DD231250A3 - Anordnung fuer eine resorptions- waermepumpen- anlage zur erzeugung von heizwaerme aus industrie- und umweltwaerme - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung fuer eine Resorptions-Waermepumpen-Anlage zur Erzeugung von Heizwaerme aus Industrie- und Umweltwaerme, wobei ueber einen Zweistoffgemisch-Kreisprozess ein Verdunster ueber einen Verdichter mit einem Absorber, ein Austreiber ueber eine Drossel mit dem mit einem Heizsystem verbundenen Absorber und der Austreiber ueber eine Druckerhoehungspumpe mit dem Verdunster verbunden ist. Durch eine neue Anordnung soll erreicht werden, dass die Entgasungswaerme gegenueber der Verdampfungswaerme wesentlich vergroessert ist sowie die untere Grenztemperatur der fuer den Waermepumpenbetrieb noch nutzbaren Abwaermequelle weiter gesenkt werden kann, ohne das Temperaturniveau der Nutzwaerme zu veraendern. Dies wird dadurch erreicht, dass der Austreiber ueber eine Expansionsmaschine mit einem mit einem Heizsystem verbundenen Nachabsorber verbunden ist, der mit dem Absorber und ueber ein Expansionsventil mit dem Verdunster verbunden ist.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Resorptions-Wärmepumpenanlage zur Erzeugung von Heizwäreme aus Industrie- und Umweltwärme.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist eine Kältemaschinen- oder Wärmepumpenanlage bekannt, bei der über einen Zweistoffgemisch-Kreisprozeß zwischen Verdampfer und Absorber ein Strahlverdichter angeordnet ist.

Bei einer weiteren Kältemaschinen- oder Wärmepumpenanlage ist der Strahlverdichter zwischen Austreiber und Absorber angeordnet, wobei die mit der aus dem Austreiber in den Absorber zurückfließenden kältemittelarmen Absorbtionslösung als Treibmittel betrieben wird, die den Kältemittteldampf aus dem Verdampfer absaugt und mit der Absorptionslösung in den Absorber fördert mit dem Ziel, dabei den Absorberdruck über den Verdampferdruck anzuheben.

Da die Absorptionslösung das Bestreben hat, den als Saugmittel fungierenden Bestandteil des Zweistoffgesmisches, der bei niedrigeren Temperaturen siedet, zu absorbieren, wird die Arbeit des Strahlverdichters verringert. Dadurch wird die Überbrückung höherer Temperaturdifferenzen bei gleicher Druckdifferenz möglich bzw. bei gleicher Temperaturdifferenz verringern sich die zu überbrückend Druckdifferenzen und der notwendige Treibmittelbedarf. Diese Anlage weist jedoch energetische Nachteile auf, die darin bestehen, daß einerseits nahezu die gesamte erforderliche Energie des Treibmittels über Druckerhöhung durch eine mechanisch angetriebene Lösungspumpe zugeführt werden muß und andererseits zur Erreichung von ausreichend hohen Temperaturen im Kondensator/Absorber (bei Kälteanlagen über der Umgebungstemperatur; bei Wärmepumpen über der Vorlauftemperatur der jeweiligen Heizungsanlage) das kalte Treibmittel zu wesentlich höheren Drücken verdichtet werden muß als es bei bekannten thermisch betriebenden Strahlverdichtern notwendig ist.

Weiterhin tritt durch ein unnötiges Entspannen des gesamten Gemisches im Regelventil ein relativ hoher Energieverlust auf, da die kältemittelarme Absorptionslösung nachfolgend wieder auf den ursprünglichen Druck verdichtet werden muß.

