DE10024798A1 - Sorptionsmaschine - Google Patents
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Abstract
Sorptionsmaschine zur Klimatisierung von Gebäuden und Brauchwasserbereitung, bei der mindestens zwei Ad-/Desorber (A, D, A1-A3, D1-D3), mindestens einem Kondensator (3), mindestens einem Verdampfer (4), einem von einer Wärmequelle, z. B. einem Brenner, beaufschlagten Hochtemperatur-Wärmetauscher (7) und einem Niedertemperatur-Wärmetauscher (8), die mehrere Wärmeträgerkreise koppeln, wobei der Verbraucher (13) über Dreiwege-Ventile (22, 23, 24, 25) wahlweise in einen Wärmeträgerkreis (16, 17) einschaltbar oder mit einer Kühlkomponente (14) verbindbar ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionsmaschine zur Klimatisierung und zur Bereitung
von Brauchwasser.
Sorptionsmaschinen bekannter Art werden zur Beheizung von Gebäuden, sowie zu
Bereitung von Brauchwasser eingesetzt. Sorptionsmaschinen zeichnen sich dabei durch
eine besonders gute Effizienz aus, da sie im Heizbetrieb mit Hilfe eines thermodynamischen
Kreisprozesses Umgebungswärme auf ein für Heiz- oder Warmwasserzwecke nutzbares
Temperaturniveau anheben. Durch diesen Effekt können mit Sorptions-Wärmepumpen
deutlich höhere primärenergetische Nutzungsgrade erreicht werden, als mit konventioneller
Heiztechnik.
Ziel der Erfindung ist es, eine Sorptionsmaschine so auszubilden, daß ein einfacher
Übergang von einem Heizbetrieb in einen Kühlbetrieb möglich ist, um auch eine
Klimatisierung eines Gebäudes zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die Anordnung der Dreiwege-Ventile ist es auf einfache Weise möglich dem
Verbraucher Wärme zuzuführen oder aus diesem Wärme abzuführen.
Im Kühlbetrieb dient der Umgebungs-Wärmetauscher als Wärmesenke und der
thermodynamische Kreisprozeß stellt im Verdampfer Kälte für eine Klimatisierung bzw.
Kühlung zur Verfügung.
Durch die vorgesehenen Dreiwege-Ventile ist auch ein Direktheizbetrieb möglich. Wenn bei
sinkenden Außentemperaturen die Heiz- und Brauchwasserwärme aufgrund des
thermodynamischen Kreisprozesses und der physikalischen Eigenschaften der
Sorptionssysteme nur noch teilweise durch den Wärmepumpenbetrieb bereitgestellt werden
kann, so erfolgt bei der vorgeschlagenen Sorptionsmaschine nach und nach ein
automatischer Übergang in einen Direktheizbetrieb, bei dem die Wärme der Wärmequelle
des Hochtemperatur-Wärmetauschers vom Wärmeträger über den Niedertemperatur-
Wärmetauscher direkt dem Verbraucher zugeführt wird.
Durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 4 ergeben sich in konstruktiver Hinsicht sehr
einfache Lösungen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die Fig. 1 und 2
schematisch eine erfindungsgemäße Sorptionsmaschine in zwei verschiedenen
Betriebszuständen und
Fig. 3 bis 8 eine Umschalteinrichtung in verschiedenen Stellungen.
Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile.
Die erfindungsgemäße Sorptionsmaschine 1 weist einen Kondensator 3 auf, der über eine
Vorlaufleitung 30, in der eine Pumpe 10 angeordnet ist, mit einem Sekundärzweig 31 eines
Niedertemperatur-Wärmetauschers 8 verbunden ist. Dieser Sekundärzweig 31 ist über eine
Verbindungsleitung 32 mit einem Dreiwege-Ventil 22 verbunden, das einerseits über eine
Anschlußleitung 33 mit einem Verbraucher 13 und andererseits über eine Anschlußleitung
34 mit einem weiteren Dreiwege-Ventil 23, bzw. einem Umgebungs-Wärmetauscher 12
verbunden ist.
