DE10038637A1 - Absorptionswärmepumpe mit mehreren Modulen - Google Patents

Abstract

Adsorptionswärmepumpe mit mehreren Modulen, die in insgesamt drei je eine Pumpe (P1, P2, P3) aufweisenden Wärmeträgerkreisläufen (W1, W2, W3) zusammengeschaltet sind, wobei in einem ersten Wärmeträgerkreislauf (W1) alle Adsorber (A1, A2, A3) und Desorber (D1, D2, D3) aller Module (M1-M6), in einem zweiten alle Kondensatoren (K1, K2, K3) der desorbierenden Module (M1, M2, M3) und in einem dritten alle Verdampfer (V1, V2, V3) der desorbierenden Module (M4, M5, M6) jeweils mit Wärmetauschern zusammengeschaltet sind. Dabei sind mindestens zwei Umschalteinrichtungen (U1, U2) zur zyklischen Weiterschaltung aller Adsorber (A1, A2, A3) und Desorber (D1, D2, D3) und der Kondensatoren (K1, K2, K3) und Verdampfer (V1, V2, V3) vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Adsorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Sorptionswärmepumpen aller Art können zur Beheizung von Gebäuden sowie zur Bereitung von Warmwasser eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch eine besonders gute Effizienz aus, da sie mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses Umgebungswärme auf ein für Heiz- oder Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau bringen. Durch diesen Effekt können mit derartigen Wärmepumpen deutlich höhere primärenergetische Nutzungsgrade erreicht werden als mit konventioneller Heiztechnik.

Bei solchen Adsorptionswärmepumpen ist es erforderlich. Desorber und Adsorber von der Hochdruckphase in die Niederdruckphase und umgekehrt umzuschalten. Dies erfolgt bei den bekannten derartigen Wärmepumpen meist mit einzeln zu steuernden Ventilen oder Rückschlagklappen.

Dadurch ergibt sich ein sehr erheblicher konstruktiver und betriebsmäßiger Aufwand.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und eine Adsorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, die sich durch einen einfachen Aufbau und eine einfache Bedienung auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Adsorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil eines sehr einfachen Aufbaus und durch die Umschalteinrichtungen auch eine sehr einfache Bedienung, da eben lediglich die Umschalteinrichtungen um einen Schritt weitergeschaltet werden müssen, um einen Desorber eines Moduls von der Hochdruckphase in die Niederdruckphase sowie einen Kondensator auf einen Verdampferbetrieb und umgekehrt zu schalten.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil, daß ein unerwünschter Wärmetransport vom wärmeren Kondensator-Kreislauf W2 zum kälteren Verdampfer- Kreislauf W3 durch die Umschalteinrichtung infolge der Wärmeleitung und Konvektion verhindert und dadurch die Wärmeziffer der Wärmepumpe in jedem Betriebspunkt erhöht wird.

Durch die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil eines sehr einfachen konstruktiven Aufbaues.

Durch die Merkmale des Anspruches 4 ergibt sich der Vorteil einer sehr einfachen Bedienung der Wärmepumpe. Außerdem ist durch die vorgeschlagenen Maßnahmen auch sichergestellt, daß die zyklische Weiterschaltung sowohl bei den Desorbern wie auch bei den Kondensatoren gleichzeitig erfolgt. Dabei ergibt sich auch die Möglichkeit, die Schaltvorgänge sehr rasch durchzuführen, wodurch sich Vorteile beim Betrieb der Wärmepumpe ergeben.

Abhängig vom Umschaltzeitpunkt kann mehr oder weniger Kältemittel ad- bzw. desorbiert werden. Damit ist der erreichbare Wirkungsgrad der Anlage stark vom Umschaltzeitpunkt abhängig, da mit der Menge des ad- bzw. desorbierten Kältemittels die Menge der von der Umgebung aufgenommenen Verdampfungswärme beeinflußt wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren für einen optimalen Betrieb einer erfindungsgemäßen Adsorptionswärepumpe anzugeben.

