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Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Wärmeerzeuger mit einer ein- oder mehrstufige Sorptionskältewärmepump nach Anspruch 1 sowie Verfahren zur Steuerung der Verdampferleistung in einem solchen Wärmeerzeuger nach Anspruch 25 bis 28.
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Es wird ein direkt befeuerter oder mit einem Gasstrom mit dampfförmigem Wasseranteil z.B. Abgas betriebener Wärmeerzeuger basierend auf einem ein- oder zweistufigen, geschlossenem Sorptionswärmepumpenprozess bereitgestellt. Dieser ermöglicht eine von der Rücklauftemperatur der Heizungsanwendung unabhängige Nutzung der Kondensationswärme des im Abgas der Verbrennungsquelle vorhandenen Wasserdampfes (Brennwertnutzung).
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Sorptionswärmepumpen sind bekannt und bestehen immer aus den Hauptkomponenten Ab- oder Adsorber (A0), Verdampfer (E0), Generator (G1) und Kondensator (C1). Hier auch betrachtete zweistufige Sorptionswärmepumpen besitzen darüber hinaus einen weiteren Ab-/Adsorber (A1) und einen weiteren Verdampfer (E1). Der Antrieb des Generators (G1) erfolgt über ein Wärmeträgermedium (1) auf hohem Temperaturniveau. Wärme auf niedrigem Temperaturniveau wird durch den Verdampfer (E0) über einen Kältekreis (3) aufgenommen und auf mittlerem Temperaturniveau durch die Komponenten Kondensator (C1) und Ab-/Adsorber (A0 bzw. A1 bei zweistufiger Ausführung) zusammen mit der Antriebswärme an den Heizkreis abgegeben. Die so erzielbaren Wärmeverhältnisse (COP, Verhältnis zwischen Heizwärme und Antriebswärme) einer einstufigen Sorptionswärmepumpe liegen im Bereich von 1,7 und im Bereich von 1,3 für eine zweistufige Ausführung.
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Durch den Wärmeeintrag im Generator wird das Kältemittel aus dem Sorbens desorbiert. Dieser Kältemitteldampf wird unter Wärmeabgabe an den Heizkreis im Kondensator verflüssigt und als Kondensat durch einen Kältemittelsumpf aufgefangen. Von dort wird das Kältemittelkondensat in den Verdampfer geleitet. Dort verdampft das Kältemittel durch Zufuhr von Wärme aus dem externen Kältekreis. Der Dampf strömt zum Ab-/Adsorber und wird dort durch das Sorbens ab- oder adsorbiert. Die dabei frei werdende Wärme wird an den Heizkreis abgegeben.
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Die
WO 2016066153 A1 offenbart eine Heizungsanlage, umfassend einen zentralen Wärmeerzeuger zur Erzeugung thermischer Energie aus der Verbrennung von fossilen oder Biomasse-Brennstoffen, wobei bei der Verbrennung Abgas entsteht; einen Verdampfer zum Verdampfen eines Kältemittels, wobei der Verdampfer kommunikativ mit einer Abgasleitung des zentralen Wärmeerzeugers verbunden ist (Brennwertnutzung), so dass die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Energie dem Abgas des zentralen Wärmeerzeugers entnommen werden kann.
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Die
EP 2937644 A1 offenbart ein brennstoffbetriebenes Heizgerät mit einem Brenner und einem Abgaswärmetauscher, vorzugsweise Kondensationsabgaswärmetauscher, zum Abkühlen der Abgase des Brenners und Übertragung auf einen Heizkreislauf und / oder Brauchwasser, sowie einer Abgasleitung zum Abführen der Abgase von dem Abgaswärmetauscher in die Umgebung, vorzugsweise zum Abführen über einen Kamin, wobei die Abgasleitung stromab des Abgaswärmetauschers mit einem Verdampfer einer Kompressionswärmepumpe wärmeleitend verbunden ist. Hierzu ist in der Abgasleitung stromab des Abgaswärmetauschers ein Abgasleitungswärmetauscher angeordnet, welcher über einen flüssigkeitsführenden Kreislauf mit einem Pufferspeicher verbunden ist und dieser Pufferspeicher wärmeleitend mit dem Verdampfer der Kompressionswärmepumpe verbunden ist.