Der Verbraucher 13 ist über eine Anschlußleitung 35 mit einem weiteren Dreiwege-Ventil 25
verbunden, das über eine Rücklaufleitung 36 mit dem Kondensator 3 verbunden ist. Dabei
bildet der Kondensator 3, der Sekundärzweig 31 des Niedertemperatur-Wärmetauschers 8,
der Verbraucher 13, bzw. der Umgebungs-Wärmetauscher einen Wärmeträgerkreis 16.
Ein Primärzweig 37 des Niedertemperatur-Wärmetauschers 8 ist über eine
Verbindungsleitung 38, in der eine Pumpe 9 angeordnet ist, mit einem Adsorber A
verbunden, der über eine Wärmetauscher-Rücklaufleitung 39 mit dem mit einer
Wärmequelle 40, z. B. einem Brenner, versehenen Hochtemperatur-Wärmetauscher 7
verbunden ist. Dieser Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 ist über eine Wärmetauscher-
Vorlaufleitung 41 mit einem Desorber D verbunden, der über eine Verbindungsleitung 42 mit
dem Primärzweig 37 des Niedertemperatur-Wärmetauschers 8 verbunden ist. Dabei bilden
der Hochtemperatur-Wärmetauscher 7, der Desorber D, der Primärzweig 37 des
Niedertemperatur-Wärmetauschers 8 und der Adsorber A einen Wärmeträgerkreis 15.
Der Verdampfer 4 ist über eine Verdampfer-Vorlaufleitung 43, in der eine Pumpe 11
angeordnet ist, mit dem Dreiwege-Ventil 23 verbunden, das einerseits mit dem Umgebungs-
Wärmetauscher 12 und andererseits über eine Kühlkomponenten-Rücklaufleitung 44 mit
einer Kühlkomponente 14 verbunden ist, die ihrerseits mit einer Kühlkomponenten-
Vorlaufleitung 45 mit dem Dreiwege-Ventil 24 verbunden ist.
Abströmseitig ist der Umgebungs-Wärmetauscher 12 über eine Anschlußleitung 46 mit dem
Dreiwege-Ventil 24 und über eine Verbindungsleitung 47 auch mit dem Dreiwege-Ventil 25
verbunden. Dabei ist das Dreiwege-Ventil 24 über eine Vedampfer-Rücklaufleitung 48 mit
dem Verdampfer 4 verbunden.
Dabei bilden der Verdampfer 4, und der Umgebungs-Wärmetauscher 12 einen
Wärmeträgerkreis 17.
Der Verdampfer 4 ist über eine Kältemittelleitung 49, in der ein Rückschlagventil 19
angeordnet ist, mit dem Desorber D und über eine weitere Kältemittelleitung 50, in der
ebenfalls ein Rückschlagventil 21 angeordnet ist mit dem Adsorber A verbunden. Dabei ist
der Desorber D über eine Kältemittelleitung 51, in der ein Rückschlagventil 18 angeordnet
ist, mit dem Kondensator 3 verbunden, der über eine weitere Kältemittelleitung 52, in der
ebenfalls ein Rückschlagventil 20 angeordnet ist, mit dem Adsorber A verbunden. Weiters
sind der Verdampfer 4 und der Kondensator 3 über eine weitere Kältemittelleitung 53, in der
eine Drossel 2 angeordnet ist, direkt miteinander verbunden.
Im Heizbetrieb nimmt der Wärmeträgerkreis 16, der von der Pumpe 10 angetrieben ist, im
Kondensator 3 und im Niedertemperatur-Wämetauscher 8 Wärme auf und gibt diese als
Nutzwärme an den Verbraucher 13 ab, wie dies in der Fig. 1 mit schwarzen Pfeilen
angedeutet ist. Gleichzeitig wird während des Heizbetriebes im Umgebungs-Wärmetauscher
12 Umweltwärme aufgenommen und durch den Wärmeträgerkreis 17 mittels der Pumpe 11
zum Verdampfer 4 transportiert, wie ebenfalls mit schwarzen Pfeilen in der Fig. 1 angedeutet
ist.
