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Verfahren zum Pumpen von Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau. In der Industrie fällt oft bei Vorgängen verschiedener Art, wie der Kühlung von Öfen, Generatoren, Motoren und dergleichen, Wärme an, die so niedrige Temperatur hat, dass sie sich nicht wirtschaftlich zu Heizzwecken ausnützen oder in mechanische Energie umwandeln lässt. Auch in der freien Natur sind grosse Mengen Wärme vorhanden, die sich bisher nicht in wirtschaftlich lohnender Weise verwerten liessen.
Hierzu ist es vielmehr notwendig, die Wärme in Richtung auf eine. höhere, besser verwertbare Temperatur umzuformen. Zu diesem Zwecke ist es an sich denkbar und auch schon vorgeschlagen worden, eine Umwandlung mit Hilfe einer sogenannten Wärmepumpe vorzunehmen. Diese Wärmepumpe arbeitet grundsätzlich wie eine gewöhnliche, kompressorgetriebene Kühlmaschine mit Verdampfung und Kondensierung eines Kältemittels, wobei im Kondensator eine höhere Temperatur erhalten wird.
Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass hohe Drücke erforderlich werden, weswegen sowohl die Anschaffung der Kompressoranlage als auch ihr Betrieb und ihre Unterhaltung kostspielig sind.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, ein Verfahren zu entwickeln, das nach demselben grundlegenden Leitgedanken vor sich geht-, sich aber von dem bekannten Verfahren dadurch unterscheidet, dass das Pumpen der Wärme auf ein höheres Temperaturniveau ohne Kompressor durchgeführt wird. Hierdurch wird die dazu benötigte Anlage billiger, und es stellen sich die Betriebsund Unterhaltungskosten sehr gering. Die für das vorerwähnte Pumpen der Wärme erforderliche Energie wird der Wärmeenergie entnommen, die in einem wärmeabgebenden Mittel vorhanden ist. Das Verfahren nach der Erfindung setzt voraus, dass der Dampfdruck des Kältemittels während eines Teiles des Zirkulationsverlaufes herabgesetzt wird.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen. von Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau mit Hilfe des Temperaturunterschiedes zwischen einem wärmeabgebenden und einem wärmeaufnehmenden Mittel, welches Verfahren erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Kältemittellösung eines den Dampfdruck des Kältemittels herabsetzenden Mittels und eines darin gelösten Kältemittels in einem ersten Verdampfer mit Hilfe des wärmeabgebenden Mittels erwärmt wird, um das Kältemittel zu verdampfen,
und die Dämpfe dieses Kältemittels dann unter demselben Druck bei der Temperatur des wärmeaufnehmenden Mittels in einem Kondensator kondensiert werden,. dass das vom den Dampfdruck herabsetzenden Mittel befreite Kältemittel bei der Temperatur des wärmeabgebenden Mittels in einem zweiten Verdampfer zum Verdampfen gebracht wird, um Dampf höheren Druckes zu erhalten, und dass der Kältemitteldampf unter dem höheren Druck in dem in einem Absorber befindlichen, den Dampfdruck herabsetzenden Mittel gelöst wird, so dass eine höhere Temperatur als die des wärmeabgebenden Mittels erzeugt wird, wonach die an Kältemittel reiche Lösung zu dem ersten Verdampfer zurückgeleitet und durch von.
ihm kommenden, an Kältemittel arme Lösung ersetzt wird, wobei die Källemittel- konzentration in dem ersten Verdampfer so bemessen wird, däss in diesem und im Kondensator genügender Druck, zum Erreichen einer Kondensation in dem letzteren erhalten wird, ungeachtet vorkommender Schwankungen in den Temperaturen des
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wärmeaufnehmenden und des wärmeabgebenden Mittels bzw. in dem Temperaturunterschied zwischen ihnen.
Die Erfindung wird anschliessend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm, Fig. 2-6 in schematischer Darstellung fünf verschiedene Ausführungsformen einer Anlage zum Pumpen von Wärme von einem tieferen auf ein höheres Temperaturniveau.
Ein mit 10 bezeichneter erster Verdampfer enthält ein Kältemittel und ein dessen Dampfdruck herabsetzendes Mittel. Das Kältemittel kann Ammoniak, das den Dampfdruck herabsetzende Mittel Wasser, in welchem das Ammoniak gelöst ist, sein. Eine Leitung 12 verbindet den Verdampfer 10 mit einem Kondensator 14. Ein zweiter Verdampfer 16 steht in Verbindung mit dem Kondensator 14 durch eine Leitung 18, in welcher eine Pumpe 20 vorgesehen ist. In den Verdampfern 10, 16 sind Rohrschlangen 22 und 24 angeordnet, durch die ein wärmeabgebendes Mittel die beiden Verdampfer 10, 16 in Parallelstrom durchfliesst, und zwar tritt dieses Mittel durch eine Leitung 26 ein und entweicht durch eine Leitung 28.
Das wärmeabgebende Mittel wird einer zugänglichen Wärmequelle entnommen, wie etwa dem Ablaufkühlwasser eines Kraftwerks, das gewöhnlich abgelassen wird, ohne noch ausgenutzt zu werden.
In der folgenden Beschreibung wird für dieses Kühlwasser eine Eintrittstemperatur von +40"C angenommen. Der Kondensator 14 ist ebenfalls mit einer Rohrschlange 30 versehen, durch welche ein wärmeaufnehmendes Mittel, wie See- oder Flusswasser, hindurchfliesst, dessen Temperatur also von der klimatischen Gegebenheit abhängig ist.
Im ersten Verdampfer 10 wird das Kältemittel verdampft und entweicht durch die Leitung 12, in welcher ein Wasserabscheider bekannter Art angebracht sein kann. Die Kältemitteldämpfe werden im Kondensator 14 bei demselben Druck wie dem im ersten Verdampfer 10 herrschenden kondensiert. Das flüssige Kältemittel wird dann von der Pumpe 20 in den zweiten Verdampfer 16 gepumpt, in welchem infolge der Befreiung des Kältemittels von dem den Druck herabsetzenden Mittel ein höherer Druck herrscht, und welcher in derselben Weise wie der erste Verdampfer 10 von dem wärmeabgebenden Mittel erwärmt wird.
