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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine zweistufige Sorptionswärmepumpe mit großem Temperaturhub nach Anspruch 1.
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Aus der US 2006 / 0 230 776 A1 ist ein zweistufiger Wärmetransformator bekannt. Ein Wärmetransformator zeichnet sich dadurch aus, dass Generator und Kondensator auf dem Niederdruckniveau und Absorber und Verdampfer auf dem Hochdruckniveau arbeiten. Der Wärmetransformator wird durch Aufnahme von Wärme auf einem mittleren Temperaturniveau über Verdampfer und Generator angetrieben und erzeugt Nutzwärme auf einem hohen Temperaturniveau, die im Absorber freigesetzt wird. Im Gegensatz hierzu wird eine Sorptionswärmepumpe bzw. Sorptions-Kältemaschine gemäß der vorliegenden Erfindung alleine durch Wärme auf einer hohen Temperatur angetrieben, die in den Generator eingekoppelt wird. Der Verdampfer nimmt diese Temperaturwärme auf und die gesamte Wärme wird als Nutzwärme auf einer mittleren Temperatur abgegeben (über Absorber A1 und Kondensator C1). Dieser wesentliche Unterschied ist in dem geltenden Anspruch 1 und den dort genannten Temperaturen-Druckniveaus angedeutet und im neuen Anspruch ist nun explizit angegeben, wie die Größenverhältnisse der Temperatur und Druckniveaus sind. Durch diese Größenverhältnisse wird klar, dass es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Sorptionswärmepumpe bzw. Sorptions-kältemaschine handelt und nicht um einen Wärmetransformator.
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6 zeigt eine bekannte zweistufige Sorptionswärmepumpe mit großem Temperaturhub. Diese zweistufige Sorptionswärmepumpe besteht aus einer Niederdruckstufe mit den Hauptkomponenten erster Ab- oder Adsorber A0 und erster Verdampfer E0, eine Mitteldruckstufe mit den Hauptkomponenten zweiter Ab- oder Adsorber A1 und zweiter Verdampfer E1, sowie der Hockdruckstufe mit den Hauptkomponenten Generator G1 und Kondensator C1. Der Antrieb des Generators G1 erfolgt durch die Antriebswärme QG1 aus einer Antriebswärmequelle WQ3 über einen Antriebswärmestrom 1 auf dem höchsten Temperaturniveau T5. Wärme QE0 auf niedrigstem Temperaturniveau T0 wird durch den ersten Verdampfer E0 über einen Kältekreis 3 aus einer ersten externen Wärmequelle WQ1 aufgenommen. Die Wärme QE0 wird auf einem zweithöchsten Temperaturniveau T4/T3 durch den Kondensator C1 und den zweiten Ab-/Adsorber A1 zusammen mit der Antriebswärme QG1 an einen Heiz- oder Nutzwärmekreis 2 abgegeben. Zudem erfolgt ein innerer Wärmetausch durch Einspeisung der im ersten Ab-/Adsorber A0 freiwerdenden Wärme QA0 in den zweiten Verdampfer E1.
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Durch die zweistufige Ausführung der Wärmepumpe können große Temperaturhübe realisiert werden. Die erzielbaren Wärmeverhältnisse, COP = Heizwärme/Antriebswärme, sind niedriger als die bei einer einstufigen Sorptionswärmepumpe (ca. 1,7) und liegen im Bereich von 1,3. Derartige zweistufige Sorptionswärmepumpen sind aus der
DE 691 00 472 T2 und der
US 5 761 925 A , wobei jeweils nur Niedertemperaturwärme aus einer einzigen externen Wärmequelle in den Verdampfer eingekoppelt wird. Aus der
US 6 311 504 B1 ist es bekannt, zwei externe Wärmequellen zu nutzen, deren Verhältnis zueinander nicht angesprochen ist.