Erfindungsgemäß wird dies durch Merkmale des Anspruches 5 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird ein optimaler Einsatz der Adsorber und Desorber sichergestellt. Der Vorteil der zeitversetzten Schaltung der verschiedenen Wärmeträgerkreisläufe ist darin begründet, daß in dem Desorber, der von der Hochdruck- in die Niederdruckphase wechselt und damit zum Adsorber wird, nach der Umschaltung noch für eine gewisse Zeit Kältemittel aus dem Adsorbens desorbiert und auf dem Kondensator/Verdampfer kondensiert. Bei einer zeitgleichen Umschaltung der Wärmeträgerkreisläufe würde diese Kondensationswärme an die Umgebung abgeführt werden. Durch die zeitversetzte Umschaltung wird daher erreicht, daß diese Kondensationswärme noch als Nutzwärme über den einen Wärmeträgerkreislauf an den Wärmetauscher abgegeben wird.

Analog würde beim Wechsel eines Adsorbers in die Hochdruckphase bei einer zeitgleichen Umschaltung Verdampfungswärme zur Verdampfung des Kältemittels aus dem Heiznetz aufgenommen werden. Aufgrund der zeitversetzten Umschaltung wird erreicht, daß die Verdampfungswärme aus der Umgebung aufgenommen wird.

Der Zeitversatz der Umschaltung richtet sich damit nach dem Zustand der beiden Module, die von der Hochdruck- in die Niederdruckphase bzw. umgekehrt gewechselt haben. In dem Moment, wo in dem Modul, das von der Hochdruckphase in die Niederdruckphase wechselt, kein Kältemittel mehr desorbiert und kondensiert wird, bzw. in dem Modul, das von der Niederdruckphase in die Hochdruckphase wechselt, kein Kältemittel mehr verdampft und adsorbiert wird, wird der nächste Kreislauf zeitversetzt umgeschaltet.

Durch die Merkmale des Anspruches 6 wird ein sicherer und günstiger Betrieb der Kondensatoren und Verdampfer sichergestellt.

Durch die Merkmale des Anspruches 7 ergibt sich der Vorteil, daß bei jeder Umschaltung die gesamte Einrichtung rasch wieder in einen stabilen Betriebszustand übergeht. Die Dauer der Umschaltung sollte aus zwei Gründen möglichst kurz sein. So erfolgt während der Umschaltung erstens ein Druckaufbau durch die Wärmeträgerpumpe, da sie höhere Druckverluste überwinden muß und zweitens kann es während der Umschaltung durch den verminderten Wärmeträgerumlauf zu einer lokalen Überhitzung im Hochtemperatur- Wärmetauscher kommen. Beides muß vermieden werden.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Adsorptionswärmepumpe,

Fig. 2 bis 10 verschiedene Stellungen von Umschalteinrichtungen zur Sicherstellung bestimmter Betriebszustände.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelteile.

Eine Adsorptionswärmepumpe 1 weist mehrere Module M1 bis M6 auf, die in insgesamt drei Wärmeträgerkreisläufe W1, W2, W3 zusammengeschaltet sind, wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist. In jedem der drei Wärmeträgerkreisläufe W1, W2, W3 ist jeweils eine Pumpe P1, P2, P3 angeordnet.

Im Kreislauf W1 sind alle Adsorber A1, A2, A3 und alle Desorber D1, D2, D3 aller beteiligter Module M1 bis M6, sowie ein Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT und ein Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT mit der Pumpe P1 seriell zusammengeschaltet.

Dabei ist der Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT zwischen dem heißesten Desorber D1 in der Hochdruckphase und dem heißesten Adsorber A3 in der Niederdruckphase des Arbeitszyklusses angeordnet. Der Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT ist zwischen dem kältesten Desorber D3 in der Hochdruckphase und dem kältesten Adsorber A1 in der Niederdruckphase angeordnet. Die Pumpe P1 befindet sich in der Strömungsrichtung des Wärmeträgers direkt, wie in der Zeichnung dargestellt, vor oder direkt hinter dem Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT.

Der Wärmeträger durchströmt alle Komponenten des Kreislaufs W1 in der Reihenfolge Hochtemperatur-Wärmetauscher HWT in der Hochdruckphase desorbierende Module M1-M3, Pumpe P1, bzw. Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT, Niedertemperatur- Wärmetauscher NWT bzw. P1, in der Niederdruckphase adsorbierende Module M4-M6.