Die verfügbare Wärmequelle ist also dazu benutzt worden, den Druck in dem Kältemittel zu erhöhen, und sie hat somit dieselbe Arbeit verrichtet wie der Kompressor in einer kompressorgetriebenen Wärmepumpe.
Die Kältemitteldämpfe entweichen aus dem zweiten Verdampfer 16 durch eine Leitung 31 zu einem Absorber 32, der in der gleichen Weise wie der erste Verdampfer 10 das den Dampfdruck herabsetzende Mittel enthält. Der Kältemitteldampf wird von diesem Mittel absorbiert und die Absorptionswärme wird nun als höhere Temperatur als die zu- geführte abgegeben. Die in dem Absorber 32 erzeugte Wärme wird von dort mit Hilfe einer Rohrschlange 34 weggeleitet.
Da das Kältemittel in dem Absorber 32 ständig mit den Dampfdruck herabsetzendem Mittel angereichert wird, wird dieses Mittel zum Umlauf zwischen dem Absorber 32 und dem ersten Verdampfer 10 gezwungen. Zu diesem Zwecke sind diese beiden Behälter miteinander durch Leitungen 36, 38 und 39 verbunden, die über einen Teil ihrer Länge als Gegenstromwärmeaustauscher 40 ausgebildet sind, um Wärmeverluste weitestmöglich zu verhindern. In dieses Leitungssystem ist ferner ein Zirkulationsaggregat 42 eingesetzt. Es kann die Form einer kombinierten Flüssigkeitspumpe und eines Flüssigkeitsmotors haben. Da durch das Agregat eine grössere Menge Flüssigkeit zum niedrigen Druck strömt als in der entgegengesetzten Richtung, ist sein Kraftverbrauch sehr klein.
Auch die Pumpe 20 verbraucht nur wenig Kraft, weil sie Flüssigkeit nur in der Richtung zum höheren Druck hin fördert.
In der Leitung 39, durch die das an Kältemittel angereicherte, den Dampfdruck herabsetzende Mittel von dem Absorber 32 zu dem Verdampfer 10 strömt, oder in einer auf beiden Seiten des AgUre- gates 42 an die Leitung 39 angeschlossenen Umgehungsleitung 41, ist, wie aus der Fig.2 hervorgeht, ein Ventil 43 vorgesehen, dessen beweglicher Ventilkörper von einer Membran 45 beeinflusst wird. Durch eine von dem zweiten Verdampfer 16 ausgehende Leitung 47 steht die eine Seite der Membran 45 unter dem in diesem Verdampfer 16 herrschenden Druck. Das Ventil 43 ist so ausgebildet, dass es stets, ungeachtet der Druckschwankungen, den Druck im Absorber 32 etwas niedriger hält als den Druck in dem zweiten Verdampfer 16.
Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm veranschaulicht den Dampfdruck als eine Funktion der in Celsiusgraden angegebenen Temperatur. Die Kurve 44 zeigt den Dampfdruck für das Gemisch von Kältemittel, hier NH3, und von den Dampfdruck herabsetzendem Mittel, hier Wasser, während die Kurve 46 den Dampfdruck für das reine Kältemittel darstellt. Wie bereits erwähnt, hat die Wärmequelle eine Temperatur von +400C. Es sei ferner angenommen, dass der Druck im ersten Verdampfer 10 etwa 4,5 kg/cm2 beträgt. Im Verdampfer 10 herrscht der dem Punkt 48 des Diagramms entsprechende Zustand.
Im Kondensator 14 wird das Ammoniak -unter unverändertem Druck auf +30C gekühlt, welche Temperatur als die des wärmeaufnehmenden Mittels angenommen wird (unvermeidbares Temperaturgefälle zwischen den verschiedenen Mitteln bleibt im vorliegenden Zusammenhang unberücksichtigt). Hiermit hat das Ammoniak in dem Kondensator 14 den Punkt 50 des Diagramms erreicht. Die Pumpe 20 erhöht den Druck des kondensierten Ammoniaks auf
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16 kg/cm2, was dem Punkt 52 des Diagramms entspricht. In dem Absorber 32 wird das Ammoniak von dem Wasser bei diesem höheren Druck absorbiert, und die Temperatur steigt dann entsprechend dem Punkt 54 der Kurve 44 auf 80 C.
Der Kreislauf wird dadurch vollendet, dass das Gemisch von Ammoniak und Wasser in den ersten Verdampfer 10 zurückgeleitet wird, in welchem der Zustand gemäss dem Punkt 48 herrscht.
Je grösser die Herabsetzung des Dampfdruckes, desto höher wird die im Absorber 32 erhaltene Temperatur. Der Dampfdruck muss jedoch immer so hoch sein, dass die Kond)ensierung im Kondensator 14 bei der von dem wärmeaufnehmenden Mittel abhängigen Temperatur sichergestellt ist.
In der Praxis muss man gewöhnlich mit Schwankungen der Temperatur des wärmeaufnehmenden bzw. des wärmeabgebenden Mittels rechnen. Es ist in solchen Fällen von grosser Bedeutung, dass die Herabsetzung des Dampfdruckes dementsprechend verändert werden kann, damit im Absorber 32 die höchstmögliche Temperatur erhalten wird. Zu diesem Zwecke ist zwischen dem Kondensator 14 und der Pumpe 20 ein Sammelbehälter 56 in die Leitung 18 eingesetzt. Dieser Behälter 56 enthält also reines Kältemittel in flüssigem Zustand. Wenn die Temperatur im Kondensator 14 sinkt, geht die Kondensierung in schnellerem Tempo vor sich. Dasselbe Ergebnis erhält man, wenn die Temperatur im ersten Verdampfer 10 und damit der Dampfdruck des Kältemittels steigen.
