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Die Erfindung betrifft eine Absorptionswärmepumpe, enthaltend einen Verdampfer mit zugeordneten Wärmetauschern, einen Absorber mit zugeordneten Wärmetauschern und einen Speicher für Absorptionslösung.
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Derartige Absorptionswärmepumpen sind vielfältig bekannt und werden zur Erhöhung des Temperaturniveaus von Wärmeströmen eingesetzt, um beispielsweise Gebäude zu beheizen. In Umkehrung des Arbeitsprozesses ist auch eine Kühlung möglich. Die Wirkungsweise der Absorptionswärmepumpe beruht darauf, dass in einem Verdampfer Dampf erzeugt wird, der im Absorber von einer Absorptionslösung absorbiert wird. Dabei handelt es sich um eine stark exotherme Reaktion, bei der Wärme auf einem hohen Temperaturniveau frei wird.
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Die üblichen Absorptionswärmepumpen werden in einem Kreisprozess betrieben, bei welchem die nach der Absorption der verdampften Flüssigkeit entstehende verdünnte Absorptionslösung in einen Austreiber gefördert und unter hohem Druck der Flüssigkeitsanteil ausgetrieben wird, sodass anschließend die aufkonzentrierte Absorptionslösung wieder dem Absorber zugeführt werden kann. Dies ist regelungstechnisch aufwendig und begrenzt den Wirkungsgrad der bekannten Absorptionswärmepumpen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Absorptionswärmepumpe mit einem demgegenüber veränderten Aufbau vorzuschlagen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung einer Absorptionswärmepumpe gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Verdampfer in einer Verdampferkammer und der Absorber in einer Absorberkammer angeordnet sind, die räumlich getrennt voneinander angeordnet sind und über einen Dampfkanal miteinander kommunizieren, wobei in der Verdampferkammer Wasserdampf erzeugbar ist und über den Dampfkanal in die Absorberkammer führbar und in der Absorberkammer von der Absorptionslösung absorbierbar ist. Darüber hinaus umfasst der Speicher zwei voneinander getrennte Speicherkammern, von denen eine Speicherkammer als Speicher für konzentrierte Absorptionslösung dient und über eine Zuführleitung mit dem Absorber verbunden ist und die andere Speicherkammer als Speicher für verdünnte Absorptionslösung dient und über eine Abströmleitung mit dem Absorber verbunden ist.
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Als Absorptionslösung kommen insbesondere Salzlösungen, wie Lithiumbromid, Lithiumchlorid oder Calciumchlorid in Betracht.
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Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, statt eines geschlossenen Kreisprozesses mit Verdampfer, Absorber, Generator und Kondensator ein offenes System einzusetzen, welches über einen Verdampfer und einen Absorber verfügt, die über einen Dampfkanal miteinander kommunizieren und die benötigte konzentrierte Absorptionslösung sowie die bei der Absorption anfallende verdünnte Absorptionslösung in entsprechenden Speicherkammern vorzuhalten und benötigtes Verdampfungswasser extern zuzuführen.
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Wenn im Absorber der im Verdampfer erzeugte Dampf, insbesondere Wasserdampf absorbiert wird, wird nicht nur latente Wärme freigesetzt, die zum Beispiel zur Beheizung eines Gebäudes genutzt werden kann, sondern es entsteht auch ein Unterdruck, der über den Dampfkanal auch im Verdampfer wirkt und dort die weitere Erzeugung von Wasserdampf unterstützt. Die erfindungsgemäße Absorptionswärmepumpe weist von daher einen einfacheren Aufbau auf, der sich mit geringerem Regelungsaufwand als der Stand der Technik betreiben und höheren Wirkungsgrad erwarten lässt.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung umfasst der Verdampfer eine Zuführleitung für Verdampfungswasser und einen Vernebler für das in der Zuführleitung zugeführte Verdampfungswasser, der das Verdampfungswasser beispielsweise über sehr feine Sprühdüsen und unter hohem Austrittsdruck einer entsprechenden Förderpumpe feinstverteilt in der Verdampferkammer verteilt. Der solchermaßen aufgrund des vorherrschenden Druckgefälles erzeugte Wasserdampf des Verdampfungswassers wird sodann aufgrund der herrschenden Unterdruckverhältnisse über den Dampfkanal in die Absorberkammer gesaugt, wo er vom gleichermaßen über Sprühdüsen versprühten Absorptionsmedium unter Wärmefreisetzung und Erzeugung weiteren Unterdrucks absorbiert wird.