Zur optimalen Gewinnung von Nutzenergie aus vorhandener Antriebsenergie mit hohem energetischen Nutzeffekt ist eine nach dem Absorptionsprinzip mit einem Zweistoffgemisch arbeitende Wärmepumpe mit Strahlverdichtung, bestehend aus einem Wärmetauscher, in dem einem Zweistoffgemisch Wärme zugeführt wird, einem Strahlverdichter, in dessen Treibdruckseite das erwärmte Zweistoffgemisch unter weiterer Vermischung mit Saugdampf eintritt sowie einem Mischkondensator, in dem das Zweistoffgemisch abgekühlt und einer weiterführenden Leitung, in der das entstandene Kondensat nachfolgend in zwei Teilströme getrennt wird, wobei ein Teilstrom in einen Verdampfer geleitet, verdampft und dem Strahlverdichter zugeführt und der andere Teilstrom unter Druckerhöhung dem Wärmeaustauscher wieder zugeleitet wird, bekannt, wobei nur der Teil des Zweistoffgemisches, der dem Verdampfer zugeführt wird, eine Entspannung erfährt und die notwendige Treibenergie vorwiegend in Form von thermischer Energie zugeführt wird. Zur Realisierung ist zwischen dem Mischkondensator und dem Wärmetauscher ein exergetisch beaufschlagbarer Austreiber und in der Einstoffleitung zwischen dem exergetisch beaufschlagbaren Austreiber und Verdampfer ein weiterer Kondensator sowie diesem nachfolgend ein Entspannungsventil und in der Flüssigkeitsleitung zwischen dem exergetisch beaufschlagbaren Austreiber und dem Wärmetauscher eine Druckerhöhungspumpe angeordnet. Diese Wärmepumpenanlage weist den Nachteil auf, daß das Heizwasser nicht auf hohe Temperaturen erwärmt werden kann. Die Aufnahme der Energie sowie die Wärmeabgabe an das Heizwasser erfolgt durch Kondensation in einem engen Temperaturbereich. Um hohe Kondensationstemperaturen zu erhalten, sind jedoch relativ hohe Systemdrücke notwendig.

Weiterhin muß zum Betrieb der Wärmepumpenalage an zwei gesonderten Stellen Antriebsenergie zugeführt werden. Dadurch werden zusätzliche Apparate (ein weiterer exergetisch beaufschlagbarer Austreiber und ein zusätzlicher Kondensator) benötigt.

Um eine relativ hohe Verdampfungswärme zu erreichen, ist ein zusätzlicher Energieaufwand zur Verstärkung des Kältemittels erforderlich. Diese Energie muß vom Austreiber bereitgestellt werden und senkt demzufolge den Primärenergieausnutzungsgrad der Wärmepumpe. Eine Möglichkeit, einen höheren Anteil an Energie zu erreichen und gleichzeitig den Primärenergieanteil zu senken, bietet die Nutzung der Entgasungswärme von Zweistoffgemischen zur Aufnahme der Energie.

Wärmepumpenanordnungen, welche die Entgasungswäre von Zweistoffgemischen ausnutzen, werden in der Regel als Resorptions-Wärmepumpen-Anlagen bezeichnet.

Es sind weiterhin eine Reihe von Anordnungen für Resorptions-Wärmepumpen-Anlagen bekannt, die jedoch nur relativ niedrige Heizwassertemperaturen zulassen und einen komplizierten technischen Aufbau aufweisen.

So sind zwei voneinander getrennte Lösungskreisläufe vorgesehen, die dadurch zwei Lösungspumpen benötigen.

Die bei der Regenerierung der armen Lösung entstehenden hochgespannten Dämpfe werden über ein Drossel dem Resorber zugeführt. Die im Resorber erzeugte reiche Lösung wird in den Entgaser geleitet. Die arme Lösung gelangt in den Absorber, wo sie die im Entgaser durch Wärmeaufnahme im niedrigen Temperaturbereich entstehenden Kaltdämpfe bei niedrigem Druck absaugt.