Der Flüssigkeitsstrom des Kondensators 14 und des zweiten Verdampfers 16 wird dagegen von der Pumpe 20 geregelt. Wenn die Kondensierung schneller verläuft, wird sich daher Kältemittel im Behälter 56 sammeln. Dies hat zur Folge, dass das den Dampfdruck herabsetzende Mittel im Absorber 32 und im ersten Verdampfer 10 ärmer an Kältemittel wird. Folglich wird die Herabsetzung des Dampfdruckes grösser, und die Temperatur im Absorber 32 steigt, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Wenn umgekehrt die Temperatur im Kondensator 14 steigt oder im ersten Verdampfer 10 fällt, sinkt die Intensität des Kondensierungsverlaufs; aber da Kälte- mitteldampf mit gleichbleibender Menge in der Zeiteinheit in den Absorber 32 hineingepumpt wird, wird in diesem das den Dampfdruck herabsetzende Mittel angereichert, und schliesslich erhält man im Kondensator 14 einen für die Kondensierung genügenden Druck dank der ständigen Umwälzung von Gemisch zwischen dem Absorber 32 und dem ersten Verdampfer 10. Die Herabsetzung des Dampfdruckes passt sich somit ständig und selbsttätig dem Temperaturunterschied zwischen der wärmeabgebenden Quelle und dem wärmeaufnehmenden Mittel an.
Es leuchtet ein, dass die Umformung von Wärme in Richtung auf höhere Temperatur um so grösser wird, je grö- sser der vorerwähnte Temperaturunterschied ist. Das in der Leitung 39 bzw. 41 vorgesehene, vom Druck in dem zweiten Verdampfer 16 gesteuerte Ventil 43 hat zur Aufgabe, ständig einen möglichst hohen Druck im Absorber 32 aufrechtzuerhalten. Dieser Druck muss jedoch stets so niedrig sein, dass die Kältemitteldämpfe vom zweiten Verdampfer 16 in der Richtung zum Absorber 32 strömen können. Das Ventil 43 wirkt also derart, dass der Druck im Absorber 32 stets etwas unter dem Druck im zweiten Verdampfer 16 gehalten wird.
Demzufolge folgt der Druck im Absorber 32 dem Druck im zweiten Verdampfer 16, gleichviel ob letzterer Druck sich infolge von Schwankungen in der Temperatur des wärmeabgebenden bzw. des wärmeaufnehmenden Mittels ändert. Die Ausführungsform gemäss der Fig. 3 unterscheidet sich von der beschriebenen dadurch, dass sie mit druckausgleichendem, iner- tem Gas arbeitet. Dieses Gas steht also unter einem Druck, der dem Druckunterschied zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite der Anlage gemäss der vorbeschriebenen Ausführungsform entspricht. Das inerte Gas ermöglicht es, ganz ohne Pumpen und ähnliche Organe für die Beeinflussung der Strömung der Mittel zwischen den verschiedenen Teilen der Anlage auszukommen.
Das inerte Gas füllt den nicht von Flüssigkeit eingenommenen Raum in dem ersten Verdampfer 10, dem Kondensator 14 und dem Sammelbehälter 56 aus. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kondensator 14 höher gelegen als der Verdampfer 10, weswegen das inerte Gas schwerer sein muss als das den Dampfdruck herabsetzende Mittel. Falls letzteres Ammoniak ist, kann das inerte Gas Stickstoff sein. Wenn die Höhenlage des Kondensators 14 und des ersten Verdampfers 10 umgekehrt ist, muss das inerte Gas leichter sein als das Mittel.
Der erste Verdampfer 10 und der Kondensator 14 stehen miteinander in Verbindung über zwei Leitungen 58 und 60, die über einen Teil ihrer Länge als Wärmeaustauscher 62 ausgebildet sind. Die Leitung 58 ist an die genannten Behälter in deren Oberteile angeschlossen. In beiden Behältern münden die Leitungen beide oberhalb des Flüssigkeitsspiegels. Der erste Verdampfer 10 kann mit einer oder mehreren Platten 68 versehen sein, über welche die vom Absorber 32 durch die Leitung 38 zurückkehrende, an Kältemittel reiche Lösung fliesst.
Dies geschieht, um die Lösung in gute wärmeleitende Berührung mit der Wärmeschlange 22 zu bringen und gleichzeitig eine grössere Verdamp- fungsfläche zu erhalten. Durch die im ersten Verdampfer 10 vor sich gehende Verdampfung von Kältemittel wird das oberhalb des Flüssigkeitsspiegels stehende Gasgemisch reich an Kältemitteldampf.
In dem Kondensator 14, wo die Kältemitteldämpfe zu Flüssigkeit niedergeschlagen werden, wird die Gasatmosphäre arm an Kältemitteldampf. Dies hat zur Folge, dass zwischen den beiden Behältern eine Zirkulation zustande kommt, derart, dass das an Kältemittel reiche Gasgemisch im ersten Ver-
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dampfer 10 wegen seines verhältnismässig niedrigen spezifischen Gewichts in der Leitung 58 aufwärts steigt, während das spezifisch schwerere Gasgemisch im Kondensator 14 in der Leitung 60 abwärts fällt. Die beiden Gasströme tauschen im Wärmeaustau- scher 62 Wärme aus.
Zwischen dem Kondensator 14 und dem zweiten Verdampfer 16 ist ein allgemein mit 70 bezeichneter Druckausgleicher eingesetzt. Er besteht aus zwei Behältern 72 und 74, die hinsichtlich ihrer Höhenlage gegeneinander verschiebbar sind und die beide teilweise eine das Kältemittel absorbierende Flüssigkeit, z. B. Öl, enthalten. Der obere Behälter 72 und der Kondensator 14 sind beide an ihrem Oberteil durch eine Leitung 76 miteinander verbunden. Eine Leitung 78 geht vom Oberteil des untern Behälters 74 aus und mündet im Oberteil des zweiten Verdampfers 16. Die beiden Behälter 72 und 74 sind miteinander durch eine Leitung 80 verbunden, die sich von dem Flüssigkeitsraum des oberen Behälters 72 in den Flüssigkeitsraum des unteren Behälters 74 hinab erstreckt.