Dabei wird im Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 ein Wärmeträger mit Hilfe der
Wärmequelle erhitzt. Der heiße Wärmeträger strömt in den Desorber D und erhitzt dort den
dort vorhandenen Adsorbens, wodurch sich der Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 15
abkühlt. Anschließend wird der Wärmeträger im Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 weiter
abgekühlt und strömt danach in den Adsorber A, wo der Wärmeträger Wärme aufnimmt.
Anschließend strömt der Wärmeträger in den Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 zurück.
Im Desorber D wird das im Adsorbens gespeicherte Kältemittel durch die Wärmezufuhr
ausgetrieben. Der entstehende Kältemitteldampf strömt über das Rückschlagventil 18 in den
Kondensator 3 und wird dort unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die entstehende
Kondensationswärme wird von dem im Wärmeträgerkreis 16 zirkulierenden Wärmeträger
aufgenommen und mit Hilfe der Pumpe 10 durch den Niedertemperatur-Wärmetauscher 8
getrieben, wo der Wärmeträger weitere Wärme aufnimmt, und über das Dreiwege-Ventil 22
zum Verbraucher 13 geleitet, wie dies mit den schwarzen Pfeilen in der Fig. 1 angedeutet ist.
Im Verbraucher 13 wird der Wärmeträger unter Abgabe von Nutzwärme gekühlt und über
das Dreiwege-Ventil 25 zurück zum Kondensator 3 geleitet, wie durch schwarze Pfeile
angedeutet ist. Das flüssige Kältemittel strömt aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem
Kondensator 3 und dem Verdampfer 4 über die Drossel 2 vom Kondensator 3 zum
Verdampfer 4.
Der Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 17 wird mit Hilfe der Pumpe 11 durch den
Umgebungs-Wärmetauscher 12 gefördert und nimmt dort Wärme aus der Umgebung auf
und erwärmt sich dabei. Nach dem Umgebungs-Wärmetauscher 12 strömt der Wärmeträger
über das Dreiwege-Ventil 24 zum Verdampfer, wie dies mit den schwarzen Pfeilen in der
Fig. 1 angedeutet ist. Im Verdampfer 4 führt der Wärmeträger die zur Verdampfung des
Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme dem Kältemittel zu und kühlt sich dabei ab.
Anschließend strömt der Wärmeträger über das Dreiwege-Ventil 23 zurück zum
Umgebungs-Wärmetauscher 12, wie dies mit schwarzen Pfeilen angedeutet ist. Der im
Verdampfer 4 erzeugte Kältemitteldampf strömt über das Rückschlagventil 21 zum Adsorber
A, wo er vom Adsorbens aufgenommen wird. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme
wird vom Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 15 aufgenommen, der sich dabei erwärmt.
Durch entsprechendes Umschalten der Dreiwege-Ventile, 22, 23, 24, 25 kann aus dem
Heizbetrieb in den Kühlbetrieb übergegangen werden.
Im Kühlbetrieb nimmt der Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 16, der die Pumpe 10 enthält,
Wärme im Kondensator 3 und im Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 auf und gibt diese als
Abwärme im Umgebungs-Wärmetauscher 12 an die Umwelt ab, wie dies in der Fig. 2 mit
schwarzen Pfeilen angedeutet ist. Gleichzeitig wird der Wärmeträger im Wärmeträgerkreis
17, der die Pumpe 11 enthält, im Verdampfer 4 abgekühlt. Der kalte Wärmeträger im Kreis
17, strömt zur Kühlkomponente 14, wo er als Kühlmedium dient und dabei wieder
aufgewärmt wird, wie dies mit schwarzen Pfeilen in der Fig. 2 angedeutet ist. Die
Kühlkomponente 14 kann dabei als Lüftungskühlung oder als Wasserkühlung ausgeführt
sein.
Im Kühlbetrieb wird im Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 der Wärmeträger im
Wärmeträgerkreis 15 mit Hilfe der Wärmequelle 40 erwärmt. Der heiße Wärmeträger strömt
in den Desorber D und erhitzt den dort vorhandenen Adsorbens, wodurch sich der
Wärmeträger abkühlt. Anschließend wird der Wärmeträger im Niedertemperatur-
Wärmetauscher 8 weiter abgekühlt. Der Wärmeträger strömt danach in den Adsorber A, wo
er Wärme aufnimmt und strömt schließlich zurück in den Hochtemperatur-Wärmetauscher 7.