Der Nachteil der Resorptions-Wärmepumpen-Änlagen besteht in der unmittelbaren Kopplung von Absorber und Entgaser. Die zur Entgasung und somit zur Auf nähme der Energie notwendigen niedrigen Temperaturen und Drücke beschränken zwangsläufig die Temperaturen der an das Heizwasser abgegebenen Wärmemengen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, eine weitere Erhöhung der Nutzwärme-Temperaturzu erreichen und den anlagentechnischen Aufwand zu reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung für eine Resorptions-Wärmepumpen-Anlage zu entwickeln, bei der die Entgasungswärme gegenüber der Verdampfungswärme wesentlich vergrößert ist sowie die untere Grenztemperatur derfür den Wärmepumpenbetrieb noch nutzbaren Abwärmequellen weiter gesenkt werden kann, ohne das Temperaturniveau der Nutzwärme zu verändern und gleichfalls durch die verstärkte Aufnahme von Energie den Primärenergieanteil zu senken. Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß der Austreiber über eine Expansionsmaschine mit einem Heizsystem verbundenen Nachabsorber verbunden ist, der mit dem Absorberund mit dem Verdunster verbunden ist.

Ausführungsbeispiel

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt:

Fig. 1: Die Anordnung der Resorptions-Wärmepumpen-Anlage mit Strahlverdichter Fig. 2: Die Anordnung der Resorptions-Wärmepumpen-Anlage mit mechanischem Verdichter Die Resorptions-Wärmepumpen-Anlage wird im Kreisprozeß mit einer Ammoniak-Wasser-Lösung gefahren.

Der die Wärme der Umgebungsluft aufnehmende Verdunster 1 ist über den Wärmewechsler 2, der Lösungsmittelpumpe 3 und einem weiteren Wärmewechsler 4 mit dem die Wärme einer Abwärmequelle {Antriebswärme) aufnehmenden Austreiber 5 verbunden.

Der Austreiber 5 ist über den Wärmewechsler 4 und über die Drossel 6 mit dem Absorber 7 verbunden. Der Austreiber 5 ist über den Strahlverdichter 8 mit dem Absorber 7 und über die Drossel 9 mit dem Nachabsorber 10 verbunden. Absorber 7 und Nachabsorber 10 sind ebenfalls verbunden. In den Absorber 7 ist das Warmwasserheizsystem 11 und in den Nachabsorber das Warmwasserheizsystem 12 eingebunden.

Der Absorber 7 ist über den Wärmewechsler 13 sowie die Drossel 15 und der Nachabsorber 10 über den Wärmewechsler 2 sowie die Drossel 14 mit dem Verdunster 1 verbunden. Der Strahlverdichter 8 ist über den Wärmewechsler 15 mit dem Verdunster 1 verbunden.

Dem Kreisprozeß der Ammoniak-Wasser-Lösung ist der Kreisprozeß des Wasserstoffs als Inertgas überlagert. Dieses Mischgas zirkuliert über die Leitung 16 zwischen dem Verdunster 1 und dem Absorber 7 sowie dem Nachabsorber 10 und Expansionsventil 15 sowie dem Strahlverdichter 8.

Im Verdunster 1 erfolgt die Verdunstung der aus dem Nachabsorber 10 kommenden stark mit Ammionak angereicherten Ammoniak-Wasser-Lösung. Die Verdunstung verläuft bei Wärmeaufnahme im Niedertemperaturbereich und einem relativ hohen Gesamtdruck, wobei Ammoniakdampf und eine an Ammoniak verarmte Lösung gebildet werden. Der Gesamtdruck wird durch den Partialdruck des Ammoniakdampfes über der Lösung und dem Partialdruck des Wasserstoffs des Inertgases gebildet.

Die Partialdrücke des Ammoniakdampfes und des Wasserstoffs ändern sich während der Verdunstung, wobei der Gesamtdruck unverändert bleibt.