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Das Temperaturniveau Todes ersten Verdampfers E0 wird durch die zur Verfügung stehende Temperatur der ersten externen Wärmequelle WQ1, Wärme QE0 bestimmt. Steht eine zweite externe Wärmequelle WQ2, Wärme Qex auf höherem Temperaturniveau zur Verfügung, erfolgt bisher stets eine Wärmeeinkopplung über den Verdampfer E0 mit einem COP von 1,3.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine zweistufige Sorptionswärmepumpe anzugeben, die einen höheren COP aufweist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Ist das Temperaturniveau der zweiten externen Wärmequelle ausreichend hoch, kann gemäß der vorliegenden Erfindung diese Wärme in den ersten Verdampfer eingekoppelt werden, die dann jedoch über einen einstufigen Sorptionsprozess auf das zweithöchste Temperaturniveau gehoben wird. Mittels einer Steuereinrichtung kann das Mengenverhältnis der beiden externen Wärmequellen, die in den ersten Verdampfer bzw. den zweiten Verdampfer eingespeist werden, frei eingestellt und somit dem Heizwärmebedarf und/oder den Gegebenheiten der beiden externen Wärmequellen angepasst werden. Der COP der zweistufigen Sorptionswärmepumpe ist dann abhängig von diesem Verhältnis der beiden externen Wärmequellen und liegt über 1,3 wenn die Wärme aus der zweiten externen Wärmequelle in den zweiten Verdampfer eingekoppelt wird. Im Vergleich zum reinen zweistufigen Wärmepumpenbetrieb kann durch den zwei/einstufigen Betrieb gemäß der vorliegenden Erfindung die Effizienz der Wärmepumpe gesteigert werden.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 betrifft eine effektive Einbindung der Sorptionswärmepumpe in den Heizkreis.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 3 betrifft eine einfache Einkoppelung der Antriebswärme in den Generator.
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Die Ausgestaltungen nach Anspruch 4 bis 6 betreffen die vorteilhafte Koppelung von Antriebswärmestrom mit dem Heizkreis über einen ersten Wärmetauscher bzw. Anpassungsmöglichkeiten an die konkreten Temperaturverhältnisse und die jeweilige Zweckbestimmung der zweistufigen Sorptionswärmepumpe - Kälte- oder Wärmebereitstellung.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 7 betrifft eine einfache thermische Koppelung der ersten externen Wärmequelle mit dem ersten Verdampfer.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 8 wird auf einfache Weise mittels einem Wärmeträgermittelkreislauf die Wärme aus der zweiten externen Wärmequelle in die Sorptionswärmepumpe eingekoppelt und gleichzeitig wird der innere Wärmetausch zwischen ersten Absorber und zweitem Verdampfer realisiert.
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Die Ausgestaltungen nach Anspruch 9 und 10 betreffen vorteilhafte Einbindungen der einzelnen Komponenten in den Wärmeträgermittelkreislauf.
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Anspruch 11 betrifft eine vorteilhafte Verschaltung der Komponenten in dem Wärmeträgermittelkreislauf mittels Dreiwege-Verteileinrichtung und Dreiwege-Mischeinrichtung.
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Nach Anspruch 12 wird hierzu ein zweiter Wärmetauscher eingesetzt, der für die Brennwertnutzung ausgelegt ist und der den Wärmeträgermittelkreislauf 4 thermisch mit Antriebswärmestrom koppelt.
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Anspruch 13 betrifft eine vorteilhafte parallel/serielle Verschaltung der Komponenten in dem Wärmeträgermittelkreislauf.
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Anspruch 14 betrifft eine vorteilhafte Verschaltung der Komponenten in dem Wärmeträgermittelkreislauf mittels einer Dreiwege-Mischeinreichung.
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Nach Anspruch 15 wird hierzu ein zweiter Wärmetauscher eingesetzt, der für die Brennwertnutzung ausgelegt ist und der den Wärmeträgermittelkreislauf 4 thermisch mit Antriebswärmestrom koppelt.
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Anspruch 16 betrifft eine alternative Anordnung von zweiter externer Wärmequelle und erstem Absorber in dem Wärmeträgermittelkreislauf. Je nachdem wie die Temperaturverhältnisse in der zweiten externen Wärmequelle und im ersten Absorber sind, kann es sinnvoll sein die Positionen dieser beiden Komponenten zu vertauschen.
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Durch die vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 17 wird die Position von zweitem Wärmetauscher und erstem Absorber in dem Wärmeträgermittelkreislauf vertauscht. Auch auf dieser Weise kann den herrschenden Temperaturen im zweitem Wärmetauscher und erstem Absorber Rechnung getragen werden. Da der zweite Wärmetauscher zur Brennwertnutzung ausgelegt ist also Kondensat anfällt, ist es sinnvoll, dass der Vorlauf des zweiten Wärmetauscher mit möglichst geringen Temperaturen erfolgt, wenn die Brennwertnutzung möglichst groß sein soll.
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Die Ausgestaltung nach Anspruch 18 und 19 betrifft die vorteilhafte thermische Kopplung der ersten und zweiten externen Wärmequelle.