Im Desorber D wird das im Adsorbens gespeicherte Kältemittel durch die Wärmezufuhr
ausgetrieben. Der entstehende Kältemitteldampf strömt über das Rückschlagventil 18 in den
Kondensator 3 und wird dort unter Wärmeabgabe verflüssigt. Die entstehende
Kondensationswärme wird von einem Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 16 aufgenommen
und mit Hilfe der Pumpe 10 durch den Niedertemperatur-Wärmetauscher 8, wo weitere
Wärme vom Wärmeträger aufgenommen wird, über das Dreiwege-Ventil 22 zum
Umgebungs-Wärmetauscher 12 gefördert, wie dies in der Fig. 2 mit schwarzen Pfeilen
angedeutet ist. Dort wird der Wärmeträger abgekühlt und die Wärme als Abwärme an die
Umgebung abgegeben. Nach dem Umgebungs-Wärmetauscher 12 strömt der Wärmeträger
im Wärmeträgerkreis 16 über das Dreiwege-Ventil 25 zurück zum Kondensator 3, wie dies in
der Fig. 2 mit schwarzen Pfeilen angedeutet ist. Das flüssige Kältemittel strömt aufgrund der
Druckdifferenz zwischen Kondensator 3 und Verdampfer 4 über die Drossel 2 vom
Kondensator 3 zum Verdampfer 4.
Der Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 17 wird mit Hilfe der Pumpe 11 durch die
Kühlkomponente 14 gefördert, wo er Wärme von einem anderen Medium, wie Luft oder
Wasser aufnimmt und sich dabei erwärmt. Das abgekühlte Medium bewerkstelligt so die
Kühlfunktion für die Räume. Nach der Kühlkomponente 14 strömt der Wärmeträger im Kreis
17 über das Dreiwege-Ventil 24 zum Verdampfer 4, wie dies in der Fig. 2 mit schwarzen
Pfeilen angedeutet ist. Dort gibt der Wärmeträger Wärme ab, die zur Verdampfung des
Kältemittels im Verdampfer 4 genutzt wird. Anschließend strömt der Wärmeträger über das
Dreiwege-Ventil 23 zurück zur Kühlkomponente 14, wie dies in der Fig. 2 ebenfalls mit
schwarzen Pfeilen angedeutet ist. Der im Verdampfer 4 erzeugte Kältemitteldampf strömt
über das Rückschlagventil 21 zum Adsorber A, wo er vom Adsorbens aufgenommen wird.
Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme wird vom Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 15
aufgenommen, der sich dabei erwärmt.
Bei sinkenden Außentemperaturen kann die Heiz- und Brauchwasserwärme aufgrund der
thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften des Sorptionssystems, z. B. Zeolith-
Wasser, nur noch teilweise durch den Wärmepumpenbetrieb bereitgestellt werden. Die
erfindungsgemäße Sorptionsmaschine geht in diesem Fall automatisch nach und nach in
einen Direktheizbetrieb über, bei dem die von der Wärmequelle im Hochtemperatur-
Wärmetauscher zugeführte Wärme im Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 vom
Wärmeträger im Wärmeträgerkreis 15 an den Wärmeträger des Wärmeträgerkreises 16
übertragen wird. Das bedeutet, daß mit sinkender Außentemperatur ein zunehmender Anteil
der Nutzwärme im Direktheizbetrieb zur Verfügung gestellt wird, wohingegen der Anteil der
im Wärmepumpenbetrieb bereitgestellten Wärme mit sinkender Außentemperatur abnimmt.
Es ist somit auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen keine Zusatzheizeinrichtung, wie
Zusatzbrenner, Zusatzheizkessel, Spitzenlastkessel u. dgl. erforderlich.
