DE10100395C2 - Absorptions-Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Absorptions-Wärmepumpe, umfassend Austreiber, Kondensator, Verdampfer und Absorber, wie sie zum Entzug von Wärme über einen Wärmetauscher aus einem Medium zur Kälteerzeugung in diesem, und wie sie zum Transport dieser Wärme zu deren Abgabe über einen zweiten Wärmetauscher in ein anderes Medium zu dessen Erwärmung benötigt wird.

Bei einem solchen Wärmepumpen-Verfahren ist es üblich, mittels der Verdampfung eines Kältemittels die Wärmeenergie dem einen Medium zu entnehmen und andererseits durch Kondensation des Kältemitteldampfes diese Energie dem zweiten Medium, dieses dabei erwärmend, zu übertragen.

Es sind Absorptions-Wärmepumpen bekannt, bei denen aus einem erhitzten Flüssigkeits­ gemisch ein Teil des Kältemittels verdampfend ausgetrieben und mittels Kühlung kondensiert, und als Kältemittelflüssigkeit über eine Drossel in einen Raum mit niedrigeren Druck gesprüht wird. Hier wird beim Verdampfen der Kältemittelflüssigkeit einem zu kühlenden Medium über Wärmetauscher die Energie entzogen, welche im folgenden beim Absorbieren und Verflüssigen an den zugeführten, absorptionsstarken Rest des konzentrierten Flüssigkeitsgemisches wieder abgegeben wird.

Ferner ist bekannt aus der DE 34 31 240 A1 und aus der DE 26 29 345 A1 in Wärme­ pumpen auch Strahlpumpen zu verwenden.

Bei den bekannten Verfahren ist es nachteilig, dass Fremdenergie einmal beim Austreiben wärmend und auch beim anschließenden Kondensieren kühlend etwa in der gleichen Größenordnung zusätzlich benötigt wird, wie die zum Kühlungs- oder Heizungseffekt erwünschte Energiemenge. Selbst bei verfügbarer, billiger Abfallenergie ist dies, zusammen mit der erforderlichen größeren Abmessung der Anlage, nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absorptions-Wärmepumpe zu bilden, bei der die vier Hauptbauelemente Austreiber, Kondensator, Verdampfer, Absorber sowie die Wärmeübertrager paarweise zusammengelegt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben und die besonderen Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt. Damit liegt es im Rahmen der Erfindung, die vier Hauptbauelemente Austreiber, Kondensator, Verdampfer, Absorber sowie die Wärmeübertrager durch die Angleichung von Temperatur und Druck einerseits und Formgebung andererseits paarweise so zusammen zu legen, dass einmal die Funktion Austreibung vom Lösungs- oder Kältemittelanteil aus dem Arbeitsstoffpaar sowie Verdampfung von diesem Flüssigkeitsanteil zur Kältebildung im Wärmeträgermedium (11)genutzt und zum anderen Kondensation sowie Absorption am gleichen Ort stattfinden, wobei dieser Ort der Absorption mit gleichzeitiger Kondensation als Strahlpumpe (2) gestaltet ist, so dass der absorptionsstarke Restanteil des durch Desorption getrennten Arbeitsstoffpaares als Treibmittelflüssigkeit in der Strahlpumpe (2) beim Durchpressen durch die Zerstäuberdüse zu einem nebelförmigen, sich schnell bewegenden Saugstrahl (4a) mit hoher Vakuumbildung an der Saugseite zerstäubt wird und dies infolge der Nebelbildung eine vielfach vergrößerte Oberfläche dieser absorptionsstarken Treimittelflüssigkeit bildet. Dadurch wird die Vakuumbildung weiter verstärkt infolge der Absorption und damit Kondensation des Kältemitteldampfes.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß nur eine normale Förderpumpen-Antriebsenergie bei diesem Verfahren benötigt wird für das umlaufende Treiberflüssigkeitsgemisch. Das ist weniger Energiemenge als der Antriebsenergiebedarf für Kompressor-Wärmepumpen und es ist auch keine Fremdenergie oder Zusatzkühlung wie bei den bisher bekannten Absorptions-Wärmepumpen erforderlich.

Mit geeigneten, ungiftigen Arbeitsstoffpaaren kann dabei im Atmosphärendruckbereich gearbeitet werden bei unkritischen Druckdifferenzen.

Beschreibung von Fig. 1

Eine in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt einen Vakuumkessel 1, in dessen Verlängerung nach oben eine Strahlpumpe 2 so angeordnet ist, daß Wärme vom Sammelbehälter 6 an den Dampf in dessen Umgebung abgegeben wird und ferner, daß der durch die Zerstäuberdüse 3 hindurch gepreßte, stark hygroskopische Restanteil des durch Desorption getrennten Arbeitsstoffpaares als Treibmittel 4a in nebelförmige Tröpfchen zerstäubt, geformt wie Kaltdampf, durch die Treiberdüse 4b mit hoher Geschwindigkeit in die Strahlpumpe gedrückt wird und dabei durch den Wärmetauscher 5 hindurch Kältemitteldampf ansaugt, der dann vom hygroskopisch wirkenden Kaltdampf mitgerissen und von diesem in der Strahlpumpe unter Druckerhöhung absorbiert und bei Bildung von Absorptionswärme sich im Sammelbehälter 6 sammelt.

Die Druckerhöhung im Sammelbehälter 6 drückt die lösungsmittelreiche Flüssigkeit aus dem Sammelbehälter 6 über die Leitung 7 in den Wärmetauscher 8 und weiter durch die Entspannungsdrossel 9 in den im Vakuumkessel 1 befindlichen Wärmetauscher 5, der den von der Strahlpumpe 2 vorbeigesaugten Kältemitteldampf erwärmt.