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DE 202013010117 U1 offenbart eine Heizungsanlage mit Abgaswärmenutzung. Vorgesehen sind zwei Brennwert-Wärmeübertrager im Abgasstrom. Diese sind über einen primären Versorgungskreis und einen Pufferspeicher mit einem sekundären Versorgungskreis verbunden, der seinerseits mit einem Verdampfer
18 verbunden ist.
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DE 2528736 A1 offenbart eine Absorber- oder Dampfstrahl-Wärmepumpe mit thermischer Heizenergie, insbesondere zur Aufheizung eines Mediums auf vergleichsweise niedrige Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmedium nach dem Durchlauf durch den Kocher einen oder nacheinander mehrere Wärmeübertrager bzw. Verflüssiger oder Verdampfer durchströmt, wo es weitere Energie an das aufzuheizende Medium und/oder die heißen oder kalten Kreislaufmedien und/oder das wärmeabgebende, kalte Medium abgibt.
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US 20170307264 A1 offenbart ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wärmeenergie einer motorgetriebenen Wärmepumpe. Bei diesem wird u.a. die latente Wärme des Abgasstromes über einen Wärmetauscher und einen Kreislauf einem Wärmegenerator zugeführt. Vorgesehen ist eine Steuerung, die die Drehzahl der Wärmekraftmaschine derart moduliert, dass die Kälteleistung der Verbrennungsleistung numerisch überlegen ist.
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EP 2466229 B1 offenbart eine selbstanpassende mehrstufige Absorptionswärmepumpe. Bei dieser wird dem Verdampfer nicht das gesamte Kältemittel aus dem Kondensator zugeführt, sondern über einen Wärmetauscher und einen Dampf/Flüssigkeitsabscheider geführt. Das Kühlmittel wird somit separiert.
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DE 19544452 A1 offenbart ein Verfahren zur Nutzung der Rauchgaskondensationswärme, wobei die Rauchgase in einem „Brennwertwärmetauscher“ kondensiert werden und das vorgewärmte Wärmeübertragungsmedium (Wasser, Sole, Öl, Kältemittel) als Wärmequelle einer Wärmepumpe zugeführt wird.
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DE 3113417 A1 offenbart eine Heizungsanlage mit einer Absorptionswärmepumpe. Im Abgasweg sind hinter dem Austreiber vorzugsweise zwei Wärmetauscher zur Nutzung der Abgaswärme einschließlich der Kondensationswärme angeordnet.
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EP 1391668A2 offenbart eine ein- oder mehrstufige Sorptionskältewärmepumpe mit Wasser als Arbeitsmedium bei der die Verdampferleistung das flüssige Arbeitsmedium gegebenenfalls nur teilweise dem Verdampfer zugeführt wird, um eine Vereisen des Verdampfers zu verhindern.
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Die im Wasserdampf des Abgases enthaltene latente Wärme (Kondensationswärme) beträgt z.B. bei Erdgasfeuerungen ca. 10% der im Abgas enthaltenen sensiblen Wärme. Ein Großteil dieser sensiblen Wärme kann zum Antrieb der Sorptionswärmepumpe genutzt werden. Hierdurch könnte jedoch deutlich mehr Wärme auf niedrigem Temperaturniveau durch den Verdampfer aufgenommen werden, als an latenter Wärme zur Verfügung steht. Diese Randbedingung ist trotz variierendem Anteil an latenter Wärme grundsätzlich bei allen betrachteten Wärmequellen als Antrieb für die Sorptionswärmepume gegeben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Antrieb der Sorptionswärmepumpe derart zu realisieren, dass die am Verdampfer aufgenommene Leistung jener der latent im Abgas zur Verfügung stehenden entspricht und gleichzeitig die Heizwärme entsprechend der gesetzten Anforderungen an Temperaturniveau und Leistung bereitgestellt werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Sorptionswärmepumpen sind bekannt und bestehen immer aus den Hauptkomponenten Ab- oder Adsorber (A0), Verdampfer (E0), Generator (G1) und Kondensator (C1). Hier auch betrachtete zweistufige Sorptionswärmepumpen - Anspruch 2 - besitzen darüber hinaus einen weiteren Ab-/Adsorber (A1) und einen weiteren Verdampfer (E1). Der Antrieb des Generators (G1) erfolgt über ein Wärmeträgermedium auf hohem Temperaturniveau. Wärme auf niedrigem Temperaturniveau wird durch den Verdampfer (E0) über einen Kältekreis aufgenommen und auf mittlerem Temperaturniveau durch die Komponenten Kondensator (C1) und Ab-/Adsorber (A0 bzw. A1 bei zweistufiger Ausführung) zusammen mit der Antriebswärme an den Heizkreis abgegeben.
