) und den Verdampfer (14) kältemittelseitig angekoppelt sind,
wobei ein Hochtemperatur-Wärmetauscher (HWT) zur Übertragung von Warme In den Warme- tragerkreislauf (W1) vorgesehen ist und ein Niedertemperatur-Wärmetauscher (NWT) vor- gesehen ist, dessen einer Zweig mit dem Hochtemperatur-Wärmetauscher (HWT) und den
Desorber-Modulen (D1-D3) und dessen zweiter Zweig mit dem Kondensator (13) und dem
Verbraucher (17) verbunden ist.