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Um das Anfahren der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe zu vereinfachen und einen ausreichend hohen Unterdruck während des Betriebs kontinuierlich sicherzustellen, ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Verdampferkammer mit einer Pumpe zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Verdampferkammer ausgerüstet, beispielsweise einer entsprechenden Vakuumpumpe.
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Der die Absorberkammer und die Verdampferkammer verbindende Dampfkanal ist nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung in seinem freien Querschnitt regelbar, wozu beispielsweise eine Drosseleinrichtung im Dampfkanal vorgesehen sein kann. Eine solche Drosseleinrichtung kann eine motorisch bewegte Drosselklappe umfassen.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die Absorberkammer und die Verdampferkammer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und mittels einer isolierenden Trennwand thermisch und räumlich voneinander getrennt, sodass sie nur über den Dampfkanal miteinander in Verbindung stehen. Die Trennwand kann beispielsweise aus einem geeigneten isolierenden Material bestehen.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann auch der Speicher so ausgebildet sein, dass dessen Speicherkammern in einem gemeinsamen Speichergehäuse angeordnet sind und ebenfalls mittels einer isolierenden Trennwand thermisch und räumlich voneinander getrennt sind.
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Weiterhin kann auf einer oder beiden Trennwänden mindestens ein Peltierelement vorgesehen sein, um die Wärme zwischen Absorberkammer und Verdampferkammer und/oder den beiden Speicherkammern trotz der isolierenden Trennwand zu übertragen, wodurch die Stromrichtung der Wärmeübertragung gesteuert werden kann.
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In der Absorberkammer der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe fällt nach dem Absorbieren des über den Dampfkanal eingeströmten Wasserdampfes eine entsprechende Menge an verdünnter Absorptionslösung an, die sich im Bodenbereich der Absorberkammer ansammelt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in der Absorberkammer eine mit der Abströmleitung verbundene Absaugleitung vorgesehen ist, die endseitig mit einem Schwimmsauger zum Aufschwimmen und oberflächlichen Absaugen der in der Absorberkammer anfallenden verdünnten Absorptionslösung ausgebildet ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass stets die dünnste Absorptionslösung aus der Absorberkammer abgesaugt und in die hierfür vorgesehene Speicherkammer überführt wird, da sich diese an der Oberfläche des Flüssigkeitsniveaus ansammelt.
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Zur weiteren Steigerung der Wärmeübergänge kann nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung vorgesehen sein, dass in der Verdampferkammer und/oder der Absorberkammer ein erster zum Eintauchen in sich ansammelnde Flüssigkeit vorgesehener Wärmetauscher und ein in Reihe geschalteter und nicht in Flüssigkeit eintauchender weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der vorangehend erläuterten Absorptionswärmepumpe sieht vor, in der Absorberkammer durch Absorption des Wasserdampfs einen Unterdruck gegenüber der vergangenen Verdampferkammer zu erzeugen, um den in der Verdampferkammer erzeugten Wasserdampf über den Dampfkanal in die Absorberkammer zu saugen.
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Auf diese Weise ergeben sich mit der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe mehrere Betriebsmodi.
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So kann in einem Sommerbetriebsmodus vorgesehen sein, Wärmetauscher eines Gebäudes von einem durch die Wärmetauscher des Verdampfers strömenden Temperiermedium zu durchströmen, welches im Verdampfer gekühlt wird. Dieses im Verdampfer gekühlte Temperiermedium kann sodann genutzt werden, um über Wärmetauscher des Gebäudes beispielsweise eine Raumkühlung zu bewirken.
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In einem Winterbetriebsmodus hingegen werden Wärmetauscher des Gebäudes von einem durch die Wärmetauscher des Absorbers strömenden Temperiermedium durchströmt, welches die bei der Absorption des Wasserdampfes entstehende Wärmemenge aufnimmt und über die Wärmetauscher des Gebäudes zur Beheizung der Räume desselben abgibt.
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In beiden Betriebsmodi kann vorgesehen sein, dass als Temperiermedium die verdünnte Absorptionslösung aus der entsprechenden Speicherkammer des Speichers verwendet wird und nach Durchlauf des Wärmetauschers des Gebäudes wieder in diese Speicherkammer des Speichers zurückgeführt wird.