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Der Betrieb des Wärmeerzeugers bzw. der Antrieb der Sorptionswärmepumpe erfolgt direkt über einen Brenner oder über das durch eine Quelle bereitgestellte Abgas. Diese Quelle kann ein thermischer Verbrennungsprozess, ein Verbrennungsmotor/Gasturbine oder andere Abgaserzeuger sein. Durch die Wärmeaufnahme im Generator erfolgt eine Abkühlung des Abgases. Bei nicht ausreichend niedriger Rücklauftemperatur der Heizungsanlage kann keine oder nur eine geringe Nutzung der Kondensationswärme im Abgas erfolgen. Dies wird durch eine weitere, dem Generator und der ersten Wärmetauscheinrichtung seriell nachgeschaltete und für eine Abgaskondensation geeignete zweite Wärmetauscheinrichtung möglich. Die zweite Wärmetauscheinrichtung ist vorzugsweise Teil eines Kaltwasserkreises, der die zweite Wärmetauscheinrichtung und den Verdampfer durchströmt. Durch die im Vergleich zum Heizungsrücklauf deutlich niedrigere Vorlauftemperatur des Kaltwasserkreises kann das Abgas bis weit unter den Taupunkt des Wasserdampfes im Abgas abgekühlt werden und so dessen Kondensationswärme entzogen werden. Diese Kondensationswärme wird durch die Sorptionswärmepumpe zusammen mit der Antriebswärme auf einem nutzbaren Temperaturniveau bereitgestellt. Dieses Temperaturniveau wird so gewählt, dass eine Übertragung an den Heizkreis möglich ist. Durch die Steuereinrichtung zum Steuern der Verdampferleistung wird die Verdampferleistung an die Menge der im Abgas vorliegenden Kondensationswärme angepasst, so dass die Verdampferleistung der latent im Abgas zur Verfügung stehenden Wärme entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Steuerung der Verdampferleistung durch eine direkte behälterinterne Rückführung des Kältemittelkondensats aus dem Kondensator in den Generator und/oder durch Überleiten von flüssigem Kältemittel aus der aus der Verdampfereinrichtung in die Sorptionseinrichtung - Ansprüche 3 bis 7. Der Generator und der Kondensator dienen damit zum einen zum Antrieb der Wärmepumpe und zum anderen übernehmen sie die Funktion eines Wärmeerzeugers im herkömmlichen Sinne. Die im Abgas verbleibende Restwärme wird vorzugsweise über eine nach dem Generator seriell eingebundene Wärmetauschereinrichtung an den Heizkreis abgegeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 bis 12 erfolgt die Anpassung der Verdampferleistung durch eine Anpassung der Wärmeübertragerflächen des Generators derart, dass der Wärmeeintrag durch das Abgas so begrenzt werden kann, dass nur die Menge an Kältemittel durch den Generator und Kondensator bereitgestellt wird, die im Verdampfer dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen. Der Betrieb der Sorptionswärmepumpe erfolgt dabei in herkömmlicher Weise, eine Aufteilung des Kältemittelkondensats wie oben ist nicht nötig. Die nach dem Generator im Abgas verbleibende Wärme wird vorzugsweise über eine nach dem Generator seriell eingebundene Wärmetauschereinrichtung an den Heizkreis abgegeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 bis 17 erfolgt die Anpassung der Verdampferleistung durch eine Anpassung der Abgastemperatur vor dem Eintritt in den Generator derart, dass der Wärmeeintrag durch das Abgas in den Generator so begrenzt werden kann, dass nur die Menge an Kältemittel im Generator bereitgestellt wird, die im Verdampfer dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen. Die Anpassung der Abgastemperatur erfolgt durch eine dem Generator vorgeschaltete dritte Wärmetauscheinrichtung die Wärme an den Heizkreis abgibt und dadurch das Abgas abkühlt. Die nach dem Generator im Abgas verbleibende Restwärme wird durch die nach dem Generator seriell eingebundene erste Wärmetauscheinrichtung an den Heizkreis abgegeben.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 18 bis 21 erfolgt die Anpassung der Verdampferleistung durch eine Anpassung des Massenstroms in den Generator durch eine geeignete Abgas-Bypass-Vorrichtung derart, dass der Wärmeeintrag durch das Abgas in den Generator so begrenzt werden kann, dass nur die Menge an Kältemittel im Generator bereitgestellt wird, die im Verdampfer dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen. Die Anpassung des Massenstroms erfolgt durch einen Abgas-Bypass am Generator. Die dadurch im Abgas verbleibende Wärme wird über die nach dem Generator seriell eingebundene erste Wärmetauscheinrichtung an den Heizkreis abgegeben.
