DE10231265A1 - Absorptionswärmepumpe - Google Patents

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Abstract

Eine Arbeitsmaschine, enthaltend einen Kreislauf (10) mit einer Pumpe (14) zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Durchlaufdampferzeuger (16) zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine (18) zum Expandieren des Arbeitsmittels, insbesondere Wasser, unter Arbeitsleistung und einem Kondensator (36), ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator den Austreiber eines Sorptionsprozesses, insbesondere Absorptionsprozesses (28), beheizt. Der Absorptionsprozess kann Basis einer Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine sein. Die Wärme aus dem verwendeten Absorber (30) und aus dem Kondensator (42) kann in einem Heizkreislauf (58) zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage (56) nutzbar sein. Die Verdampfungswärme aus dem Verdampfer (46) kann über einen Kreislauf (48) mit einem Kälteträgermedium z. B. zur Raumklimatisierung (52) genutzt werden. Weiterhin kann ein Generator (20) vorgesehen sein, der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine enthaltend einen Kreislauf mit einer Pumpe zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine zum Expandieren des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung und einem Kondensator.
  • Solche Arbeitsmaschinen basieren im wesentlichen auf einem Clausius-Rankine-Kreisprozess. Dabei wird das Arbeitsmittel, zum Beispiel Wasser, aus einem Reservoir mittels einer Speisewasserpumpe in einen Wärmeübertrager gepumpt. Der Wärmeübertrager wird dem heißen Rauchgasstrom eines Brenners ausgesetzt. Dadurch wird Wärme aus dem Rauchgasstrom auf das in dem Wärmeübertrager befindliche Wasser übertragen. Der entstehende Wasserdampf verlässt den Wärmeübertrager unter hohem Druck und wird in einer Expansionsmaschine unter Arbeitsleistung expandiert. Dies kann in einer Expansionsmaschine, zum Beispiel einer Rotationskolben-Expansionsmaschine geschehen. Mittels der Expansionsmaschine wird eine Welle angetrieben, an welche ein Generator zur Stromerzeugung angeschlossen sein kann. Der zum Beispiel auf Atmosphärendruck expandierte Dampf wird in einem Kondensator gekühlt und kondensiert.
  • Stand der Technik
  • Es ist bekannt, die im Kondensator eines solchen Kreisprozesses anfallende Abwärme auf einen Heizungskreislauf zu übertragen und zu Heizzwecken zu nutzen. Dabei wird die Abwärme zum einen zur Warmwasserbereitung verwendet und zum anderen zur Heizung von Räumen und dergleichen. Die bekannten Anordnungen sind in der Lage, Strom und Heizwärme zu erzeugen und können daher in der Gebäudetechnik eingesetzt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, welche zur Kühlung eingesetzt werden kann und einen gegenüber den bekannten Anordnungen verbesserten Wirkungsgrad hat.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Kondensator von dem Austreiber eines Sorptionsprozesses gekühlt ist. Eine solche Anordnung kann die für die anschließende Kühlung und Heizung zu nutzende Energie im wesentlichen der Abwärme des Kondensators entnehmen und braucht keine wesentlich teurere Primärenergie. Die Temperatur und Energie des expandierten Dampfes eines geschlossenen Dampfkreisprozesses ist immer noch so hoch, dass sie zur Heizung eines Austreibers eines Sorptionsprozesses ausreicht.
  • Der Sorptionsprozess kann ein Absorptionsprozess, zum Beispiel einer Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine sein. Es sind aber auch andere Prozesse denkbar. Insbesondere sind neben Absorptionsprozessen wie Wasser/Wasser-Lithiumbromid oder Ammoniak/Wasser auch Adsorptionsprozesse verwendbar, die zum Beispiel auf der Verwendung von Zeolithen basieren.
  • Der Absorber kann Wärme an einen Heizkreislauf zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage abgeben. Dann wird die Abwärme des Sorptionsprozesses ebenfalls genutzt, wodurch sich die Energiebilanz der gesamten Versorgungseinheit weiter verbessert. Der Sorptionsprozess kann Teil einer Kältemaschine sein, welche an eine Klima- oder sonstige Kühlanlage angeschlossen ist. Damit kann eine Klimaanlage oder ein Kühlraum betrieben werden, ohne die Energieversorgung mit elektrischer Energie zu belasten. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird mit der Welle der Expansionsmaschine ein Generator betrieben, der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt. Dann werden elektrische Energie, Heizungswärme und Kühlung bereitgestellt. Dies ist die so genannte Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung.