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Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung den Aufbau einer Funktionseinheit der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe mit Verdampfer und Absorber;
- 2 in schematischer Darstellung den Aufbau eines Speichers der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe;
- 3 in schematischer Darstellung die Funktionsweise der Absorptionswärmepumpe in einem Sommerbetrieb;
- 4 in schematischer Darstellung die Funktionsweise der Absorptionswärmepumpe in einem Winterbetrieb.
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Aus der 1 ist eine Funktionseinheit 1 einer Absorptionswärmepumpe ersichtlich, die ein geschlossenes Gehäuse aufweist, welches mittels einer im Wesentlichen mittig angeordneten und thermisch isolierenden Trennwand 12 in zwei Kammern unterteilt ist, von denen eine als Verdampferkammer 10 und die andere als Absorberkammer 11 bezeichnet wird.
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Die Verdampferkammer 10 dient dazu, einen Wärmestrom WE in das System einzubringen, während die Absorberkammer 11 dazu dient, einen Wärmestrom WA abzugeben.
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In die Verdampferkammer 10 mündet eine Zuführleitung 100 für Verdampfungswasser ein, wobei das Verdampfungswasser von einem nicht dargestellten Vorrat oder einer Brauchwasserleitung herangeführt wird. Das Verdampfungswasser wird nach Druckerhöhung mit einer Förderpumpe 101 über eine Steigleitung 102 einen Vernebler 103 im Innern der Verdampferkammer 10 zugeführt, welcher das zugeführte Verdampfungswasser in einem fein verteilten Sprühnebel in der Verdampferkammer 10 verteilt. Dabei entsteht der nachfolgend noch weiter beschriebene Wasserdampf, das übrige Verdampfungswasser sammelt sich im Bodenbereich der Verdampferkammer 10 an und wird dort über einen Schnorchel von der Förderpumpe 101 erneut angesagt und zum Vernebler 103 gefördert.
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Darüber hinaus führt in die Verdampferkammer 10 eine Zuleitung 109 für ein Temperiermedium ein, welches zunächst durch einen im angesammelten Flüssigkeitsniveau des Verdampfungswassers angeordneten ersten Wärmetauscher 105 und anschließend über den in Reihe geschalteten und sich oberhalb des Flüssigkeitsniveaus befindenden Wärmetauscher 104 strömt, bevor es über eine mit einer regelbaren Drossel 107 ausgerüstete Ableitung 106 wieder aus der Verdampferkammer 10 herausgeführt wird.
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Mittels einer die Wandung der Verdampferkammer 10 durchsetzenden Vakuumpumpe 108 kann überdies der Innenraum der Verdampferkammer 10 evakuiert und insoweit ein Unterdruck erzeugt werden.
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In der gegenüber der Verdampferkammer 10 durch die thermisch isolierende Trennwand 12 abgeteilten Absorberkammer 11 ist ebenfalls ein Vernebler 114 angeordnet, der über eine Steigleitung 113 und eine Förderpumpe 112 mit einer Zuführleitung 110 für konzentrierte Absorptionslösung kommuniziert, die über eine Drossel 111 regelbar ist.
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Darüber hinaus kann ein Temperiermedium über einen ersten Wärmetauscher 115 sowie einen in Reihe geschalteten weiteren Wärmetauscher 116 eine Wärmemenge aus dem Absorberraum 11 aufnehmen, ferner ist auch eine Absaugleitung 118 vorgesehen, die endseitig mit einem Schwimmsauger ausgestattet ist.
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Wesentliches Merkmal der beiden in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten und über die Trennwand 12 voneinander thermisch isolierten Verdampferkammer 10 und Absorberkammer 11 ist es, dass diese über einen die Trennwand 12 durchsetzenden Dampfkanal 13 miteinander kommunizieren, welcher über eine Drosseleinrichtung 14 in seinem verfügbaren Querschnitt veränderbar ist.
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Der Dampfkanal 13 dient dazu, den in der Verdampferkammer 10 aus dem Verdampfungswasser erzeugten Wasserdampf in die Absorberkammer 11 zu überführen, damit dieser in der Absorberkammer 11 von der versprühten konzentrierten Absorptionslösung aus dem Vernebler 114 absorbiert wird und die entsprechende Wärmemenge freigesetzt wird, welche in den Wärmetauschern 115, 116 von den darin zirkulierenden Temperiermedium aufgenommen und abtransportiert werden kann.
