DE10242820B4

DE10242820B4 - Verfahren zum Umsteuern der Phasen einer Sorptionswärmepumpe und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10242820B4
Application number: DE10242820.4A
Authority: DE
Inventors: Johann-Ludwig Heim; Dr. Hocker Thomas; Dr. Lang Rainer; Frank Marth; Uwe Marx; Ralf Prescha; Johann Wienen
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-09-14
Publication date: 2016-12-22
Anticipated expiration: 2022-09-15
Also published as: ATA14982001A; DE10242820A1; AT410974B

Abstract

Verfahren zum Umsteuern der Phasen einer Adsorptionswärmepumpe (1) von Adsorbieren auf Desorbieren und umgekehrt, wobei als Umschaltkriterium die Temperaturdifferenz ΔT über den Sorber (4) zwischen Eintritt und Austritt verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Desorptions- auf die Adsorptionsphase bei einer Differenztemperatur von ≥ 50 K umgeschaltet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Umsteuern der Phasen einer Sorptionswärmepumpe vom Desorbieren auf Adsorbieren gemäß dem einleitenden Teil des unabhängigen Verfahrenspatentanspruchs sowie eine Vorrichtung hierzu.
Insbesondere ein Gemisch aus Zeolith und Wasser verwendende Sorptionswärmepumpen arbeiten zyklisch aufeinander folgend einmal in der Adsorptionsphase und anschließend in der Desorptionsphase. Während der Adsorptionsphase wird vom nahezu wasserfreien Zeolith verdampftes Wasser aufgenommen und unter Wärmeabgabe am Sorber in den Zeolithen eingelagert, während der Desorptionsphase wird dieses Wasser durch Zufuhr von Wärme in den Sorber verdampft und aus diesem ausgetrieben. Der Wasserdampf wird anschließend kondensiert und wieder dem Verdampfer der Sorptionswärmepumpe zugeführt, womit sich der Kreislauf schließt. Diese Adsorptions- und Desorptionsphasen alternieren, und es besteht das Problem, ein Kriterium zu finden, zu entscheiden, wann der Adsorptionsprozeß zu beenden ist und auf Desorption umzuschalten ist und umgekehrt.
Aus DE 100 62 174 A1 ist eine Adsorptionskühlvorrichtung mit vier Adsorptionseinrichtungen bekannt. Hierbei wird die Temperatur vor und hinter einem Sorber gemessen und daraus eine Temperaturdifferenz bestimmt, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen 1 und 5 K angestrebt wird. Mittels Auswahlventilen können die Adsorptionseinrichtungen in der Adsorptions- und Desorptionsphase unterschiedlich mit Wärmesenken und Wärmequellen verbunden werden.
EP 0 181 375 B1 offenbart eine Adsorptionswärmepumpe mit zwei Sorbermodulen, bei welcher die Durchströmungsrichtung durch eine in der Strömungsrichtung umkehrbare Pumpe umgedreht werden kann, um von der Adsorption in die Desorption und umgekehrt umschalten zu können.
Auch DE 37 00 707 A1 zeigt eine derartige Vorrichtung, bei welcher der Temperaturverlauf des in den Adsorber ein- und ausströmenden Fluids erfasst wird. Am Gradienten am Austritt kann das Ende der Desorptionsphase festgestellt werden. Das Ende der Adsorptionsphase wird anhand des Erreichens einer bestimmten Temperatur, die niedriger als die in der Adsorptionsphase übliche Temperatur ist, festgestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wirtschaftliche Kriterien für eine Beendigung des Desorptionsprozesses und zur Umschaltung zum Adsorptionsprozess sowie eine geeignete Vorrichtung hierfür zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. Eine hierzu zur Durchführung besonders geeignete Lösung ist in den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs zu sehen.
Durch die Benutzung dieser erfindungsgemäßen Lehren ist es möglich, die Längen der Desorptionsphase optimal zu steuern. Werden die Längen dieser Zyklen zu lang oder zu kurz gehalten, sinkt in beiden Fällen der Wirkungsgrad der Sorptionswärmepumpe.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine Adsorptionswärmepumpe in einer schematischen Blockdarstellung. Eine Adsorptionswärmepumpe 1 weist ein Wärmepumpenmodul 2 auf, das in einem Gehäuse 3 einen Sorber 4 und einen Kondensator 5 einschließt, die sich beide oberhalb eines Sumpfes 6 für Wasser befinden, dessen Pegel mit 7 bezeichnet ist. Wichtig ist, daß sich der Sorber 4 oberhalb des Kondensators 5 und insbesondere im obersten Bereich des Behälters 3 befindet. Der Sorber ist als Wärmetauscherrohrschlange ausgebildet, durch die von einem Einlaß 8 zu einem Auslaß 9 ein aufgeheiztes oder von ihm aufzuheizendes Medium geschleust wird. Am Boden 10 des Behälters 3 ist ein Ablaß 11 angeordnet, in dem ein von einem Magneten 12 ansteuerbares Ventil 13 angeordnet ist. Der Ablaß 11 führt zu einem Verdampfer 14, der in einen oberen Bereich 15 und einen unteren Bereich 16 unterteilt ist. An den unteren Bereich 16 ist über eine Leitung 17 eine Pumpe 18 angeschlossen, die aus diesem unteren Bereich 16 Wasser entnimmt und durch einen Wärmetauscher 19 fördert, der auslaßseitig über die Leitung 17 mit dem oberen Bereich 15 verbunden ist. Dieser Wärmetauscher ist von Umweltwärme beaufschlagt.