Am Ende der Wärmetauscherleitung 5 wird die lösungsmittelreiche Flüssigkeit durch die Sprühdüsen 10 in das Vakuum innerhalb des Vakuumkessels 1 über die von der Wärme­ trägerflüssigkeit 11 durchflossenen Wärmetauscherrohre 12 versprüht, wobei viel des Lösungsmittelanteils der Arbeitsstoffpaarlösung dabei verdampft oder desorbiert und der Wärmeträgerflüssigkeit 11 im Wärmetauscherrohr 12 dabei Wärme entzogen wird.

Von der vorher lösungsmittelreichen Arbeitsstoffpaarlösung bleibt nun nur noch der stark hygroskopische Restanteil der Flüssigkeit übrig, der sich am Boden des Vakuumkessels 1 sammelt und von der Pumpe 13 abgesaugt, mit hohem Druck durch das Wärmetauschrohr 14 im Wärmetauscher 8 und weiter durch die Leitung 15 und durch die Zerstäuberdüse 3 als Treibmittel für die Strahlpumpe 2 gepreßt wird und als Saugstrahl zerstäubt. Hier beginnt der Verfahrenskreislauf nochmals von vorn, wie bereits oben beschrieben.

Wenn im Wärmetauscher 8 durch den Anfall von viel Absorptionswärme aus dem Sammelbehälter 6 die Temperatur über das in der Strahlpumpe 2 gewünschte Maß hinaus steigt, dann wird mit der Rohrleitung 16 Wärme aus dem Wärmetauscher 8 entnommen und entweder entsorgt oder einer Wärmenutzung zugeführt.

Claims (9)

1. Absorptions-Wärmepumpe umfassend Austreiber, Kondensator, Verdampfer, Absorber und Wärmeübertrager, dadurch gekennzeichnet, daß diese vier Hauptbauelemente durch An­ gleichung von Temperatur und Druck einerseits und Formgebung andererseits paarweise so zusammengelegt sind, daß einmal die Funktionen Austreibung vom Lösungs- oder Kältemittelanteil aus dem Arbeitsstoffpaar sowie Verdampfung von diesem Flüssigkeitsanteil zur Kältebildung im Wärmeträgermedium (11) genutzt und zum anderen Kondensation sowie Absorption am gleichen Ort und im gleichen Verfahrensschritt stattfinden, wobei dieser Ort der Absorption mit gleichzeitiger Kondensation als Strahlpumpe (2) gestaltet ist, so daß der stark hygroskopische Restanteil des durch Desorption getrennten Arbeitsstoffpaares als Treibmittelflüssigkeit in der Strahlpumpe (2) beim Durchpressen durch die Zerstäuberdüse (3) zu einem nebelförmigen, sich schnell bewegenden Saugstrahl (4a) mit hoher Vakuumbildung an der Saugseite zerstäubt wird und damit die durch die Nebelbildung vielfach vergrößerte Oberfläche dieser Treibmittelflüssigkeit mit ihrer hygroskopischen Kraft infolge der Absorption des abgesaugten Dampfes und dessen Kondensation die Vakuumbildung fördert.

2. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Wirkungsgrades Wärmetauscher benutzt werden, deren große Flächen bei geringer Materialwandstärke mittels Wellenverformung in der Fläche stabilisiert sind.

3. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Temperaturbereiches das Arbeitsstoffpaar Methanol/Diethylentriamin eingesetzt wird.

4. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Auskristallisation das Arbeitsstoffpaar Wasser/Diethylentriamin verwendet wird.

5. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffang­ behälter (6) an der Strahlpumpe (2) als großflächiger Wärmetauscher für die Abgabe von Absorptionswärme an die aus seiner Umgebung anzusaugenden Dämpfe ausgebildet ist.

6. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme­ tauscher (8) für einen Temperaturangleich zwischen der von der Druckpumpe (13) angesaug­ ten kalten, hygroskopischen Restflüssigkeit und der lösungsmittelreichen Arbeitsstoffpaar- Flüssigkeit sorgt, wobei zu hohe Temperaturen über eine Leitung (16) entsorgt oder von einem Wärmenutzer verwertet werden.

7. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Erzeugung eines höheren Vakuums beim Kombinieren einer Flüssigkeitszerstäuber-Vakuum- Strahlpumpe (2) mit der Absorptionskraft von deren zerstäubter Treibmittelflüssigkeit (4a) entsteht und so eine Verdampfung oder Desorption des Kältemittel- oder Lösungsmittel­ anteiles aus der Arbeitsstoffpaarlösung schon bei den niedrigen Temperaturen der Kälteerzeugung infolge der Druckminderung unter die der jeweiligen Lösungsstärke entsprechenden Dampfdruckgrenze erfolgt.

8. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saug­ wirkung von Flüssigkeits-Vakuumstrahlpumpen pro Treibmittelmenge und Zeiteinheit infolge der Zerstäubung des flüssigen Treibmittels zu Kaltdampf in der Zerstäuberdüse (3) dieser Strahlpumpe erhöht wird.

9. Absorptions-Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den erfindungsgemäßen Verfahrensschritten deutlich weniger Energie verbraucht wird als bei den anderen bisher bekannten Verfahren, weil durch die naturgegebene Absorptionskraft die aufwendige Kompressionsenergie für die Komprimierung der Dämpfe bei Kompressoranla­ gen ersetzt wird, wobei für die vorher erforderliche Desorption des Kälte- oder Lösungsmittels nicht mehr Wärmeenergie eingesetzt wird als eben gerade die Wärmemenge, die bei der Kälteerzeugung am richtigen Ort gezielt entzogen und entsorgt oder zur Wärmeerzeugung genutzt wird.