Der Druckausgleicher 70 hat zur Aufgabe, den Druck des inerten Gases dem Druck des Kältemitteldampfes im Kondensator 14 und im zweiten Verdampfer 16 anzupassen. Der Druck des Kältemitteldampfes ist im Kondensator 14 wesentlich niedriger als im zweiten Verdampfer 16, und die Grösse dieses Druckunterschiedes wird von der Temperatur einerseits des wärmeabgebenden und anderseits des wärmeaufnehmenden Mittels beeinflusst. Da der zweite Verdampfer 16 lediglich eine Dampfatmosphäre des Kältemittels enthält, ist der Druck hier nur von der Temperatur und nicht vom Raumgehalt abhängig.
Auf der Seite der Anlage dagegen, die mit dem inerten Gas gefüllt ist, verringert sich der Druck des inerten Gases, wenn der Raumgehalt zunimmt und umgekehrt. Der Flüssigkeitsspiegel in den miteinander in Verbindung stehenden Behältern 72 und 74 wird daher immer so verschoben, dass ein Druckgleichgewicht zustande kommt.
Der Absorber 32 ist unterhalb des ersten Verdampfers 10 angebracht und dieser seinerseits unterhalb des zweiten Verdampfers 16. Die Leitung 31 erstreckt sich also nach unten vom zweiten Verdampfer 16 zum Absorber 32, wo sie nahe dessen Boden mündet. Zwischen der unteren Mündung 82 der Leitung 31 und dem Flüssigkeitsspiegel im ersten Verdampfer 10 steht eine Flüssigkeitssäule, deren Höhe Hl ist. Damit die Kältemitteldämpfe durch die Leitung 31 hindurchströmen können, muss in dieser eine Flüssigkeitssäule verdrängt werden, welche der Flüssigkeitssäule Hl entspricht.
Diese Verdrängung wird mittels des Druckausglei- chers 70 bewirkt, in welchem eine Flüssigkeitssäule von der Höhe H3 vorhanden ist, deren Gewicht das der Säule H1 übersteigt. Das Gewicht der in Rede stehenden Flüssigkeitssäulen wird teils durch ihre lotrechte Erstreckung bestimmt, teils aber auch durch das spezifische Gewicht der beiden Flüssi- keiten. Letzteres kann bei der Flüssigkeit in dem Druckausgleicher 70 grösser sein.
In der den Sammelbehälter 56 mit dem zweiten Verdampfer 16 verbindendem Leitung 18 ist ein Organ 84 angebracht, welches so eingestellt sein kann, dass es im Sammelbehälter 56 einen Flüssigkeitsstand hält. Das Gewicht der Flüssigkeitssäule H2 zwischen dem Organ 84 und dem Flüssigkeitsspiegel im Sammelbehälter 56 ist grösser als das Gewicht der Flüssigkeitssäule H3. Dies hat zur Folge, d@ass das Kondensat selbsttätig durch die Leitung 18 zum zweiten Verdampfer 16 fliessen kann.
Beim Ingangsetzen der Anlage strömen die .im zweiten Verdampfer 16 entwickelten Kältemitteldämpfe durch d'as Rohr 31 in den Absorber 32. Dessen Temperatur steigt und gleichzeitig wird das den Dampfdruck herabsetzende Mittel reicher an Kältemittel. Wenn die vorgesehene Temperatur erreicht wird und die Flüssigkeit mit Kühlmitteldämpfen gesättigt ist, entweicht Dampf durch den Absorber 32 hinauf in einen Teil 85 der Rückleitung 38. Dieser Dampf verringert das Gewicht der in dieser Rückleitung 38 stehenden Flüssigkeitssäule und erzeugt hierdurch eine Siede- oder Heberwirkung, welche die Rückflüssigkeit zur Mündung des Rohres 38 hebt.
Die Decke 86 des Absorbers 32 kann sich schräg aufwärts zur unteren Mündung des Rohrteils 85 erstrecken, um das Eintreten des Dampfes in diese Mündung zu erleichtern.
Das Verfahren gemäss der Erfindung lässt sich wahlweise entweder zurErzeugungvon Wärme als auch zur Erzeugung von Kälte anwenden, z. B. zur Luftkonditionierung sowohl im Winter als auch im Sommer. Eine hierfür geeignete Anlage ist in der Fig. 4 veranschaulicht. Sie unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten im wesentlichen nur dadurch, dass die im Absorber 32 vorgesehene Leitung 34 an zwei von je einem Ventil 92 kontrollierte Umlaufleitungen 88 und 90 angeschlossen ist. Die eine dieser Umlaufleitungen wird zur Erwärmung verwendet und die andere zur Zufuhr eines wärmeaufnehmenden Mittels, wie Wasser. Das wärmeabgebende Mittel kann Luft mit der Temperatur der Aussenluft sein.
Diese Luft kann gegebenenfalls weiter erwärmt werden, zum Beispiel dadurch, dass sie an sonnenerwärmten Dachflächen vorbei geleitet wird. Ein wärmeaufnehmendes Mittel durchströmt den Kondensator 16 durch ein Leitungssystem 94. In diesem System 94 und in einer es mit der Leitung 28 verbindenden Zweigleitung 96 sind Ventile 98 angebracht, um die je nach der beabsichtigten Art der Luftkonditionierung erforderlichen Veränderungen der Strömungswege herbeizuführen.
Als Beispiel sei erwähnt, dass bei einer Temperatur der Aussenluft von 32 C und einer Temperatur des wärmeaufnehmenden Mittels von 20 C im zweiten Verdampfer 16 eine Temperatur von 10 C er-
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halten werden kann, abgesehen von den unvermeidlichen Wärmeverlusten in der Anlage.
Ist der verfügbare Temperaturunterschied gering oder wünscht man eine höhere Temperatur zu erhalten, als mit einer einfachen Anlage der vorbe- schriebenen Art erhältlich, so kann man noch eine weitere ähnliche Anlage hinzuschalten, die dann mit der in der ersten Anlage erhaltenen höheren Temperatur arbeitet. Man kann auch, wie in der Fig. 5 gezeigt, einen Teil des von dem Kondensator 14 kommenden Kältemittels bei der höheren Temperatur, die in einem zusätzlichen Absorber 100 erhalten wird, verdampfen lassen.