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Wenn immer in dieser Beschreibung von „Absorber“ die Rede ist, schließt dies auch den Begriff „Adsorber“ ein, d. h. es werden beide Arten der Sorption erfasst.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine zweistufige Sorptionswärmepumpe im Dühring-Diagramm zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung;
- 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
- 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung;
- 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung; und
- 6 zeigt eine zweistufige Sorptionswärmepumpe im Dühring-Diagramm nach dem Stand der Technik.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine zweistufige Sorptionswärmepumpe im p-T-Diagramm zur Erläuterung des Funktionsprinzips der vorliegenden Erfindung. Die zweistufige Sorptionswärmepumpe nach 1 unterscheidet sich von der Sorptionswärmepumpe nach dem Stand der Technik - 5 - lediglich dadurch, dass Wärme Qex aus einer zweiten externen Wärmequelle WQ2 in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelt wird, wobei das Wärmemengenverhältnis der in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelten Wärmemenge Qex und der in den ersten Verdampfer E0 eingekoppelten Wärmemenge QE0 durch eine Steuereinrichtung 6 frei eingestellt werden kann. Hinsichtlich der Beschreibung der übrigen Komponenten der Sorptionswärmepumpe wird auf die Beschreibung von 5 verwiesen.
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Der COP der zweistufigen Sorptionswärmepumpe ist dann abhängig von diesem Verhältnis der beiden externen Wärmequellen und bewegt sich zwischen 1,3 (rein zweistufig) und 1,7 (rein einstufig). D. h. durch die Einkoppelung der Wärme Qex aus der zweiten externen Wärmequelle WQ2 in den zweiten Verdampfer E1, erhöht sich der COP auf einen Wert über 1,3, da die zweistufige Sorptionswärmepumpe in einem ein./zweistufigen Mischbetrieb arbeitet. Für die in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelte Wärme erfolgt ein einstufiger Temperaturhub von T2 auf T3 bzw. T4 Im Vergleich zum reinen zweistufigen Wärmepumpenbetrieb kann durch den zwei-/einstufigen Betrieb die Effizienz der Wärmepumpe (COP) deutlich gesteigert werden.
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Die erste Ausführungsform der Erfindung nach 2 sieht vor, dass dem Generator G1 mit dem Antriebsmassenstrom 1 Antriebswärme QG1 zugeführt wird. Dem Generator G1 ist ein erster Wärmetauscher WT1 nachgeschaltet, der Wärme aus dem Antriebsmassenstrom 1 an den Heizkreis 2 abgibt. Im Anschluss durchströmt der Heizkreis 2 zuerst den Kondensator C1 und dann den zweiten Absorber A1 oder zuerst den zweiten Absorber A1 und dann den Kondensator C1 und nimmt dabei Wärme QC1, QA1 auf. Der erste Verdampfer E0 der Sorptionswärmepumpe wird vom Kältekreis 3 unter Wärmeabgabe QE0 aus der ersten externen Wärmequelle WQ1 durchströmt. Die für den zweistufigen Wärmepumpenprozess notwendige thermische Kopplung von erstem Verdampfer E1 und erstem Absorber A0 erfolgt durch den einen Wärmeträgermittelkreislauf 4 in welchen die zweite externe Wärmequelle WQ1, Wärme Qex, der zweite Verdampfer E1 und der erste Absorber A0 seriell eingebunden sind. Die Durchströmung der Komponenten erfolgt der Reihenfolge nach E1-A0-WQ1 oder E1-WQ1-A0.
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Die Steuereinrichtung 6 umfasst eine Dreiwege-Verteileinrichtung 6-1, die im Wärmeträgermittelkreislauf 4 zwischen dem zweiten Verdampfer E1 und ersten Absorber A0 angeordnet ist. Eingangsseitig ist die Dreiwege-Verteileinrichtung 6-1 mit dem zweiten Verdampfer E1 und ausgangseitig mit dem ersten Absorber A0 und über eine erste Bypass-Leitung 8-1 mit dem Rücklauf des ersten Absorbers A0 verbunden. Weiter umfasst die Steuereinrichtung 6 eine Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2, die im Wärmeträgermittelkreislauf 4 zwischen der zweiten externen Wärmequelle WQ2und dem zweiten Verdampfer E1 angeordnet ist. Eingangsseitig ist die Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2 damit mit der zweiten externen Wärmequelle WQ2 und über eine zweite Bypass-Leitung 8-2 mit dem Vorlauf der zweiten externen Wärmequelle WQ2 und ausgangsseitig mit dem Vorlauf des zweiten Verdampfers E1 verbunden. Durch die Steuereinrichtung 6 kann durch Änderung des Verhältnisses der in den ersten Verdampfer E0 eingespeisten Wärme QE0 und der in den zweiten Verdampfer E1 eingespeisten Wärme Qex ein rein zweistufiger, rein einstufiger sowie ein zwei-/einstufiger Betrieb realisiert werden.