Im Wärmeträgerkreislauf W2 sind alle Kondensatoren K1, K2, K3 der desorbierenden Module M1, M2, M3, der Kondensator-Wärmetauscher KWT und die Pumpe P2 angeordnet. Dabei erfolgt die Durchströmung der Kondensatoren K1, K2, K3 wahlweise, wie dargestellt, seriell oder parallel. Der Wärmeträger durchströmt daher die Kondensatoren und anschließend einen zu den Kondensatoren K1, K2, K3, in Serie geschalteten Kondensator- Wärmetauscher KWT. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pumpe P2 zwischen dem Kondensator-Wärmetauscher KWT und den Kondensatoren K1, K2, K3 geschaltet, doch ist die Anordnung der Pumpe P2 frei wählbar.

Im Wärmeträgerkreislauf W3 sind alle Verdampfer V1, V2, V3 der adsorbierenden Module M4, M5, M6, mit einem Verdampfer-Wärmetauscher VWT und der Pumpe P3 in Serie zusammengeschaltet. Dabei erfolgt die Durchströmung der Verdampfer V1, V2, V3 wahlweise, wie in Fig. 1 dargestellt, seriell oder aber auch parallel durch alle Verdampfer V1, V2, V3 und anschließend durch den Verdampfer-Wärmetauscher. Die Pumpe P3 ist bei der Ausführungsform nach der Fig. 1 zwischen den Verdampfern V1, V2, V3 und dem Verdampfer-Wärmetauscher VWT angeordnet, doch kann die Anordnung der Pumpe P3 in dem Kreis frei gewählt werden.

Wie in der Fig. 1 angedeutet, wird dem Niedertemperatur-Wärmetauscher NWT für einen Verbraucher, z. B. eine Heizanlage, Wärme entzogen. Desgleichen wird auch dem Kondensator-Wärmetauscher KWT für einen Verbraucher Wärme entzogen. Der im Wärmeträgerkreislauf W3 angeordnete Verdampfer-Wärmetauscher VWT nimmt aus der Umgebung, z. B. Luft oder Grundwasser Wärme auf.

Im Betrieb der Adsorptionspumpe ist es erforderlich zur Durchführung des Sorptionsprozesses die Module M1 bis M6 zyklisch weiterzuschalten. Dazu sind Umschalteinrichtungen U1, U2 (Fig. 2, 3, 4, 5) und alternativ auch eine weitere Umschalteinrichtung vorgesehen, wobei im letzteren Fall die zweite Umschalteinrichtung U2 die Kondensatoren K1, K2, K3 und die dritte Umschalteinrichtung die Verdampfer V1, V2, V3 schaltet. Bei lediglich zwei Umschalteinrichtungen U1, U2, schaltet die zweite Umschalteinrichtung U2 die Verdampfer V1, V2 V3 und die Kondensatoren K1, K2, K3 gemeinsam.

Dabei ist die Umschalteinrichtung U1 in den Wärmeträgerkreislauf W1 integriert und ermöglicht eine zyklische Weiterschaltung aller Adsorber A1, A2, A3 und Desorber D1, D2, D3 (Fig. 2). Dabei werden alle Komponenten des Wärmeträgerkreislaufes W1 seriell durchströmt.

Dies bedeutet für den Kreislauf W1, daß jedes Modul seine Position im Uhrzeigersinn wechselt.

So kommt der Desorber D3 in die Position von D2, D2 in jene von D1 und der Desorber D1 wechselt auf den Adsorber A3, der Adsorber A3 auf A2, der Adsorber A2 auf die Position des A1 und der Adsorber A1 wechselt auf die Position des Desorbers D3.

Dadurch kommt von den Modulen M1 bis M3, deren Desorber D1 bis D3 vor dem Schaltvorgang in der Hochdruckphase und die Adsorber A1 bis A3 der Module M4 bis M6 in der Niederdruckphase arbeiten, nach dem Schaltvorgang der Adsorber A1 in die Hochdruckphase und der Desorber D1 in die Niederdruckphase. Dies bedeutet, daß der Desorber D1 von der Hochdruckphase in die Niederdruckphase gewechselt und damit der Desorber D1 des Moduls M1 zum Adsorber gewechselt wird.

Im Fall von insgesamt zwei Umschalteinrichtungen U1, U2 verbindet die Umschalteinrichtung U2 die Wärmeträgerkreisläufe W2 und W3 miteinander und ermöglicht eine zyklische Weiterschaltung der Kondensatoren K1, K2, K3 und Verdampfer V1, V2, V3. Die Kondensatoren K und Verdampfer V der Wärmeträgerkreisläufe W2, bzw. W3 werden dabei wahlweise, wie in der Fig. 3 dargestellt, seriell, oder parallel durchströmt.