Im Wärmeträgerkreislauf 15 ist eine in den Fig. 3 bis 8 dargestellte Umschalteinrichtung 54
vorgesehen, die zur zyklischen Weiterschaltung der Adsorber A1-A3 und Desorber D1-D3
im Wärmeträgerkreislauf 15 dient, wobei die Umschalteinrichtung für drei Adsorber (A1-A3
in Fig. 3) und drei Desorber (D1-D3 in Fig. 3) dargestellt ist.
Die Umschalteinrichtung 54 ist über die Wärmetauscher-Vorlaufleitung 41 und die
Wärmetauscher-Rücklaufleitnug 39 mit dem Wärmetauscher 7 verbunden. Dabei ist in der in
der Fig. 3 dargestellten Stellung der Umschalteinrichtung 54 die Wärmetauscher-
Rücklaufleitung 41 mit einem ersten Desorber D1 verbunden. Die weiteren Desorber D2, D3
sind über die Umschalteinrichtung 54 in Reihe geschaltet. Dabei ist der letzte Desorber D3
über die Verbindungsleitung 42 mit dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 8 verbunden. Die
mit diesem in Reihe geschaltete Pumpe 9 ist über die Verbindungsleitung 38 und die
Umschalteinrichtung 54 mit einem ersten Adsorber A1 verbunden. Dabei sind die weiteren
Adsorber A2, A3 über die Umschalteinrichtung 54 in Reihe geschaltet, wobei der letzte
Adsorber A3 mit dem Wärmeträgerkreis 15 und weiter über die Umschalteinrichtung 54 mit
der Wärmetauscher-Rücklaufleitung 39 verbunden ist.
Wie aus den Fig. 4 bis 8 zu ersehen ist, werden die Desorber D1-D3 und Adsorber A1-A3
durch Weiterschalten der Umschalteinrichtung 54 um jeweils eine Position weitergeschaltet.
In jedem Fall ist der heißeste Desorber (D1 in Fig. 3) über die Umschalteinrichtung 54 mit
dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 7 verbunden und der kälteste Adsorber (A1 in Fig. 3)
mit dem Niedertemperatur-Wärmetauscher 8.
Claims (4)
1. Sorptionsmaschine zur Klimatisierung von Gebäuden und
Brauchwasserbereitung, mit mindestens zwei Ad-/Desorber (A, D), mindestens
einem Kondensator (3), mindestens einem Verdampfer (4), einem von einer
Wärmequelle, z. B. einem Brenner, beaufschlagten Hochtemperatur-
Wärmetauscher (7) und einem Niedertemperatur-Wärmetauscher (8), wobei die
Ad-IDesorber (A, D), ein Primärzweig des Hochtemperatur-Wärmetauschers (7)
und der Niedertemperatur-Wärmetauscher (8) miteinander seriell zu einem
geschlossenen Wärmeträgerkreislauf (15) geschaltet sind, in dem eine Pumpe
(9) angeordnet ist, und ein Verbraucher (13) über zwei Drei-Wegeventile (22,
25)wahlweise mit einem den Kondensator (3) und einen Sekundärzweig (31) des
Niedertemperatur-Wärmetauschers (8) umfassenden Wärmeträgerkreis (16)
oder einen Umgebungswärmetauscher 12 umfassenden Kühlkreis verbindbar ist,
wobei der Umgebungswärmetauscher (12) über zwei weitere Dreiwege-Ventile
(23, 24) wahlweise mit einem den Verdampfer (4) umfassenden Kreislauf (17)
oder mit einem eine Kühlkomponente (14) umfassenden Kreislauf verbindbar ist.
2. Sorptionsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Anschluß des Umgebungs-Wärmetauschers (12) mit einem mit dem
Verbraucher (13) verbundenen Dreiwege-Ventil (22) verbunden ist.
3. Sorptionsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ad-/Desorber (A, D) über Rückschlagventile (18, 20) mit dem Kondensator (3)
verbunden sind und der Verdampfer (4) über Rückschlagventile (19, 21) mit dem
Ad-, bzw. dem Desorber (A, D) verbunden ist.
4. Sorptionsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) mit dem Kondensator (3) über eine
Drossel (2) verbunden ist.
Applications Claiming Priority (1)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: VAILLANT GMBH, 42859 REMSCHEID, DE |
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