Die Verdunstung beginnt bei einem relativ niedrigen Partialdruck des Ammoniakdampfes und einer relativ tiefen Verdunstungstemperatur. Während des Verdunstungsprozesses erhöht sich der Partialdruck des Ammoniakdampfes und die Verdunstungstemperatur. Am Ende des Verdunstungsprozesses erreicht die Konzentration der Lösung ein Minimum. Dieses Minimum stellt gleichfalls die für den Wärmepumpenbetrieb noch nutzbare Grenzbedingung für die Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle dar. Der bei der Verdunstung gebildete Ammoniakdämpf gelangt gemeinsam mit dem Inertgas in den Strahlverdichter 8. Die verarmte Ammoniak-Wasser-Lösung wird mittels der Lösungsmittelpumpe 4 in den Austreiber 5 gefördert. Im Austreiber 5 wird bei einem hohen Druck und einer hohen Temperatur unter Wärmezuführung Ammoniakdampf erzeugt, gleichfalls entsteht eine an Ammoniak arme Lösung.

Der hochgespannte Ammoniakdampf wird zum Strahlverdichter 8 und über eine Drossel 9 in den Nachabsorber 10 geführt.

Der zum Strahlverdichter 8 geleitete hochgespannte Ammoniakdampf gelangt unter Arbeitsleistung in den Absorber 7. Die Arbeitsleistung dient der Kompression des aus dem Verdunster 1 kommenden Mischgases.

Der Betrag der Verdichterarbeit ist unter anderem von dem zu überwindenden Gesamtdruckunterschied zwischen Verdunster 1 und dem Absorber 7 abhängig. Der restliche im Austreiber 5 erzeugte Ammoniakdampf gelangt in den Nachabsorber 10. Der über die Drossel 9 in den Nachabsorber 10 geleitete Ammoniakdampf wird von der aus dem Absorber 7 kommenden mit Ammoniak angereicherter Ammoniak-Wasser-Lösung unter Wärmeabgabe an das Heizwasser absorbiert. Der Nachabsorber 10 befindet sich auf dem Druckniveau des Absorbers 7. Im Nachabsorber 10 entspricht der Dampfdruck des Ammoniaks dem Gesamtdruck des Absorbers 7, da es im Nachabsorber 10 keinen Wasserstoff gibt, der den Dampfdruck des Ammoniaks senken könnte.

Im Nachabsorber 10 wird Absorptionswärme bei konstantem Druck frei. Die Absorptionstemperatur ist zu Beginn des Prozesses am höchsten und nimmt mitzunehmender Konzentration des Ammoniaks in der Ammoniak-Wasser-Lösung ab. Die Absorptionstemperatur erlangt ihr Minimum, wenn die zur Entgasung der Ammoniak-Wasser-Lösung notwendige Konzentration erreicht ist. Die Endtemperatur des Nachabsorbers 10 stellt gleichfalls eine untere Grenze für die Heizwassertemperatur beim Eintritt in die Wärmepumpe dar und bestimmt den Gesamtdruck. Die mit Ammoniak stark angereicherte Lösung gelangt über die Drossel 15 in den Verdunster 1.

Das im Strahlverdichter 8 komprimierte Gasgemisch aus dem Verdunster 1 gelangt gemeinsam mit dem Arbeitsdampf aus dem Austreiber 5 in den Absorber 7. Die an Ammoniak arme Lösung aus dem Austreiber 5 gelangt über die Drossel 6 in den Absorber

Im Absorber 7 wird Absorptionswärme freigesetzt. Das Temperaturniveau, bei dem diese Wärme freigesetzt wird, hängt vom Partialdruck des Ammoniakdampfes und der Konzentration der an Ammoniak armen Lösung ab. Der Partialdruck des Ammoniaks im Absorber 7 wird durch die Gesamtdruckerhöhung des Strahlverdichters 8 und die Zusammensetzung des Gasgemisches bestimmt. Die Gesamtdruckerhöhung ist vom Betrag der Verdichterarbeit abhängig. Der Partialdruck des Ammoniakdampfes im Absorber 7 hängt von der Gaszusammensetzung ab. Der Anfangszustand der Absorption wird durch die Endkonzentration des Ammoniakdampfes im Gasgemisch des Verdunsters 1 bestimmt. Die Zusammensetzung des Gasgemisches verändert sich im Laufe des Absorptionsprozesses.