Durch die Umschalteinrichtung U2 kann erreicht werden, daß in den Wärmeträgerkreisläufen W2, W3 der Kondensator K1 des Moduls M1 vor dem Schaltvorgang entsprechend zum Verdampfer nach dem Schaltvorgang wird. Der Verdampfer V1 des Moduls M4 vor dem Schaltvorgang wird entsprechend zum Kondensator nach dem Schaltvorgang. Für den Betrieb der Kondensatoren K und der Verdampfer V, die beim Schaltvorgang von der Hochdruck- in die Niederdruckphase oder umgekehrt wechseln, können folgende Betriebsweisen ausgeführt werden.

• 1. Der Wärmeträger durchströmt in den Wärmeträgerkreisläufen W2 bzw. W3 die Module, die beim Schaltvorgang einen Betriebsphasenwechsel durchgemacht haben, nicht, so daß sich der Verdampfer, der vor dem Schaltvorgang noch als Kondensator gearbeitet hat, nur durch verdampfendes Adsorbat abkühlt, nicht aber durch Wärmeabfuhr an die Umgebung über den Kreislauf W3 an den Verdampfer-Wärmetauscher VWT. Entsprechend heizt sich der Kondensator, der vor dem Schaltvorgang noch Verdampfer war, nur durch kondensierendes Adsorbat auf und nicht durch Wärmezufuhr aus dem Kreislauf W2 vom Kondensator-Wärmetauscher KWT.
• 2. Der Wärmeträger durchströmt in den Wärmeträgerkreisläufen W2 bzw. W3 Module, die beim Schaltvorgang einen Betriebsphasenwechsel durchgemacht haben, so daß sich der Verdampfer, der vor dem Schaltvorgang noch als Kondensator gearbeitet hat, sowohl durch verdampfendes Adsorbat als auch durch Wärmeabfuhr an die Umgebung über den Kreislauf W3 an den Verdampfer-Wärmetauscher VWT abkühlt. Entsprechend heizt sich der Kondensator, der vor dem Schaltvorgang noch als Verdampfer gearbeitet hat, sowohl durch kondensierendes Adsorbat als auch durch Wärmezufuhr aus dem Kreislauf W2 vom Kondensator-Wärmetauscher KWT auf.

Bei einer Ausführungsform nach den Fig. 7 bis 10 sind drei Umschalteinrichtungen U1, U2, U3 vorgesehen. Dabei ermöglicht die Umschalteinrichtung U2 die zyklische Weiterschaltung der Kondensatoren K1, K2, K3 (Fig. 7, 8) und U3 die der Verdampfer V1, V2, V3 (Fig. 9, 10). Die Kondensatoren bzw. Verdampfer der Wärmeträgerkreisläufe W2, W3 werden jeweils seriell (Fig. 7, 9) oder parallel (Fig. 8, 10) durchströmt. Der Einsatz der drei Umschalteinrichtungen U1, U2, U3 verhindert einen unerwünschten Wärmetransport vom wärmeren Kondensatorkreislauf W2 zum kälteren Verdampferkreislauf W3 durch die Umschalteinrichtung infolge der Wärmeleitung und Konvektion. Diese Maßnahme erhöht damit die Wärmeziffer der Wärmepumpe in jedem Betriebspunkt.

• - Die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung erfolgt bei zwei oder drei Umschalteinrichtungen U1, U2, bzw. U3 zeitversetzt, um einen optimalen Betrieb der Wärmepumpe zu gewährleisten. Dabei erfolgt die Umschaltung der Umschalteinrichtungen zwei und drei gegenüber der Umschalteinrichtung U1 um 10 Sekunden bis 3 Minuten zeitversetzt. Die Dauer der Schaltvorgänge soll dabei möglichst kurz sein und vorzugsweise unter 15 Sekunden liegen.

Die Dauer der Zeitversetzung ist dabei vom Betriebspunkt abhängig. Dabei soll die Dauer zwischen zwei Schaltzeitpunkten einer Umschalteinrichtung U1, U2 bzw. U3 je nach dem Betriebspunkt zwischen 2 und 12 Minuten liegen, d. h. die Dauer zwischen zwei Schaltungen ein und derselben Umschalteinrichtung U1, U2 bzw. U3 beträgt zwischen 2 und 12 Minuten.