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Die Funktion der Überleitung des Wasserdampfs aus der Verdampferkammer 10 in die Absorberkammer 11 mittels des Dampfkanals 13 wird dadurch unterstützt, dass bei der Absorptionsreaktion in der Absorberkammer 11 ein Unterdruck entsteht, der eine Sogwirkung ausgehend von der Verdampferkammer 10 in die Absorberkammer 11 hervorruft, sodass der erzeugte Wasserdampf in die Absorberkammer 11 gesaugt wird. Dieser Vorgang wird durch die Vakuumpumpe 108 im Bereich der Verdampferkammer 10 regelbar unterstützt.
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Im Bereich der Trennwand 12 sind überdies mehrere Peltierelemente 15 vorgesehen, mittels derer die Richtung der Wärmeübertagung zwischen Verdampferkammer 10 und Absorberkammer 11 gesteuert werden kann.
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Die 2 zeigt demgegenüber den für die Absorptionslösung vorgesehenen Speicher 2, der in einem gemeinsamen Gehäuse zwei Speicherkammern 20, 21 aufweist, die ebenfalls über eine isolierende Trennwand 22 thermisch voneinander getrennt sind. Die in der Darstellung gemäß 2 linke Speicherkammer 20 ist für die Speicherung der für die Absorption benötigten konzentrierten Absorptionslösung vorgesehen, welche über Zuleitungen 24 zugeführt und über Ablaufleitungen 27 entnommen werden kann.
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Die in der Darstellung gemäß 2 rechte Speicherkammer 21 ist hingegen für die Speicherung der nach der Absorption anfallenden verdünnten Absorptionslösung vorgesehen, die über Zuleitungen 25 zugeführt und über Ablaufleitungen 26 entnommen werden kann. Sämtliche Zuleitungen 24, 25 sowie Ablaufleitungen 26, 27 sind mit Steuer- bzw. regelbaren Ventilen versehen.
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Auch im Bereich der Trennwand 22 des Speichers 2 können mehrere Peltierelemente 28 vorgesehen sein, um eine Wärmeübertragung von der einen Speicherkammer 20 in die andere Speicherkammer 21 und umgekehrt zu ermöglichen. Überdies gestattet eine optionale Siphonleitung 23 einen Ausgleich der üblicherweise im Bodenbereich der Speicherkammern 20, 21 anfallenden konzentrierten Absorptionslösung.
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In der 3 ist die Verschaltung der vorangehend anhand der 1 und 2 erläuterten Baugruppen der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe in einem Sommerbetrieb ersichtlich, wie er zur Kühlung eines Gebäudes vorgesehen sein kann.
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Auf der Seite der Verdampferkammer 10 wird das Verdampfungswasser über die Zuführleitung 100 in der bereits beschriebenen Weise zugeführt und im Vernebler 103 vernebelt. Der erzeugte Wasserdampf wird nach Durchtritt über den Dampfkanal 13 in die Absorberkammer 11 von der aus dem Vernebler 114 austretenden konzentrierten Absorptionslösung absorbiert. Diese konzentrierte Absorptionslösung wird über die Zuführleitung 110 aus der Speicherkammer 20 des Speichers 2 und dessen Ablaufleitungen 27 entnommen.
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Nach der Absorption des Wasserdampfs sammelt sich die entstehende verdünnte Lösung im Bodenbereich der Absorberkammer 11 und wird dort über die Absaugleitung 118 mit dem endseitig angeordneten und auf dem Flüssigkeitsniveau der verdünnten Absorptionslösung aufschwimmenden Schwimmsauger abgesagt, wobei sich an der Oberfläche-stets die besonders stark verdünnte Absorptionslösung befindet. Diese abgesagte Absorptionslösung gelangt über eine Abströmleitung 290 und eine Zulauföffnung 29 in die Speicherkammer 21 des Speichers 2.
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Die beiden in der Absorptionskammer 11 vorhandenen Wärmetauscher 115, 116 werden von einem Temperiermedium durchströmt, welches in einem Kreislauf mit einem externen Wärmetauscher 4, zum Beispiel einem Kühlturm, über Zu- und Ablaufleitungen 40, 41 zirkuliert, um die im System anfallende Wärme an die Umgebung abzugeben. Der Wärmetauscher 115 befindet sich dabei im Flüssigkeitsniveau der angefallenen verdünnten Absorptionslösung, der Wärmetauscher 116 befindet sich hingegen oberhalb des Flüssigkeitsniveaus.