Während der Verdunstung sinkt der Partialdruck des Ammoniakdampfes im Gasgemisch und die Konzentration des Ammoniaks in der Lösung steigt. Die Absorptionstemperatur sinkt mit steigender Konzentration des Ammoniaks in der Lösung. Die Absorptionswärme wird bei sich verändernden Prozeßtemperaturen vom Nachabsorber 10 und Absorber 7 an das in die ' Wärmepumpe eintretende Heizwasser der Warmwasserheizsysteme 11; 12 abgegeben. Dabei erfolgt die Wärmeabgabe in sich überlappenden Temperaturbändern. Dadurch ist es möglich, das Heizwasser auf relativ hohe Temperaturen zu erwärmen. Eine starke Temperaturerhöhung erlaubt ebenfalls die Einsparung der Menge des benötigten Heizwassers. Die Wärmezuführung erfolgt im Austreiber 5 und im Verdunster 1.1m Austreiber 5 wird hochwertige Antriebsenergie zugeführt, wobei die Zuführung der Austreiberwärme in einem breiten Temperaturband erfolgt, so daß das Heizmedium in einem breiten Temperaturbereich genutzt werden kann.

Die dem Verdunster 1 zugeführte Wärme liegt im Niedertemperaturbereich. Diese Wärme wird ebenfalls in einem breiten Temperaturband zugeführt und gestattet somit eine gute Auskühlung der Niedertemperaturwärmequelle. Ist anstelle des Strahlverdichters der mechanische Verdichter 17 angeordnet (Fig. 2), so ist der Austreiber 5 über die Expansionsmaschine 18 mit dem Nachabsorber 10 verbunden, wobei der Verdichter 17 von der Expansionsmaschine 18 angetrieben ist. Der mit der Expansionsmaschine 18 verbundene mechanische Verdichter 17 ist einerseits mit dem Absorber 7 und andererseits mit dem Verdunster 1 verbunden. Dabei strömt das Lösungsmittel vom Absorber 7 in den Nachabsorber 10, wo es mit dem die Expansionsmaschine 18 verlassend Kältemittel in Wärme- und Stoffkontakt gebracht wird. Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erreicht:

1. Der Wärmepumpenbetrieb mit veränderlichen Temperaturen führt dazu, daß sowohl die Antriebsenergie für den Wärmepumpenprozeß als auch die Niedertemperaturwärmequelle in einem breiten Temperaturbereich genutzt werden können. .

2. Die Wärmezuführung auf der Heizungsseite erfolgt in einem breiten Temperaturbereich, so daß der Wärmepumpenbetrieb auch bei relativ hohen Heizwasservorlauftemperaturen möglich wird. Damit werden die Einsatzgrenzen der Wärmepumpe für die jährliche Heizwärmebereitstellung vergrößert und die Betriebsdauer der Wärmepumpe erhöht. Die Verlängerung der Betriebsdauer der Wärmepumpe vergrößert ebenfalls die jährlich eingesparte Energiemenge für Heizung.

3. Die Wärmeaufnahme aus der Niedertemperaturwärmequelle durch Verdunsten einer Ammoniak-Wasser-Lösung bei Vorhandensein eines Inertgases hat gegenüber dem Verdampfungsprozeß des reinen Ammoniaks wesentliche Vorteile, indem der Verdunstungsprozeß in einem breiten Temperaturband verläuft, die Wärmeaufnahme aus der Niedertemperaturwärmequelle in einem breiten Temperaturbereich möglich ist und die Entgasungswärme gegenüber der Verdampfungswärme um den Betrag der Lösungswärme größer ist.

4. Der Strahlkompressor bewirkt eine Gesamtdruckerhöhung und eine Partialdruckerhöhung des Ammoniakdampfes im Absorber.

5. Die Druckerhöhung des Ammoniakdampfes im Absorber führt zur Erhöhung der Absorptionstemperaturen und somit zur Erhöhung der Heizvorlauftemperatur bzw. zur Senkung der oberen Temperatur der Wärmesenke.