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Die Einkopplung der latenten und sensiblen Wärme aus dem Abgasstrom in die erste Verdampfereinrichtung erfolgt vorzugsweise über einen Wasserkreislauf - Anspruch 22.
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Alternativ ist die zweite Wärmetauscheinrichtung der ersten Verdampfereinrichtung in Form eines Verdampferraumes vorgeschaltet. Das flüssige Kältemittel durchströmt die zweite Wärmetauscheinrichtung, wird vorgewärmt und überhitzt und wird in den Verdampferraum geleitet, wo es verdampft (Flash-Verdampfung)- Anspruch 23.
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Gemäß einer weiteren Alternative sind der erste Wärmetauscheinrichtung und die erste Verdampfereinrichtung als ein Bauteil ausgebildet, die die Funktion des Abgaskondensators und Verdampfers erfüllen - Anspruch 24.
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Die Verfahrensansprüche 25 bis 28 beziehen verfahrensmäßige Ausgestaltung der verschieden Varianten zur Steuerung der Verdampferleistung.
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Die übrigen Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der hydraulischen Verschaltung der Sorptionswärmepumpe mit den Wärmetauscheinrichtungen und deren Einbindung in den Heizkreis.
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Wenn in dieser Anmeldung Absorber A0, A1 genannt sind, sind darunter auch Adsorber zu verstehen, d. h. es wird eine Sorptionswärmepume/-kältemaschine mit einem Feststoff als Sorptionsmittel eingesetzt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmal und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.
- 1A zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer einstufigen Sorptionswärmepumpe bei der die Steuerung der Verdampferleistung durch eine direkte behälterinteren Rückführung des Kältemittelkondensats aus dem Kondensator und den Generator und/oder aus dem Verdampfer in den Absorber erfolgt;
- 1B zeigt eine entsprechend Steuerung der Verdampferleistung bei einer zweistufigen Sorptionswärmepumpe;
- 2 bis 4 zeigen hydraulische Schaltungsvarianten der einzelnen Wärmetauscheinrichtungen bei der Anpassung der Verdampferleistung mittels Kondensatrückführung oder mittels Anpassung der Größe der Wärmeübertragerflächen in der Antriebseinrichtung;
- 5 bis 8 zeigen hydraulische Schaltungsvarianten der einzelnen Wärmetauschereinrichtungen bei der Anpassung der Verdampferleistung mittels einer dritten Wärmetauscheinrichtung, die dem Generator vorgeschaltet ist;
- 9 bis 11 zeigen hydraulische Schaltungsvarianten der einzelnen Wärmetauschereinrichtungen bei der Anpassung der Verdampferleistung mittels eine Bypass-Leitung, die in den Abgasstrom parallel zu dem Generator geschaltet ist.
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1A zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer einstufigen Sorptionswärmepumpe/-kältemaschine, die einen Generator G1, einen Kondensator C1, einen ersten Verdampfer E0 und einen ersten Absorber A0 umfasst. Kondensator C1 und Generator G1 sind in einem gemeinsamen ersten Behälter 2 angeordnet, Der erste Verdampfer E0 und der erste Absorber A0 sind in einem zweiten gemeinsamen Behälter 4 angeordnet. Durch die Antriebswärme wird im Generator G1 Kältemitteldampf erzeugt, der durch den Kondensator C1 unter Abgabe von Wärme kondensiert wird. In dem ersten Behälter 2 ist unter dem Kondensator C1 ist eine erste Kondensatsammeleinrichtung 6 angeordnet, die das in dem Kondensator C1 anfallende Kondensat auffängt. Über eine erste Kondensatrückführung 8 kann flüssiges Kondensat aus der ersten Kondensatsammeleinrichtung 6 in den Generator G1 geführt werden.