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Andererseits wird im Bereich der Verdampferkammer 10 die Anordnung der beiden Wärmetauscher 105, 104 von einem Temperiermedium über die Zuführleitung 109 und die Abführleitung 106 durchströmt, welches aus der Speicherkammer 21 des Speichers 2 über die Ablaufleitungen 26 entnommen wird, d.h. es handelt sich um verdünnte Absorptionslösung aus der Speicherkammer 21. Infolge der Verdampfung des zugeführten Verdampfungswassers in der Verdampfungskammer 10 nimmt dieses Temperiermedium in den Wärmetauschern 105, 104 die anfallende Verdampfungskälte auf und kann anschließend einen nicht näher dargestellten und im Innern eines zu kühlenden Gebäudes angeordneten Wärmetauscher 3 durchströmen, um den Raum des Gebäudes zu kühlen. Anschließend strömt die als Temperiermedium eingesetzte verdünnte Absorptionslösung über die Leitung 250 und die Zulauföffnung 25 wieder in die Speicherkammer 21 des Speichers 2 zurück.
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Ein etwaiger Überbestand an verdünnte Absorptionslösung kann aus der Speicherkammer 21 über den Schwimmsauger 210 und die Absaugleitung 211 abgezogen werden. Hierbei ist denkbar, diese Menge an verdünnte Absorptionslösung einer externen Regenerierung, zum Beispiel unter Nutzung von Abwärme eines Industrieprozesses oder einer Solarthermieanlage zu regenerieren und den Wasseranteil zu verdampfen, sodass es wieder als konzentrierte Absorptionslösung zur Verfügung steht und in die entsprechende Speicherkammer 20 zurückgeführt werden kann. Auch kommt eine Verwendung in CO2-Absorberanlagen in Betracht.
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Aus der 4 ist demgegenüber die Verschaltung der Anlagenkomponenten in einem Winterbetrieb ersichtlich, etwa um über Wärmetauscher 3 eines Gebäudes dessen Räume zu beheizen.
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Im Gegensatz zur Darstellung des Sommerbetriebs in 3 wird im Winterbetrieb gemäß 4 die in der Speicherkammer 21 bevorratete verdünnte Absorptionslösung nicht der Verdampferkammer 10 sondern der Absorberkammer 11 zugeführt, die ausgehend von der Ablaufleitungen 26 zunächst in den Wärmetauscher 115 und anschließend in den Wärmetauscher 116 gelangt und die Wärme aus dem Absorptionsvorgang des absorbierten Wasserdampfs in der Absorberkammer 11 aufnimmt. Über die Leitung 117 gelangt das in der Absorberkammer 11 aufgeheizte Temperiermedium in die Wärmetauscher 3 des Gebäudes und strömt anschließend über den Zulauf 25 wieder in die Speicherkammer 21 des Speichers 2 zurück.
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Auf Seiten der Verdampferkammer 10 wird der Prozess der Vernebelung und Verdampfung des zugeführten Verdampfungswassers über die Zuleitung 100 bedarfsweise dadurch unterstützt, dass ein in einem Kreislauf zwischen den Leitungen 109 und 106 durch die Wärmetauscher 105,104 geführtes Temperiermedium extern aufgeheizt wird, zum Beispiel über Kollektoren 5, die angebotene Solarthermie in das Temperiermedium einbringen.
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Schließlich können im Bodenbereich der Verdampferkammer 10, der Absorberkammer 11 und einer oder beiden Speicherkammern 20, 21 jeweils Ultraschall-Vibratoren 6 vorgesehen sein, um die jeweiligen Flüssigkeitsansammlungen in den einzelnen Kammern in Bewegung zu halten und einer Kristallbildung entgegenzuwirken und eine zusätzliche Vernebelung der Flüssigkeit durch Erzeugung feiner Tröpfchen zu bewirken. Im Bereich des Speichers 2 sind die Vibratoren 6 kastenförmig im Bereich der Außenseite und den Kammern 20, 21 benachbart angeordnet, im Bereich der Funktionseinheit sind stabförmige und in die Verdampferkammer 10 und die Absorberkammer 11 bodenseitig hineinragende Vibratoren 6 vorgesehen, die jeweils mit elektrischem Strom beaufschlagt werden können.
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Die vorangehend erläuterte Absorptionswärmepumpe lässt sich in einem vereinfachten Verfahren betreiben und bedingt gegenüber konventionellen Systemen einen geringeren baulichen Aufwand.