  • Zur weiteren Verbesserung der Energiebilanz können Mittel zum Vorwärmen des in den Austreiber eintretenden Lösungsmittels des Sorptionsprozesses mittels des aus dem Austreiber austretenden, aufgewärmten Lösungsmittels des Sorptionsprozesses vorgesehen sein.
  • Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt schematisch einen geschlossenen Dampfkreislauf, bei welchem der Kondensator vom Austreiber eines Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Kreisprozesses gekühlt ist.
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist mit 10 allgemein ein geschlossener Dampfkreislauf bezeichnet. Das kalte Wasser wird mittels einer von einem Pumpenantrieb 12 angetriebenen Hochdruck-Speisewasserpumpe 14 von einem niedrigeren Druck Pc 1 auf ein höheres Druckniveau Pv 1 gepumpt. Das Wasser tritt in ein Brenner-Dampferzeugersystem 16 ein. Das Wasser wird durch einen Durchlaufdampferzeuger gepumpt, welcher dem heißen Rauchgasstrom eines Brenners ausgesetzt ist. Dabei wird die Wärme QB auf das Wasser zur Verdampfung übertragen. Der unter sehr hohem Druck stehende überhitzte Wasserdampf wird in einer Rotationskolben-Expansionsmaschine 18 auf das niedrigere Druckniveau Pc 1 expandiert. Dabei wird Arbeit frei, mit welcher eine Welle angetrieben wird. Die Welle betätigt einen Generator 20, welcher elektrischen Strom erzeugt. Der Strom dient zur Stromversorgung 22 eines Gebäudes 54 und kann ggf. in ein Netz 26 eingespeist werden.
  • Der die Expansionsmaschine 18 verlassende Dampf tritt in den Austreiber 36 eines noch zu beschreibenden Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskälteprozesses ein und wird dort unter Abgabe der Wärme Qc 1 = QH kondensiert. Das kondensierte Wasser steht dann dem Kreislauf wieder zur Verfügung und kann erneut von der Speisewasserpumpe 14 zum Wärmeübertrager 16 gepumpt werden.
  • In l ist mit 28 der Lösungsmittelkreislauf eines Wasser/Lithiumbromid-Absorptionskreisprozesses bezeichnet. In einem Absorber 30 absorbiert eine wässrige Lithiumbromid-Lösung Wasser. Dadurch wird aus der an Arbeitsmittel armen, d. h. konzentrierten Lösung eine an Arbeitsmittel reiche, d. h. verdünnte Lithiumbromid-Lösung. Die reiche Lösung wird mittels einer Lösungsmittel-Pumpe 32 von einem niedrigeren Druckniveau pv auf ein höheres Druckniveau pc gepumpt. Beide Druckniveaus liegen unterhalb des Atmosphärendrucks. Beim Pumpen ist nur eine vergleichsweise geringe Energie erforderlich, da quasi keine Volumenarbeit an dem Arbeitsmittel geleistet werden muss. In einem als Temperaturwechsler ausgebildeten Wärmeübertrager 34 wird die reiche Lösung vorgewärmt. Die vorgewärmte reiche Lösung wird dann durch einen Austreiber 36 geleitet. Dem Austreiber wird die Abwärme des oben beschriebenen Expansionskreisprozesses 10 zugeführt. Diese Abwärme reicht aus, um das in der reichen Lösung vorhandene Wasser auszutreiben, d. h. Wasserdampf auf dem höheren Druckniveau zu erzeugen. Die arme, d. h. konzentrierte Lithiumbromid-Lösung verlässt den Austreiber 36 und wird zur Vorwärmung im Temperaturwechsler 34 verwendet. Die dort gekühlte arme Lösung wird mittels einer Drossel 38 auf das niedrigere Druckniveau pv L ö gebracht und steht dann wieder im Absorber 30 zur Verfügung.
  • In dem beschriebenen Lösungsmittel-Kreislauf 28 wird also das auf einem niedrigen Druckniveau pv befindliche Arbeitsmittel Wasser auf dem Weg zwischen Absorber 30 und Austreiber 36 auf ein höheres Druckniveau pc komprimiert.