Dieser zusätzliche Absorber 100 wird mit Kältemitteldämpfen des in dem zweiten Verdampfer 16 herrschenden Drucks, bei dem Ausführungsbeispiel 16 kg/cm2, gespeist. In dem zusätzlichen Absorber 100 werden die Dämpfe in dem Lösungsmittel absorbiert, wobei gemäss dem Beispiel eine Temperatursteigerung auf 80 ' C erhalten wird. In dem zusätzlichen Absorber 100 sitzt ein weiterer Behälter 102, der über eine Leitung 104 und eine Pumpe 106 mit Kältemittel aus dem Kondensator 14 gespeist wird.
Der Behälter 102 nimmt die Temperatur des zusätzlichen Absorbers 100 an, und der Druck der Kältemitteldämpfe steigt unter den im vorliegenden Beispiel angenommenen Bedingungen auf ungefähr 42 kg/cm2. Wenn diese Dämpfe dann von dem Lösungsmittel im zusätzlichen Absorber 100 aufgenommen werden, wird eine Temperatur von etwa l30 C erreicht.
Die den zusätzlichen Absorber 100 verlassende, an Kältemittel reiche Lösung wird mittels einer Pumpe 110 auf den hohen, im Absorber 32 herrschenden Druck gebracht und danach in diesen Absorber 32 durch eine Leitung 112 geleitet. Die Leitung 108 und die Rückleitung 114 von dem Absorber 32 zu dem ersten Verdampfer 10 sind mit einem Wärmeaustauscher 116 versehen. Die Leitung 114 ist ferner mit einem zweiten, zwischen dem Zirku- lationsaggregat 42 und dem Wärmeaustauscher 116 angebrachten Wärmeaustauscher 40 versehen.
Der Wärmeaustauscher 40 dient zum Austausch von Wärme zwischen der durch die Leitung 36 zum zusätzlichen Absorber 100 strömenden kältemittelarmen Lösung und der vom Absorber 32 zurückfliessenden kältemittelreichen Lösung, die in der Leitung 114 nach Durchgang durch den Wärme- austauscher 116 noch eine Temperatur von etwa 80 C hat.
Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, kann der Druckunterschied zwischen dem Absorber und dem Kondensator 14 zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Kraft ausgenutzt werden. Hierbei lässt man den Kältemitteldampf mit der höchsten Temperatur und dem grössten Druck auf dem Wege zum Kondensator 14 durch eine Expansionsmaschine, etwa eine Gasturbine 118, hindurchgehen.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 unterscheidet sich von den vorbeschriebenen Ausführungsformen hauptsächlich dadurch, dass der Absorber 32 durch die genannte Maschine 118 ersetzt worden ist. DasDruckgefälle zwischen dem Behälter 102 und dem Kondensator 14, im Ausführungsbeispiel 37,5 kg, wird in der Maschine 118 ausgenutzt, die hierbei von reinen Kältemitteldämpfen durchströmt wird. Diese werden dann dem Kondensator 14 durch eine Leitung 120 zugeführt. Die Leitung 120 kann in zwei Elemente aufgeteilt sein, von denen das eine, 122, mit einem Sammel- behälter 124 in Verbindung steht, der seinerseits mit der Leitung 18 und der Zuleitung 104 zum Behälter 102 verbunden ist.
Der Behälter 124 stellt einen Akkumulator dar, der bei verminderter Kraftentnahme von der Maschine 118 Kältemittelkonden- sat sammelt, um es bei gesteigertem Kraftverbrauch der Maschine 118 zuzuführen. Desgleichen ist die Leitung 36 bzw. das Aggregat 42 mit einem Akkumulator 126 bzw. 128, die in Zeitabschnitten verminderten Kraftbedarfs kältemittelarmes, den Dampfdruck des Kältemittels herabsetzendes. Mittel speichert, verbunden. Die auf einem Mittelverbrauch von Leistung bemessene Anlage erhält auf diese Weise das Vermögen, Spitzenbelastungen zu genügen.
Anstelle der Pumpe 20 nach der Fig. 2 kann man einen Behälter vorsehen, der normalerweise mit z. B. demselben Mittel gekühlt wird wie der Kondensator 14 und dem das Kühlmittel von dem Kondensator 14 zugeleitet wird. Wenn die Flüssigkeitsmenge im zweiten Verdampfer 16 auf einen bestimmten Spiegel abgesunken ist, wird ein Ventil etwa durch einen Spiegelregler betätigt und bewirkt, dass ein Wärmeaustauschmittel:, z. B. das Mittel, mit dem der zweite Verdampfer 16 erwärmt wird, mit dem vorerwähnten Behälter in Berührung kommt. Die in diesem befindliche Menge Kältemittel wird hierdurch zu teilweiser Verdampfung erwärmt, und dadurch wird genügender Druck für dessen Förderung zu dem zweiten Verdampfer 16 erhalten.
In die Leitungen zu und von diesem Behälter sind Rückventile vorgesehen, die nur eine Strömung in der Richtung vom Kondensator 14 zum zweiten Verdampfer 16 zulassen. Ein mit dieser Ausführung verknüpfter Vorteil besteht darin, dass das Kältemittel erwärmt ist, wenn es in den zweiten Verdampfer 16 eintritt. Ferner lässt sich die Anlage mit Vorteil so ausführen, dass keine Zufuhr fremder Energie erforderlich ist.
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Method for pumping heat from a lower to a higher temperature level The invention relates to a method for pumping heat from a lower to a higher temperature level. In industry, operations of various kinds, such as the cooling of ovens, generators, motors and the like, generate heat which is so low that it cannot be used economically for heating purposes or converted into mechanical energy. In the great outdoors, too, there are large amounts of heat that could not previously be used in an economically viable manner.
For this it is rather necessary to move the heat towards a. to transform higher, more usable temperature. For this purpose it is conceivable per se and has already been proposed to carry out a conversion with the aid of a so-called heat pump. This heat pump basically works like an ordinary, compressor-driven cooling machine with evaporation and condensation of a refrigerant, whereby a higher temperature is obtained in the condenser.