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Über eine Kondensatleitung 10 mit Drossel 12 ist die erste Kondensatsammeleinrichtung 6 mit dem ersten Verdampfern E0 im zweiten Behälter 4 verbunden. Durch Aufnahme von Wärme wird das flüssige Kältemittel aus der ersten Kondensatsammeleinrichtung 6 zumindest teilweise verdampft. Unter dem ersten Verdampfer E0 ist eine zweite Kondensatsammeleinrichtung 14 angeordnet, die nicht verdampftes flüssiges Kältemittel auffängt. Über eine zweite Kondensatrückführung 16 wird das flüssige Kältemittel dem ersten Absorber A0 zugeführt. Auch das im ersten Verdampfer E0 verdampfte Kältemittel wird dem ersten Absorbern A0 zugeführt.
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Der erste Absorber A0 ist über eine erste Flüssigkeitsleitung 18 mit Pumpe 20 und über eine zweite Flüssigkeitsleitung 22 mit Drossel 12 mit dem Generator G1 in dem ersten Behälter 2 verbunden. Durch den Kältemitteldampf aus dem ersten Verdampfer E0 und das flüssige Kältemittel aus der zweiten Kondensatsammeleinrichtung 14 wird die über die zweite Flüssigkeitsleitung 22 in den ersten Absorber A0 gelangte kältemittelarme Lösung mit Kältemittel unter Abgabe von Wärme angereichert. Die kältemittelreiche Lösung wird über die erste Flüssigkeitsleitung 18 und der Pumpe 20 in den Generator G1 gepumpt. Im Generator G1 wird durch die Antriebswärme Kältemitteldampf aus der kältemittelreichen Lösung ausgetrieben, wodurch der Kreislauf in der Sorptionswärmepumpe geschlossen ist.
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Durch die Menge des über die Kondensatrückführungen 8 und 16 flüssigen Kältemittels kann die Verdampferleistung des ersten Verdampfers E0 so angepasst werden, dass der Verdampfer eine vorbestimmte Wärmemenge aufnimmt.
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1B zeigt eine schematische Darstellung einer zweistufigen Sorptionswärmepumpe/- kältemaschine bei der die Verdampferleistung des ersten Verdampfers ebenfalls mittels Kondensatrückführung geregelt wird. Zusätzlich zu den Komponenten der einstufigen Ausführungsform nach 1A ist zwischen dem Kondensator C1 und dem ersten Verdampfer E0 ein zweiter Verdampfer E1 auf einem mittleren Druckniveau und dem Temperaturniveau des ersten Absorbers A0 angeordnet. Der zweite Verdampfer E1 ist mit einem zweiten Absorber A1 verbunden, der zwischen dem Generator G1 und dem ersten Absorber A0 auf dem mittleren Druckniveau und dem Temperaturniveau des Kondensators C1 angeordnet ist. Der zweite Verdampfer E1 und der zweite Absorber A1 sin in einem gemeinsamen dritten Behälter 5 angeordnet. Die in dem ersten Absorber A0 freiwerdende Wärme kann durch inneren Wärmetausch in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelt werden.
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Wie bei der einstufigen Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Verdampferleistung des ersten Verdampfers E0 zumindest zum Teil mittels Kondensatrückführung zwischen Kondensator C1 und Generator G1 über die die erste Kondensatsammeleinrichtung 6 und die erste Kondensatrückführung 8. Weiter erfolgt die Steuerung der Verdampferleistung des ersten Verdampfers E0 über die zweite Kondensatsammeleinrichtung 14 und die zweite Kondensatrückführung 16, die jedoch nicht im zweiten Behälter 4, sondern im dritten Behälter 5 angeordnet ist und Kondensat bzw. überschüssiges flüssiges Kältemittel aus dem zweiten Verdampfer E1 in den zweiten Absorber A1 überführt. Im zweiten Behälter 4 zwischen dem ersten Verdampfer E0 und dem ersten Absorber A0 ist keine Kondensatrückführung vorgesehen.
