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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Sorptionswärmepumpen aller Art können 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 Heiz- oder Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau anheben. Durch diesen Effekt können mit derartigen Wärmepumpen deutlich höhere primärenergetische Nutzungsgrade erreicht werden, als mit konventioneller Heiztechnik.
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Aus
US 5 802 870 A ist eine Adsorptionsvorrichtung mit 6 Sorbern, welche in 3 Kreisläufen verschaltet sind. Ein Kreislauf ist hierbei mit einer Wärmequelle verbunden, ein anderer mit einer Wärmesenke. Hierdurch können die Sorber je nach Zustand Wärme aufnehmen oder abgeben.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die eine sehr weitgehende Anpassung an unterschiedliche Verhältnisse ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einer Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
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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 Hochtemperatur-Wärmeaustauscher und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher zirkuliert und die Reihenschaltung der Adsorber und der Desorber durch die Bypaßleitungen überbrückt wird. Während eines solchen Betriebszustandes findet kein Sorptionsprozeß mehr statt und die übrigen Wärmeträgerpumpen können abgeschaltet werden. Dabei wird durch die Aktivierung der Bypaßleitungen eine Verminderung der Druckverluste erreicht.
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Bei einer solchen Sorptionswärmepumpe sind während des Wärmepumpenbetriebes die Absperrorgane in den Bypaßleitungen geschlossen. Dabei wird im Hochtemperatur-Wärmeaustauscher die Wärme mit Hilfe z.B. eines Gasbrenners in den entsprechenden Wärmeträgerkreislauf W1 eingekoppelt.
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Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil eines sehr einfachen Aufbaues. Außerdem ergibt sich dadurch ein sehr guter prozeßinterner Wärmeaustasuch bei geringen Temperaturdifferenzen innerhalb eines Moduls, was sich positiv auf die Exergieverluste 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.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch eine erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe,
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2 bis 7 eine erste Umschalteinrichtung der Sorptionswärmepumpe in verschiedenen Stellungen und
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8 bis 13 eine zweite Umschalteinrichtung der Sorptionswärmepumpe in verschiedenen Stellungen.
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Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile und nicht Funktionen, d. h. Desorber bzw. Absorber sind nur in 1 u. 2 mit D bzw. A gekennzeichnet, Kondensatoren bzw. Verdampfer sind nur in 1 u. 8 mit K bzw. V gekennzeichnet.
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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.
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In jedem der Kreisläufe W1, W2, W3 ist jeweils eine Wärmeträgerpumpe P1, P2, P3 angeordnet. Der Kreislauf W1 verbindet in serieller Schaltung alle Adsorber A1, A2, A3 und Desorber D1, D2, D3 aller beteiligter Wärmepumpenmodule M1–M6, einen Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT und einen Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT sowie eine Pumpe P1. Der Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT ist zwischen dem heißesten Desorber in der Hochdruckphase (1, 2 Desorptionsphase, hier: D1), und dem heißesten Adsorber in der Niederdruckphase (1, 2 Adsorptionsphase, hier: A3) des Arbeitszyklusses angeordnet. Der Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT ist zwischen dem kältesten Desorber in der Hochdruckphase (1, 2 hier: D3) und dem kältesten Adsorber in der Niederdruckphase (1, 2 hier: A1) angeordnet. Die Pumpe P1 befindet sich in Strömungsrichtung des Wärmeträgers direkt vor (wie in der Zeichnung dargestellt) oder direkt hinter dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT.
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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.
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In dem Wärmekreislauf W1 sind wahlweise noch zwei Bypaßleitungen B1 und B2 angeordnet, von denen die Desorber D1, D2, D3, bzw. die Adsorber A1, A2, A3 überbrückt werden können, wobei in jeder 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.
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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, oder parallel durch alle Kondensatoren und anschließend durch den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P2 frei wählbar.
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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, oder parallel durch alle Verdampfer V1, V2, V3 und anschließend durch den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P3 frei wählbar.