6. Im Strahlkompressor wird ein Teil des ausgetriebenen Ammoniakdampfes aus dem Austreiber zur Kompression des aus dem Verdunster strömenden Reichgases verwendet.

Dieser Arbeitsdampf gelangt gemeinsam mit dem Reichgas in den Absorber.

7. Durch die Abarbeitung Ammoniakdampfes wird der Gesamtdruck im Absorber erhöht.

8. Die Gesamtdruckerhöhung des Gasgemisches erhöht im gleichen Verhältnis auch die Partialdrücke der einzelnen Gaskomponenten.

9. Zur Gesamtdruckerhöhung kommt noch eine einseitige Partialdruckerhöhung des Ammoniakdampfes hinzu. Diese Partialdruckerhöhung wird durch die Konzentrationszunahme des Ammoniaks im Gasgemisch hervorgerufen. Sie ist von der Menge des benötigten Arbeitsdampfes ahängig und wird von der Arbeitsweise des Strahlapparates bestimmt.

10. Der Wasserstoff als Inertgas bewirkt einen teilweisen Druckausgleich in den einzelnen Apparaten, wodurch der Druckunterschied zwischen Verdunster und Austreiber reduziert wird. Das führt dazu, daß die Lösungspumpenleistung für die Förderung der entgasten Lösung aus dem Verdunster in den Austreiber reduziert wird.

11. Der Wasserstoff bewirkt, daß der Absorberund der Nachabsorbersich auf dem gleichen Gesamtdruckniveau befinden, obwohl die Partialdrücke des Ammoniaks in beiden Apparaten unterschiedlich sind. Dadurch wird eine Lösungspumpe für den Lösungstransport vom Absorber in den Resorber eingespart.

12. Die Gesamtdrücke im Verdunster und im Absorber bleiben trotz veränderlicher Partialdrücke konstant, so daß der Strahlkompressor immer ein gleiches Druckniveau zu überwinden hat und somit sein Betriebsverhalten energetisch günstig wird.

13. Der Wasserstoff als Inertgas hat weiterhin die Aufgabe, die Verdunstung bzw. die Absorption bei veränderlichen Partialdrücken (Siededrücken) ablaufen zu lassen.

14. Die Temperaturbereiche der Verdunstung und der Absorption werden durch die sich im Reichgas bzw. Armgas verändernden Partialdrücke des Ammoniakdampfes und des Wasserstoffs vergrößert, d. h. daß neben der konzentrationsbedingten Zunahme der Siedetemperaturen der Verdunstung bzw. Absorption eine druckbedingte Zunahme der Siedetemperaturen hinzukommt.

15. Das Temperaturband der Verdunstung und der Absorption wird bei Anwesenheit eines Inertgases gegenüber einer reinen Entgasung und Absorption breiter.,

16. Der Wärmepumpenprozeß wird energetisch günstiger, da es möglich wird, die untere Grenztemperatur der für den Wärmepumpenbetrieb noch nutzbaren Wärmequellezu senken, ohne daß das Temperaturniveau der Heizwärme verändert wird.

Claims (2)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Anordnung für eine Resorptions-Wärmepumpen-Anlage zur Erzeugung von Heizwärme aus Industrie- und Umweltwärme, wobei über ein Zweistoffgemisch-Kreisprozeß ein Verdunster über einen Verdichter mit einem Absorber, ein Austreiber über eine Drossel mit dem mit einem Heizsystem verbundenen Absorber und der Austreiber über eine Druckerhöhungspumpe mit dem Verdunster verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß der Austreiber (5) über eine Expansionsmaschine (18) mit einem dem Heizsystem zugeordneten Nachabsorber (10) und letzterer mit dem Absorber (7) und dem Verdunster (1) verbunden ist. ;
2. 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (5) über eine Drossel (9) mit dem Nachabsorber (10) verbunden ist.