The main disadvantage of this method is that high pressures are required, which is why both the acquisition of the compressor system and its operation and maintenance are expensive.
The present invention has set itself the task of developing a method which proceeds according to the same basic principle, but differs from the known method in that the heat is pumped to a higher temperature level without a compressor. This makes the system required for this cheaper, and the operating and maintenance costs are very low. The energy required for the aforementioned pumping of the heat is taken from the heat energy which is present in a heat-emitting means. The method according to the invention assumes that the vapor pressure of the refrigerant is reduced during part of the circulation process.
The invention relates to a method for pumping. of heat from a lower to a higher temperature level with the help of the temperature difference between a heat-emitting and a heat-absorbing agent, which method according to the invention is characterized in that a refrigerant solution of an agent that lowers the vapor pressure of the refrigerant and a refrigerant dissolved therein in a first evaporator with the aid of the heat-emitting agent is heated in order to evaporate the refrigerant,
and the vapors of this refrigerant are then condensed in a condenser under the same pressure at the temperature of the heat absorbing agent. that the refrigerant freed from the vapor pressure reducing agent is made to evaporate at the temperature of the heat emitting agent in a second evaporator in order to obtain vapor of higher pressure, and that the refrigerant vapor under the higher pressure in the agent located in an absorber, the vapor pressure reducing agent is dissolved, so that a higher temperature than that of the exothermic agent is generated, after which the refrigerant-rich solution is returned to the first evaporator and through from.
The refrigerant-poor solution coming to it is replaced, the refrigerant concentration in the first evaporator being such that sufficient pressure is obtained in this and in the condenser to achieve condensation in the latter, regardless of fluctuations in the temperatures of the
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heat-absorbing and the heat-emitting agent or in the temperature difference between them.
The invention is then explained using the drawing, for example. 1 shows a diagram, FIGS. 2-6 show a schematic representation of five different embodiments of a system for pumping heat from a lower to a higher temperature level.
A designated 10 first evaporator contains a refrigerant and a vapor pressure reducing agent. The refrigerant can be ammonia, and the vapor pressure reducing agent can be water in which the ammonia is dissolved. A line 12 connects the evaporator 10 to a condenser 14. A second evaporator 16 is in communication with the condenser 14 through a line 18 in which a pump 20 is provided. In the evaporators 10, 16 there are coiled tubes 22 and 24 through which a heat-emitting agent flows through the two evaporators 10, 16 in parallel flow, namely this agent enters through a line 26 and escapes through a line 28.
The exothermic agent is taken from an accessible heat source, such as the drain cooling water of a power plant, which is usually drained without being used.
In the following description, an inlet temperature of +40 "C is assumed for this cooling water. The condenser 14 is also provided with a coil 30 through which a heat-absorbing medium such as lake or river water flows, the temperature of which depends on the climatic conditions is.
The refrigerant is evaporated in the first evaporator 10 and escapes through the line 12, in which a water separator of a known type can be attached. The refrigerant vapors are condensed in the condenser 14 at the same pressure as that prevailing in the first evaporator 10. The liquid refrigerant is then pumped by the pump 20 into the second evaporator 16, in which there is a higher pressure due to the release of the refrigerant from the pressure-reducing agent, and which is heated in the same way as the first evaporator 10 by the heat emitting agent .
The available heat source has thus been used to increase the pressure in the refrigerant and has thus done the same work as the compressor in a compressor-driven heat pump.
The refrigerant vapors escape from the second evaporator 16 through a line 31 to an absorber 32 which, in the same way as the first evaporator 10, contains the agent which lowers the vapor pressure. The refrigerant vapor is absorbed by this medium and the heat of absorption is now given off at a higher temperature than the supplied one. The heat generated in the absorber 32 is conducted away from there with the aid of a pipe coil 34.
Since the refrigerant in the absorber 32 is continuously enriched with the agent reducing the vapor pressure, this agent is forced to circulate between the absorber 32 and the first evaporator 10. For this purpose, these two containers are connected to one another by lines 36, 38 and 39, which over part of their length are designed as counterflow heat exchangers 40 in order to prevent heat losses as much as possible. A circulation unit 42 is also used in this line system. It can be in the form of a combined liquid pump and a liquid motor. Since a larger amount of liquid flows through the unit at low pressure than in the opposite direction, its power consumption is very small.
The pump 20 also consumes little power because it only delivers liquid in the direction towards the higher pressure.
In line 39, through which the refrigerant-enriched, vapor pressure-reducing agent flows from absorber 32 to evaporator 10, or in a bypass line 41 connected to line 39 on both sides of AgUregate 42, is shown in FIG 2, a valve 43 is provided, the movable valve body of which is influenced by a membrane 45. One side of the membrane 45 is under the pressure prevailing in this evaporator 16 through a line 47 starting from the second evaporator 16. The valve 43 is designed in such a way that, regardless of the pressure fluctuations, it always keeps the pressure in the absorber 32 somewhat lower than the pressure in the second evaporator 16.
The diagram shown in Fig. 1 illustrates the vapor pressure as a function of the temperature specified in degrees Celsius. Curve 44 shows the vapor pressure for the mixture of refrigerant, here NH3, and of the agent reducing the vapor pressure, here water, while curve 46 shows the vapor pressure for the pure refrigerant. As already mentioned, the heat source has a temperature of + 400C. It is also assumed that the pressure in the first evaporator 10 is approximately 4.5 kg / cm 2. The state corresponding to point 48 of the diagram prevails in the evaporator 10.
In the condenser 14, the ammonia is cooled to + 30C under the same pressure, which temperature is assumed to be that of the heat-absorbing agent (unavoidable temperature gradient between the various agents is not taken into account in the present context). With this, the ammonia in the condenser 14 has reached point 50 of the diagram. The pump 20 increases the pressure of the condensed ammonia
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16 kg / cm2, which corresponds to point 52 on the diagram. In the absorber 32, the ammonia is absorbed by the water at this higher pressure, and the temperature then rises to 80 C. corresponding to point 54 on curve 44.