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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 1 nicht dargestellte Umschalteinheiten U1, U2 eingesetzt. Eine Umschalteinheit U1 ist in den Wärmeträgerkreislauf W1 integriert und realisiert die zyklische Weiterschaltung aller Ad- bzw. Desorber A1, A2, A3; D1, D2, D3 (siehe 2 bis 7). Die zweite Umschalteinheit U2 verbindet die Wärmeträgerkreisläufe W2 und W3 miteinander und realisiert die zyklische Weiterschaltung der Kondensatoren K1, K2, K3 und Verdampfer V1, V2, V3 (Siehe 8 bis 13).
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Während des Wärmepumpenbetriebes 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 Desorber D1–D3, wobei er sich abkühlt. Durch die Wärmeabgabe an die Desorber D1, 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 entstehende Kondensationswärme wird vom Wärmeträger 2 aufgenommen, über den Wärmeträgerkreislauf W2 an den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT abgegeben und gelangt von dort als Nutzwärme zum Verbraucher.
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Der Wärmeträger 1 strömt nach den Desorbern D1, D2, D3 zum Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT und wird dort abgekühlt, wobei diese Wärme ebenfalls als Nutzwärme zum Verbraucher gelangt. Danach durchströmt der Wärmeträger 1 nacheinander alle Adsorber, wobei er durch Aufnahme der Adsorptionswärme aufgeheizt wird. Die Aufheizung beruht darauf, daß das während der Desorptionsphase auf den Kondensatoren K1, K2, K3 gespeicherte flüssige Adsorbat nun durch Einkopplung von Umgebungswärme im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT wieder verdampft wird. Die in der Hochdruckphase als Kondensatoren K fungierenden Bauteile arbeiten somit in der Niederdruckphase als Verdampfer V. Das dampfförmige Adsorbat wird vom Adsorbens unter Abgabe der Adsorptionswärme wieder aufgenommen. Die Adsorptionswärme wird an den Wärmeträger 1 übertragen. Nach dem Durchströmen aller Adsorber A1–A3 strömt der Wärmeträger 1 zum Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT, um dort bis auf seine Maximaltemperatur aufgeheizt zu werden.
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Der Wärmeträgerkreislauf W3 dient zur Versorgung der Verdampfer V mit Umgebungswärme. Der Wärmeträger 3 wird im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT unter Aufnahme von Umgebungswärme aufgewärmt und beim Durchströmen der Verdampfer V unter Abgabe der Verdampfungswärme an das flüssige Adsorbat wieder abgekühlt.
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Bei zu niedrigen Außentemperaturen kann es je nach Auslegung der Anlage zu Betriebszuständen 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 Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT zirkuliert. Während dieses "Direktheizbetriebes" findet kein Sorptionsprozeß mehr statt und die Pumpen P2 und P3 sind ausgeschaltet.
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Durch die erfindungsgemäße Verschaltung der einzelnen Wärmepumpenmodule zu einer Adsorptionswärmepumpe mit drei Wärmeträgerkreisläufen W1, W2, W3 über Wärmeträgerleitungen läßt sich der Sorptionsprozeß durch insgesamt zwei Umschalteinheiten U1, U2 steuern. Die Integration der Umschalteinheit U1, U2, sowie die verschiedenen Schaltzustände sind schematisch in 2 bis 13 dargestellt.
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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. Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung ist außerdem eine nicht näher beschriebene Umschalteinheit U1 in den Kreislauf W1 integriert. Zur Realisierung des "Direktheizbetriebes" können wahlweise zwei Bypaßleitungen B1 und B2 mit jeweils einem Absperrorgan V1 und V2 in den Kreislauf W1 integriert werden (in 2 bis 13 nicht dargestellt).
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Der Kreislauf W2 umfaßt alle Kondensatoren K, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT sowie die Wärmeträgerpumpe P2. 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.
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Der Kreislauf W3 umfaßt alle Verdampfer V, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT sowie die Wärmeträgerpumpe P3, 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 U2 die beiden Kreisläufe W2 und W3 miteinander, wie in der 8 bis 13 dargestellt.
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Die dargestellte Verschaltung erlaubt einen sehr guten prozeßinternen Wärmeaustausch bei geringen Temperaturdifferenzen innerhalb eines Moduls M, was sich positiv auf die Exergieverluste 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 Wärmeziffer.