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Eine erste Kondensatleitung 10 mit Drossel 12 verbindet den ersten mit dem dritten Behälter 2, 5. Eine zweite Kondensatleitung 11 mit Drossel 12 verbinden den dritten mit dem zweiten Behälter 5, 4. Eine erste Flüssigkeitsleitung 18 mit Pumpe 19 für kältemitelreiche Lösung und die zweite Flüssigkeitsleitung 20 mit Drossel 12 für kältemittelarme Lösung verbindet den zweiten Absorber A1 mit dem Generator G1. Eine dritte Flüssigkeitsleitung 21 mit Drossel 12 für kältemittelarme Lösung verbindet den zweiten Absorber A1 mit dem ersten Absorber A0. Eine vierte Flüssigkeitsleitung 23 mit Pumpe 20 für kältemittelreiche Lösung verbindet den ersten Absorber A0 direkt mit dem Generator G1.
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Die 2 bis 4 zeigen verschieden Varianten der hydraulischen Verschaltung der Sorptionswärmepumpe aus 1 mit einem Heizkreis 24 in dem Nutzwärme zur Heizung von Gebäuden bereitgestellt wird, einem heißen Abgasstrom 26, der als Antriebswärme dient, und einem Kaltwasserkreis 28 zur Nutzung der in dem Abgasstrom 26 enthaltenen latenten Wärme. In allen Varianten durchströmt der Abgasstrom als erstes den Generator G1 und stellt die Antriebswärme für die Sorptionswärmepumpe bereit. Dem Generator G1 nachgeschaltet ist eine erste Wärmetauschereinrichtung oder ein erster Wärmeübertrager WT2, der Teil des Heizkreises 24 ist und aus dem Abgasstrom Wärme aufnimmt und in den Heizkreis 24 einkoppelt. Der ersten Wärmetauschereinrichtung WT2 nachgeschaltet ist eine zweite Wärmetauschereinrichtung oder ein zweiter Wärmeübertrager WT3, der Teil des Kaltwasserkreises 28 ist und dem Abgasstrom latente Wärme durch Kondensation entzieht und in die Verdampfer E0, E1 einkoppelt.
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Die verschiedenen Varianten nach 2 bis 4 unterscheiden sich lediglich dadurch, in welcher Reihenfolge im Heizkreis 24 die Verschiedenen Nutzwärmequellen Kondensator 1, Absorber, A0, A1 und erster Wärmeübertrager WT2 durchströmt werden. In 2 durströmt der Rücklauf des Heizkreises 24 zunächst den ersten Wärmeübertrager WT2, anschließenden den Kondensator C1 und schließlich den Absorber A0 (einstufige Sorptionswärmepumpe) oder den Absorber A1 (zweistufige Sorptionswärmepumpe). Alternativ wird zunächst der Absorber A0 (einstufige Sorptionswärmepumpe) oder der Absorber A1 (zweistufige Sorptionswärmepumpe) und anschließend der Kondensator C1 durchströmt.
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Bei der Ausführungsform nach 3 werden in gleicher Weise zunächst Kondensator C1 und Absorber A0, A1 durchströmt und zum Schluss der erste Wärmeübertrager WT2. Bei der Ausführungsform nach 4 ist der erste Wärmeübertrager WT2 zwischen Kondensator C1 und den Absorbern A0, A1 angeordnet. Welche Schaltungsvariante zum Einsatz kommt hängt von den Temperaturen des Abgasstromes 26 und den benötigten Temperaturen im Vorlauf des Heizkreises 24 ab.