The cycle is completed in that the mixture of ammonia and water is returned to the first evaporator 10, in which the state according to point 48 prevails.
The greater the reduction in vapor pressure, the higher the temperature obtained in absorber 32 becomes. However, the vapor pressure must always be so high that condensation in the condenser 14 is ensured at the temperature dependent on the heat-absorbing agent.
In practice, fluctuations in the temperature of the heat-absorbing or heat-emitting agent must usually be expected. In such cases it is of great importance that the reduction in the vapor pressure can be changed accordingly so that the highest possible temperature is obtained in the absorber 32. For this purpose, a collecting container 56 is inserted into the line 18 between the condenser 14 and the pump 20. This container 56 thus contains pure refrigerant in a liquid state. When the temperature in the condenser 14 decreases, the condensation proceeds at a faster rate. The same result is obtained if the temperature in the first evaporator 10 and thus the vapor pressure of the refrigerant rise.
In contrast, the liquid flow of the condenser 14 and the second evaporator 16 is regulated by the pump 20. If the condensation is faster, therefore, refrigerant will collect in the container 56. This has the consequence that the agent reducing the vapor pressure in the absorber 32 and in the first evaporator 10 becomes poorer in refrigerant. Consequently, the reduction in the vapor pressure becomes greater and the temperature in the absorber 32 rises until an equilibrium state is reached.
Conversely, if the temperature in the condenser 14 rises or falls in the first evaporator 10, the intensity of the course of condensation falls; But since refrigerant vapor is pumped into the absorber 32 with a constant amount in the unit of time, the agent which lowers the vapor pressure is enriched in it, and finally a pressure sufficient for condensation is obtained in the condenser 14 thanks to the constant circulation of mixture between the absorber 32 and the first evaporator 10. The reduction in the vapor pressure is thus constantly and automatically adapted to the temperature difference between the heat-emitting source and the heat-absorbing means.
It is clear that the transformation of heat in the direction of a higher temperature is greater, the greater the temperature difference mentioned above. The valve 43 provided in the line 39 or 41 and controlled by the pressure in the second evaporator 16 has the task of constantly maintaining the highest possible pressure in the absorber 32. However, this pressure must always be so low that the refrigerant vapors can flow from the second evaporator 16 in the direction towards the absorber 32. The valve 43 thus acts in such a way that the pressure in the absorber 32 is always kept somewhat below the pressure in the second evaporator 16.
Accordingly, the pressure in the absorber 32 follows the pressure in the second evaporator 16, regardless of whether the latter pressure changes as a result of fluctuations in the temperature of the heat-emitting or heat-absorbing agent. The embodiment according to FIG. 3 differs from the one described in that it works with pressure-equalizing, inert gas. This gas is therefore under a pressure which corresponds to the pressure difference between the high and the low pressure side of the system according to the embodiment described above. The inert gas makes it possible to do without pumps and similar devices for influencing the flow of the medium between the various parts of the system.
The inert gas fills the space not occupied by liquid in the first evaporator 10, the condenser 14 and the collecting container 56. In the embodiment shown, the condenser 14 is located higher than the evaporator 10, which is why the inert gas has to be heavier than the agent which reduces the vapor pressure. If the latter is ammonia, the inert gas can be nitrogen. If the elevation of the condenser 14 and the first evaporator 10 is reversed, the inert gas must be lighter than the medium.
The first evaporator 10 and the condenser 14 are connected to one another via two lines 58 and 60, which are designed as heat exchangers 62 over part of their length. The line 58 is connected to the above-mentioned containers in their upper parts. In both containers, the lines both open above the liquid level. The first evaporator 10 can be provided with one or more plates 68 over which the refrigerant-rich solution returning from the absorber 32 through the line 38 flows.
This is done in order to bring the solution into good heat-conducting contact with the heat coil 22 and at the same time to obtain a larger evaporation surface. As a result of the evaporation of refrigerant taking place in the first evaporator 10, the gas mixture above the liquid level becomes rich in refrigerant vapor.
In the condenser 14, where the refrigerant vapors are precipitated into liquid, the gas atmosphere becomes poor in refrigerant vapor. As a result, there is a circulation between the two containers in such a way that the gas mixture rich in refrigerant in the first
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Steamer 10 rises up in line 58 because of its relatively low specific weight, while the specific heavier gas mixture in condenser 14 falls down in line 60. The two gas flows exchange heat in the heat exchanger 62.
A pressure equalizer, generally designated 70, is inserted between the condenser 14 and the second evaporator 16. It consists of two containers 72 and 74, which are mutually displaceable with regard to their height and which both partially contain a liquid that absorbs the refrigerant, e.g. B. oil. The upper container 72 and the condenser 14 are both connected to one another at their upper part by a line 76. A line 78 starts from the upper part of the lower container 74 and opens into the upper part of the second evaporator 16. The two containers 72 and 74 are connected to one another by a line 80 which extends from the liquid space of the upper container 72 into the liquid space of the lower container 74 extends down.
The pressure equalizer 70 has the task of adapting the pressure of the inert gas to the pressure of the refrigerant vapor in the condenser 14 and in the second evaporator 16. The pressure of the refrigerant vapor is significantly lower in the condenser 14 than in the second evaporator 16, and the size of this pressure difference is influenced by the temperature of the heat-emitting agent on the one hand and the heat-absorbing agent on the other. Since the second evaporator 16 only contains a vapor atmosphere of the refrigerant, the pressure here is only dependent on the temperature and not on the volume.
On the other hand, on the side of the system that is filled with the inert gas, the pressure of the inert gas decreases when the volume increases and vice versa. The liquid level in the containers 72 and 74 that are connected to one another is therefore always shifted in such a way that a pressure equilibrium is achieved.
The absorber 32 is attached below the first evaporator 10 and this in turn below the second evaporator 16. The line 31 thus extends downward from the second evaporator 16 to the absorber 32, where it opens near its bottom. Between the lower mouth 82 of the line 31 and the liquid level in the first evaporator 10 there is a liquid column, the height of which is Hl. So that the refrigerant vapors can flow through the line 31, a liquid column must be displaced in this, which corresponds to the liquid column Hl.