  • Der zu dem Lösungsmittel-Kreislauf 28 gehörige Arbeitsmittel-Kreislauf ist in l mit 40 bezeichnet. Der im Kreislauf 28 komprimierte Wasserdampf gibt im Kondensator 42 die Wärme Qc 2 an den Heizungskreislauf 58 ab. Der Wasserdampf kondensiert zu Wasser und wird weiter unterkühlt. In der Drossel 44 wird das Wasser dann vom Druckniveau pc 2 auf das Druckniveau pv 2 entspannt. Das Arbeitsmittel Wasser gelangt anschließend in den Verdampfer 46. Hier verdampft das Wasser des Arbeitsmittelkreislaufs 40 bei sehr niederiger Temperatur von z. B. 5 bis 15°C. Dabei wird zugleich das Wasser eines Klimakreislaufs 48 gekühlt..
  • Dieses steht dann dem Absorber 30 wieder zur Verfügung und kann im Lösungsmittelkreislauf erneut komprimiert werden.
  • Im Arbeitsmittelkreislauf 40 wird also bei der Verdampfung im Verdampfer 46 Kälte erzeugt, die auf den Klimakreislauf 48 übertragen wird. Der Klimakreislauf umfasst neben dem Verdampfer 46 im wesentlichen eine Pumpe 50, mit welcher der umlaufende Kälteträger umgepumpt wird. Dabei wird einer Klimaanlage oder ein Kühlraum 52 innerhalb eines Gebäudes 54 bedient.
  • Der Heizungskreislauf 58 wird sowohl von der Abwärme des Lösungsmittelkreislaufs 28 als auch des Arbeitsmittelkreislaufs 40 beheizt. Dies geschieht im Absorber 30 bzw. im Kondensator 42. Zusammen mit dem Heizwärmeverteilsystem 56 im Gebäude 54 und einer Pumpe 60 bilden diese Komponenten den Heizungskreislauf 58.
  • Bei der beschriebenen Anordnung wird demnach aus der mit einem Brenner erzeugten Wärme im Brenner-Dampferzeuger-System 16 über den Dampfkreislauf 10 mechanische bzw. dann elektrische Energie erzeugt. Mit der verbleibenden Abwärme wird in einem anschließenden Absorptionskreisprozess Kälte zur Klimatisierung und auch Wärme für Heizzwecke erzeugt. Die in den Kreisläufen 28 und 40 anfallende Abwärme wird dann zusammen mit der Klimakälte aus 46 und der elektrischen Energie aus dem Kreislauf 10 einem Gebäude zugeführt. Auf diese Weise wird bis auf immer anfallende Verlustleistungen z. B. aufgrund mangelnder Isolierung etc. die gesamte Brennerenergie und zusätzlich noch die aus der Umgebung durch die Klimatisierung aufgenommene Wärme genutzt und es werden hohe Wirkungsgrade erzielt.
  • Die beschriebene Anordnung ist natürlich nicht nur auf Klimaanwendungen in der Gebäudetechnik beschränkt, sondern kann auch zur Kühlung von Fahrzeugen oder dergleichen verwendet werden.

Claims (8)

  1. Arbeitsmaschine enthaltend einen Kreislauf (10) mit einer Pumpe (14) zum Fördern eines fluiden Arbeitsmittels, einem Wärmeübertrager (16) zur Übertragung von Wärme auf das Arbeitsmittel, einer Expansionsmaschine (18) zum Expandieren des Arbeitsmittels unter Arbeitsleistung und einem Kondensator (36), dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator von dem Austreiber eines Sorptionsprozesses (28) gekühlt ist.
  2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel Wasser ist.
  3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess ein Absorptionsprozess (28, 40) ist.
  4. Arbeitsmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorptionsprozess Basis einer Wasser/Wasser-Lithiumbromid-Absorptionskältemaschine bzw. -wärmepumpe ist.
  5. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess einen Absorber (30) umfasst, dessen Abwärme in einem Heizkreislauf (28) zum Betrieb einer Heizungs- oder Warmwasseranlage (56) nutzbar ist.
  6. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsprozess (28) Teil eines Kältekreislaufs (48) ist, welcher an eine Kälteträgerverteilnetz (52) angeschlossen ist.
  7. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Generator (20), der die von der Expansionsmaschine geleistete Arbeit in elektrische Energie umwandelt.
  8. Arbeitsmaschine nach einem der vorgehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (34) zum Vorwärmen des in den Austreiber eintretenden Lösungsmittels des Sorptionsprozesses (28) mittels des aus dem Austreiber (36) austretenden, aufgewärmten Lösungsmittels des Sorptionsprozesses (28).
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