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Die Steuerung der Verdampferleistung des ersten Verdampfers E0 erfolgt durch eine direkte behälterinterne Rückführung des Kältemittelkondensats aus dem Kondensator C1 in den Generator G1 und/oder durch Überleiten von flüssigem Kältemittel aus dem ersten Verdampfer E0 in den ersten Absorber A0. Der Generator G1 dient damit zum einen zum Antrieb der Sorptionswärmepumpe und Generator G1 und Kondensator C1 übernehmen zum anderen die Funktion eines Wärmeerzeugers im herkömmlichen Sinne. Der Kondensator C1 ist dabei konstruktiv derart ausgeführt, dass vorzugsweise stets ein Teilrückfluss des Kältemittelkondensats direkt in den Generator G1 stattfindet. Der im Kondensator üblicherweise vorhandene Kältemittelsumpf dient nur zum Rückhalten der Menge an Kältemittel, die von dort in den Verdampfer geleitet wird und zur Aufnahme der latenten Wärme aus dem Abgas benötigt wird. Überschüssiges Kältemittel wird durch die erste Kondensatrückführung aus der ersten Kondensatsammeleinrichtung 14 in den Generator G1 zurückgeleitet. Durch die zweite Kondensatrückführung 16 im Verdampfer, wird im Teillastbetrieb ein direktes internes Rückströmen des nicht verdampften Kältemittels in die Absorber A0, A1 ermöglicht (siehe 1). Bei der Ausgestaltung der Sorptionswärmepumpe nach 1 wird ein Großteil der sensiblen Wärme des Abgasstromes 26 durch den Generator G1 aufgenommen und durch den Kondensator C1 an den Heizkreis 24 abgegeben. Nur ein Teil der im Generator G1 aufgenommen Wärme wird zur Kälteerzeugung (Brennwertnutzung) eingesetzt. Die Wärmeübertragerflächen der Hauptkomponenten sind dahingehend angepasst.
In einer zweiten Ausführung der Erfindung - nicht dargestellt - erfolgt die Anpassung der Verdampferleistung durch eine Anpassung der Wärmeübertragerflächen des Generators G1 derart, dass der Wärmeeintrag durch den Abgasstrom 26 so begrenzt werden kann, dass nur die Menge an Kältemittel durch den Generator G1 und Kondensator C1 bereitgestellt wird, die im ersten Verdampfer E0 dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms 26 vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen. Der Betrieb der Sorptionswärmepumpe erfolgt dabei in herkömmlicher Weise, eine Aufteilung des Kältemittelkondensats gemäß der Ausführungsform nach 1 ist nicht nötig. Die nach dem Generator G1 im Abgasstrom 26 verbleibende Wärme wird über den nach dem Generator G1 seriell eingebundenen ersten Wärmeübertrager WT2 an den Heizkreis 24 abgegeben. Die in 2 bis 4 dargestellten Varianten der hydraulischen Verschaltung gelten auch für die zweite Ausführungsform der Erfindung.
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5 bis 8 zeigen eine dritte Ausführung der Erfindung mit Varianten. Bei der dritten Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Verdampferleistung durch eine Anpassung der Abgastemperatur im Abgasstrom 26 vor dem Eintritt in den Generator G1 derart, dass der Wärmeeintrag durch den Abgasstrom 26 in den Generator G1 so begrenzt werden kann, dass nur die Menge an Kältemittel im Generator G1 bereitgestellt wird, die im Verdampfer E0 dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms 26 vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen. Die Anpassung der Abgastemperatur erfolgt durch einen dem Generator G1 vorgeschalteten dritten Wärmeübertrager oder dritte Wärmetauscheinrichtung WT1 der/die Wärme an den Heizkreis 24 abgibt und dadurch den Abgasstrom 26 abkühlt. Wie bei den Ausführungsformen nach 2 bis 4 durchströmt der Abgasstrom 26 nach dem Generator G1 den ersten Wärmeübertrager WT2, der im Heizkreis 24 angeordnet ist, und danach den zweiten Wärmeübertrager WT3, der im Kaltwasserkreis 28 angeordnet ist. Die Reihenfolge in der der Abgasstrom 26 die Wärmeübertrager WT1, den Generator G1 und Wärmeübertrager WT2, WT3 durströmt ist bei allen Varianten nach 4 bis 8 gleich. Die Varianten nach 4 bis 8 unterscheiden sich lediglich in der Reihenfolge mit der die einzelnen Komponenten im Heizkreis 24 durchströmt werden.
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Bei der Variante nach 5 durchströmt der Rücklauf des Heizkreises 24 zunächst den ersten Wärmeübertrager WT2, dann den dritten Wärmeübertrager WT1, anschließend den Kondensator C1 und schließlich den Absorber A0 (einstufige Sorptionswärmepumpe) oder die Absorber A1 und A0 (zweistufige Sorptionswärmepumpe). Als Untervariante können die letzten beiden Komponenten hinsichtlich ihrer Durchströmung auch vertauscht werden; zunächst werden die oder der Absorber A0, A1 und schließlich Kondensator C1 durchströmt.