This displacement is brought about by means of the pressure equalizer 70, in which there is a liquid column of the height H3, the weight of which exceeds that of the column H1. The weight of the liquid columns in question is partly determined by their vertical extension, but partly also by the specific weight of the two liquids. The latter can be greater for the liquid in the pressure equalizer 70.
In the line 18 connecting the collecting container 56 to the second evaporator 16, an element 84 is attached which can be adjusted so that it maintains a liquid level in the collecting container 56. The weight of the liquid column H2 between the member 84 and the liquid level in the collecting container 56 is greater than the weight of the liquid column H3. This has the consequence that the condensate can flow automatically through the line 18 to the second evaporator 16.
When the system is started up, the refrigerant vapors developed in the second evaporator 16 flow through the pipe 31 into the absorber 32. The temperature of the latter rises and at the same time the medium which lowers the vapor pressure becomes richer in refrigerant. When the intended temperature is reached and the liquid is saturated with coolant vapors, vapor escapes through the absorber 32 up into a part 85 of the return line 38. This vapor reduces the weight of the liquid column standing in this return line 38 and thereby creates a boiling or siphon effect, which raises the return liquid to the mouth of the pipe 38.
The ceiling 86 of the absorber 32 can extend obliquely upwards to the lower opening of the pipe part 85 in order to facilitate the entry of the steam into this opening.
The method according to the invention can optionally be used either for generating heat or for generating cold, e.g. B. for air conditioning both in winter and in summer. A system suitable for this is illustrated in FIG. It differs from that shown in FIG. 2 essentially only in that the line 34 provided in the absorber 32 is connected to two circulation lines 88 and 90, each controlled by a valve 92. One of these circulation lines is used for heating and the other for supplying a heat-absorbing agent such as water. The heat-emitting agent can be air at the temperature of the outside air.
This air can, if necessary, be heated further, for example by being directed past sun-warmed roof surfaces. A heat-absorbing medium flows through the condenser 16 through a line system 94. In this system 94 and in a branch line 96 connecting it to the line 28, valves 98 are installed in order to bring about the changes in the flow paths required depending on the intended type of air conditioning.
As an example, it should be mentioned that at a temperature of the outside air of 32 C and a temperature of the heat absorbing agent of 20 C in the second evaporator 16, a temperature of 10 C
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apart from the inevitable heat losses in the system.
If the available temperature difference is small or if a higher temperature is desired than is available with a simple system of the type described above, another similar system can be added, which then works with the higher temperature obtained in the first system. It is also possible, as shown in FIG. 5, to allow part of the refrigerant coming from the condenser 14 to evaporate at the higher temperature that is obtained in an additional absorber 100.
This additional absorber 100 is fed with refrigerant vapors of the pressure prevailing in the second evaporator 16, in the exemplary embodiment 16 kg / cm 2. In the additional absorber 100, the vapors are absorbed in the solvent, a temperature increase to 80 ° C. being obtained according to the example. In the additional absorber 100 there is a further container 102 which is fed with refrigerant from the condenser 14 via a line 104 and a pump 106.
The container 102 assumes the temperature of the additional absorber 100, and the pressure of the refrigerant vapors increases to approximately 42 kg / cm 2 under the conditions assumed in the present example. When these vapors are then taken up by the solvent in the additional absorber 100, a temperature of about 130 ° C. is reached.
The refrigerant-rich solution leaving the additional absorber 100 is brought to the high pressure prevailing in the absorber 32 by means of a pump 110 and then passed into this absorber 32 through a line 112. The line 108 and the return line 114 from the absorber 32 to the first evaporator 10 are provided with a heat exchanger 116. The line 114 is also provided with a second heat exchanger 40 attached between the circulation unit 42 and the heat exchanger 116.
The heat exchanger 40 serves to exchange heat between the low-refrigerant solution flowing through the line 36 to the additional absorber 100 and the refrigerant-rich solution flowing back from the absorber 32, which still has a temperature of about 80 ° C. in the line 114 after passing through the heat exchanger 116 Has.
As can be seen from FIG. 6, the pressure difference between the absorber and the condenser 14 can be used to generate mechanical or electrical power. Here, the refrigerant vapor with the highest temperature and the highest pressure is allowed to pass through an expansion machine, for example a gas turbine 118, on the way to the condenser 14.
The embodiment according to FIG. 6 differs from the embodiments described above mainly in that the absorber 32 has been replaced by the machine 118 mentioned. The pressure gradient between the container 102 and the condenser 14, 37.5 kg in the exemplary embodiment, is used in the machine 118, through which pure refrigerant vapors flow through it. These are then fed to the capacitor 14 through a line 120. The line 120 can be divided into two elements, one of which, 122, is connected to a collecting container 124, which in turn is connected to the line 18 and the supply line 104 to the container 102.
The container 124 represents an accumulator which collects refrigerant condensate when the power consumption from the machine 118 is reduced, in order to feed it to the machine 118 when the power consumption increases. Likewise, the line 36 or the unit 42 with an accumulator 126 or 128, which reduces the power requirement in time segments, is low in refrigerant and lowers the vapor pressure of the refrigerant. Means stores, connected. In this way, the system, which is based on a medium consumption of power, is able to meet peak loads.
Instead of the pump 20 according to FIG. 2, a container can be provided which is normally provided with z. B. the same means is cooled as the condenser 14 and to which the coolant is fed from the condenser 14. When the amount of liquid in the second evaporator 16 has dropped to a certain level, a valve is actuated, for example by a level regulator, and causes a heat exchange means: e.g. B. the means by which the second evaporator 16 is heated comes into contact with the aforementioned container. The amount of refrigerant located in this is thereby heated to partial evaporation, and sufficient pressure for its delivery to the second evaporator 16 is thereby obtained.
In the lines to and from this container, check valves are provided which only allow a flow in the direction from the condenser 14 to the second evaporator 16. An advantage associated with this embodiment is that the refrigerant is heated when it enters the second evaporator 16. Furthermore, the system can advantageously be designed in such a way that no external energy supply is required.