Generell gilt:

• 1. Je länger die Dauer zwischen zwei Schaltungen einer Umschalteinrichtung U1, U2, U3 ist, desto geringer ist die Nutzleistung und desto höher ist der Wirkungsgrad der Anlage. Letzteres gilt natürlich nur innerhalb eines gewissen Toleranzbereiches. Wenn die Dauer über diesen Bereich hinaus verlängert wird, sinkt auch der Wirkungsgrad; d. h. Teilast bedingt eine längere Dauer zwischen zwei Schaltungen.
• 2. Die zeitversetzte Schaltung erfolgt dann, wenn in dem Modul, das von der Hochdruck- in die Niederdruckphase wechselt, kein Kältemittel mehr desorbiert, sondern Kältemittel verdampft und adsorbiert wird. Analog dazu gilt für das Modul, das von der Niederdruck- in die Hochdruckphase wechselt, daß dann wenn kein Kältemittel mehr adsorbiert, sondern Kältemittel desorbiert und kondensiert wird, umgeschaltet werden sollte. Dies bedeutet, daß der optimale Umschaltzeitpunkt dann ist, wenn sich der Kältemittelstrom in den beiden Modulen umkehrt.

Claims (7)

1. Adsorptionswärmepumpe mit mehreren Modulen, die in insgesamt drei Wärmeträgerkreisläufen (UV1, W2, W3) zusammengeschaltet sind, in denen je eine Pumpe (P1, P2, P3) angeordnet ist, wobei in einem ersten Wärmeträgerkreislauf (W1) alle Adsorber (A1, A2, A3) und Desorber (D1, D2, D3) aller Module (M1-M6) mit einem zwischen den heißesten Desorber (D1) und Adsorber (A3) angeordneten Hochtemperatur-Wärmetauscher (HWT) und einem zwischen dem kältesten Desorber (D3) und Adsorber (A1) angeordneten Niedertemperatur-Wärmetauscher (NTW), in einem zweiten Wärmeträgerkreislauf (W2) alle Kondensatoren (K1, K2, K3) der desorbierenden Module (M1, M2, M3) mit einem Kondensator-Wärmetauscher (KWT) zusammengeschaltet sind und in einem dritten Wärmeträgerkreislauf (W3) alle Verdampfer (V1, V2, V3) der desorbierenden Module (M4, M5, M6) mit einem Verdampfer-Wärmetauscher (VWT) zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Wärmeträgerkreislauf (W1) eine Umschalteinrichtung (U1) zur zyklischen Weiterschaltung aller Adsorber (A1, A2, A3) und Desorber (D1, D2, D3) und mindestens eine weitere Umschalteinrichtung (U2) zur zyklischen Weiterschaltung der Kondensatoren (K1, K2, K3) und Verdampfer (V1, V2, V3) vorgesehen ist.

2. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Umschalteinrichtungen (U1, U2, U3) vorgesehen sind, von denen die zweite im zweiten Wärmeträgerkreislauf (W2) zur Weiterschaltung der Kondensatoren (K1, K2, K3) und die dritte Umschalteinrichtung (U3) zur Weiterschaltung der Verdampfer (V1, V2, V3) im dritten Wärmeträgerkreislauf (W3) vorgesehen sind.

3. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich zwei Umschalteinrichtungen (U1, U2) vorgesehen sind, von denen die zweite den zweiten und dritten Wärmeträgerkreislauf (UV2, W3) verbindet.

4. Adsorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtungen (U1, U2, U3) gemeinsam betätigbar sind.

5. Verfahren zum Betrieb eines Adsorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem ersten Wärmeträgerkreislauf (W1) angeordnete Umschalteinrichtung (U1) zur zyklischen Weiterschaltung aller Adsorber (A1, A2, A3) und Desorber (D1, D2, D3) zwischen 10 sec. und 3 Minuten vor der weiteren Umschalteinrichtung (U2) zur zyklischen Weiterschaltung der Kondensatoren (K1, K2, K3) geschaltet wird, wobei die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Umschaltungen der selben Umschalteinrichtung 2 bis 12 Minuten beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zeitgleich mit der zweiten Umschalteinrichtung (U2) eine dritte Umschalteinrichtung (U3) zur Weiterschaltung der Verdampfer (V1, V2, V3) geschaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer einer Umschaltung weniger als 15 sec. beträgt.