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Bei der Ausführungsform nach 6 sind Absorber A0, A1 und Kondensator C1 zwischen dem ersten und dritten Wärmeübertrager WT2, WT1 in Reihe geschaltet. Bei der Ausführungsform nach 7 sind Absorber A0, A1 und Kondensator C1 dem dritten Wärmeübertrager WT1 vor- bzw. nachgeschaltet. Bei der Ausführungsform nach 8 sind Absorber A0, A1 und Kondensator C1 dem ersten Wärmeübertrager WT2 vor- bzw. nachgeschaltet.
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9 bis 11 zeigen eine vierte Ausführung der Erfindung mit Varianten. Wie bei den vorhergehend genannten Ausführungsformen nach 2 bis 8 durchströmt der Abgasstrom 26 nach dem Generator G1 seriell den ersten und zweiten Wärmeübertrager WT2 und WT3. Die Anpassung der Verdampferleistung des ersten Verdampfers E0 erfolgt bei der vierten Ausführungsform durch eine Anpassung des Massenstroms an Abgas in den Generator G1 mittels einer Bypass-Leitung 30 durch die über gesteuerte Ventile (nicht dargestellt) ein Teil des Abgasstromes 26 an dem Generator G1 vorbei geführt werden kann. Durch diesen teilweisen Kurzschluss kann der Wärmeeintrag aus dem Abgasstrom 26 in den Generator G1 so begrenzt werden, dass nur die Menge an Kältemitteldampf im Generator G1 bereitgestellt wird, die im ersten Verdampfer E0 dafür benötigt wird um den Brennwert des Abgasstroms 26 vollständig oder zum gewünschten Anteil zu nutzen.
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Bei der Variante nach 9 sind im Heizkreis 24 Kondensator C1 und Absorber A0, A1 analog zu 2, 5 und 8 dem ersten Wärmeübertrager WT2 nachgeschaltet. Bei der Variante nach 10 ist analog zu 4 und 7 der erste Wärmeübertrager WT2 zwischen Kondensator C1 und Absorber A0, A1 angeordnet. Bei der Variante nach 11 sind im Heizkreis 24 analog zu 3 Kondensator C1 und Absorber A0, A1 dem ersten Wärmeübertrager WT2 seriell vorgeschaltet.
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Bezugszeichenliste
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- G1
- Generator
- C1
- Kondensator
- A0
- erster Absorber/Adsorber ein- und zweistufige Sorptionswärmepumpe
- A1
- zweiter Absorber/Adsorber zweistufige Sorptionswärmepumpe
- E0
- erster Verdampfer, ein- und zweistufige Sorptionswärmepumpe
- E1
- zweiter Verdampfer, zweistufige Sorptionswärmepumpe
- WT1
- dritte Wärmetauscheinrichtung
- WT2
- erste Wärmetauscheinrichtung
- WT3
- zweite Wärmetauscheinrichtung (geeigneten für Abgaskondensation)
- 2
- erster Behälter für Kondensator C1 und Generator G1
- 4
- zweiter Behälter für den ersten Verdampfer E0 und den ersten Absorber A0
- 5
- dritter Behälter für den zweiten Verdampfer E1 und den zweiten Absorber A1
- 6
- erste Kondensatsammleinrichtung
- 8
- erste Kondensatrückführung
- 10
- erste Kondensatleitung
- 11
- zweite Kondensatleitung
- 12
- Drossel
- 14
- zweite Kondensatsammeleinrichtung
- 16
- zweite Kondensatrückführung
- 17
- dritte Kondensatrückführung
- 18
- erste Flüssigkeitsleitung
- 19
- Pumpe
- 20
- zweite Flüssigkeitsleitung mit Drossel 12
- 21
- dritte Flüssigkeitsleitung mit Drossel 12
- 23
- vierte Flüssigkeitsleitung mit Pumpe 19
- 24
- Heizkreis
- 26
- Abgasstrom
- 28
- Kaltwasserkreis
- 30
- Bypass-Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016066153 A1 [0005]
- EP 2937644 A1 [0006]
- DE 202013010117 U1 [0007]
- DE 2528736 A1 [0008]
- US 20170307264 A1 [0009]
- EP 2466229 B1 [0010]
- DE 19544452 A1 [0011]
- DE 3113417 A1 [0012]
- EP 1391668 A2 [0013]