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3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass ein zweiter Wärmetauscher WT2 vorgesehen ist, der im Antriebswärmestrom 1 dem ersten Wärmetauscher WT1 nachgeschaltet ist und zur Brennwertnutzung ausgelegt ist. Der zweite Wärmetauscher WT2 ist auch in den Wärmeträgermittelkreislauf 4 zwischen der zweiten externen Wärmequelle WQ2 und der Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2 eingebunden. Damit kann sensible Wärme aus dem Antriebswärmestrom 1 zusätzlich in den Wärmeträgermittelkreislauf 4 bzw. in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelt werden. Ist im Antriebswärmestrom Wasserdampf enthalten kann auch latente Wärme durch Kondensation des Wasserdampfes in den Wärmeträgermittelkreislauf 4 bzw. in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelt werden. Die Durchströmung der Komponenten erfolgt seriell in der Reihenfolge E1-A0-WQ2-WT2
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung bei der im Wärmeträgermittelkreislauf 4 der erste Absorber A0 und die zweite externe Wärmequelle WQ2 parallel zueinander und seriell zum zweiten Verdampfer E1 geschaltet sind. Die Steuereinrichtung 6 umfasst lediglich die Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2, die im Wärmeträgermittelkreislauf 4 eingangsseitig mit dem Rücklauf des ersten Absorbers A0 und dem Rücklauf der zweiten externen Wärmequelle WQ2 und ausgangsseitig mit dem Vorlauf des zweiten Verdampfers E1 verbunden ist. Zum Einstellen des Wärmeverhältnisses zwischen erstem und zweitem Verdampfer E0, E1 ist lediglich eine Komponente, die Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2 notwendig. Hierdurch kann wiederum ein rein zweistufiger, rein einstufiger sowie ein zwei-/einstufiger Betrieb realisiert werden.
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5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung die sich von der dritten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass analog zu der zweiten Ausführungsform ein zweiter Wärmetauscher WT2 vorgesehen ist, der im Antriebswärmestrom 1 dem ersten Wärmetauscher WT1 nachgeschaltet ist und zur Brennwertnutzung ausgelegt ist. Der zweite Wärmetauscher WT2 ist auch in den Wärmeträgermittelkreislauf 4 zwischen der zweiten externen Wärmequelle WQ2 und der Dreiwege-Mischeinrichtung 6-2 eingebunden. Damit kann sensible Wärme und Kondensationswärme aus dem Antriebswärmestrom 1 zusätzlich in den Wärmeträgermittelkreislauf 4 bzw. in den zweiten Verdampfer E1 eingekoppelt werden.
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Insbesondere bei der ersten und zweiten Ausführungsform kann die Position von zweiter externer Wärmequelle WQ2 und erstem Absorber A0 im Wärmeträgermittelkreislauf 4 vertauscht werden. Auf diese Weise kann die Sorptionswärmepumpe dahingehend angepasst werden, ob eher die Kälteerzeugung oder die Wärmeerzeugung im Vordergrund steht.
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Auch die Position des ersten Absorbers A0 und des zweiten Wärmetauschers WT2 kann in der zweiten und vierten Ausführungsform der Erfindung vertauscht werden, um den konkreten Temperaturverhältnissen und der Zielrichtung der erfindungsgemäßen zweistufigen Sorptionswärmepumpe - mehr Kälte- oder mehr Heizwärmebereitstellung - Rechnung zu tragen.
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Bei allen Ausführungsformen wird im Heizkreis 2 zuerst der Kondensator C1 und dann den zweiten Absorber A1 oder zuerst den zweiten Absorber A1 und dann den Kondensator C1 durchströmt. Auch hierdurch kann den konkreten Temperaturverhältnissen in den einzelnen Komponenten Rechnung getragen werden.
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Bezugszeichenliste
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- G1
- Generator
- C1
- Kondensator
- A0
- Ad/Absorber erste Stufe, erster Absorber
- A1
- Ad/Absorber zweite Stufe, zweiter Absorber
- E0
- Verdampfer erste Stufe, erster Verdampfer
- E1
- Verdampfer zweite Stufe, zweiter Absorber
- WT1
- Erster Abgas-Wärmetauscher, erster Wärmetauscher
- WT2
- Zweiter Abgas-Wärmetauscher, zweiter Wärmetauscher (geeigneten für Rauchgaskondensation)
- WQ1
- erste externe Wärmequelle, Wärme QE0
- WQ2
- zweite externe Wärmequelle, Wärme Qex
- WQ3
- dritte externe Wärmequelle, Wärme QG1
- 1
- Antriebswärmestrom
- 2
- Heiz- bzw. Nutzwärmekreis
- 3
- Kältekreis
- 4
- Wärmeträgermittelkreislauf, Wärme Qex, QA0
- 6
- Steuereinrichtung
- 6-1
- Dreiwege-Verteileinrichtung
- 6-2
- Dreiwege-Mischeinrichtung
- 8-1
- erste Bypass-Leitung
- 8-2
- zweite Bypass-Leitung