Zu einem Brenner 20 führt eine mit einem Magnetventil 21 versehene Erdgasleitung 22, weiterhin führt zu dem Brenner 20 eine mit einem von einem Motor 23 angetriebenen Gebläse (24) versehene Luftleitung (25). Stromab des Gebläses 24 in der Leitung 25 befindet sich eine von einem Magneten 26 beaufschlagte Klappe 27.
Eine weitere Luftleitung 28 führt zu einem von einem Motor 29 angetriebenen weiteren Gebläse 30 und zu einer Vereinigungsstelle 31, an der in die Luftleitung 28 Abgase des Brenners 20 über eine Abgasleitung 32 geführt werden. An die Vereinigungsstelle 31 ist der Einlaß 8 geführt. Der Auslaß 9 ist über einen Entkoppelwärmetauscher 33 mit einer Ringleitung 34 verbunden, die zu einem Klappenventil 35 führt, das von einem Motor 36 beherrscht ist. Von dem Klappenventil 35 geht eine in die Atmosphäre führende Abluftleitung 37 und eine Verbindungsleitung 38 ab, die zu einer Vereinigungsstelle 39 führt, die in der Luftleitung 28 liegt. Je nach Stellung des Klappenventils 35 ist die Leitung 34 entweder mit der Leitung 37 oder mit der Leitung 38 oder in Zwischenstellung mit beiden Leitungen verbunden.
Es ist eine Steuereinrichtung 40 vorgesehen, an die über eine Leitung 41 ein einstellbarer Sollwertgeber 42 angeschlossen ist. Die Steuereinrichtung 40 ist über Eingangsleitungen 43 und 44 mit Temperaturfühlern 45 und 46 verbunden, die am Einlaß 8 bzw. Auslaß 9 angeordnet sind. Eine Stelleitung 47 führt zu einem Motor 48 einer Pumpe 49, die im Zuge einer Leitung 50 angeordnet ist, die die Pumpe 49 mit dem Kondensator 5 verbindet. Stromab des Kondensators 5 setzt sich die Leitung 50 fort und führt zu dem Entkoppelwärmetauscher 33. Eine weitere Stelleitung 51 führt von der Steuerung 40 zum Motor 12 des Ventils 13. Eine weitere Stelleitung 52 führt zum Brenner 20 und zum Magnetventil 21 sowie zum Motor 23 des Gebläses 24 und zum Stellmagneten 26 der Klappe 27. Eine letzte Stelleitung 53 führt zum Magneten 36 des Klappenventils 35.
Zu Beginn der Desorptionsphase ist der Zeolith des Sorbers 4 mit Wasser gesättigt. Der Brenner 20 wird durch Öffnen des Magnetventils 21, Anlaufen des Motors 23 des Gebläses 24 und Öffnen der Klappe 27 durch den Motor 26 mit Luft und Brennstoff versorgt und über die Stelleitung 52 unmittelbar gezündet. Abgas wird über die Leitung 32 in die Vereinigungsstelle 31 geführt. Gleichermaßen läuft auch das Gebläse 30, so daß Abgas und gegebenenfalls aus der Leitung 28 stammende Luft durch den Sorber 4 geführt werden, in dem dies (e) über den Einlaß 8 zum Auslaß 9 geführt wird/werden. Bei dieser Wärmezufuhr nimmt der Sorber 4 Wärme auf, die vom Brenner 20 geliefert wird, und das Wasser wird aus dem Zeolithen ausgetrieben. Dies kondensiert am Kondensator 5 und sammelt sich im Sumpf 6. Noch vorhandene Wärme aus dem Abgas wird im Koppelwärmetauscher 33 herausgenommen, da ein Motor 48 der Pumpe 49 von der Steuerung in Betrieb gesetzt ist. Das Abgas-Luft-Gemisch gelangt über die Leitung 34 zum Klappenventil 35 und wird je nach Stellung dieser Klappe bei Luftzutritt über die Leitung 28 ganz oder teilweise über die Abluftleitung 37 in die Atmosphäre geführt oder bei Umschaltung des Klappenventils auf die Leitung 38 teilweise im Kreislauf geführt.
Wird im Laufe der Zeit mehr das Wasser aus dem Zeolithen des Sorbers 4 ausgetrieben, so kann dieser nicht mehr soviel Wärme aufnehmen, so daß die Temperaturdifferenz gemessen durch die Fühler 45 und 46 ansteigt. Steigt die Temperatur über eine gewisse Grenzdifferenztemperatur ΔT an, so ist es ein Zeichen dafür, daß die Desorption zu beenden ist. Bevorzugt liegt diese Temperaturdifferenz bei einem Wert von etwa 50 K. Dieser Wert wird am Sollwertgeber 42 eingestellt. Wird er überschritten, so schaltet die Steuerung 40 von der Desorptions- auf die Absorptionsphase um. Hierbei wird der Brenner stillgesetzt und das Klappenventil 35 so gestellt, daß die Leitung 37 gesperrt ist und die Leitung 34 mit der Leitung 38 verbunden ist. Die Leitung 28 ist auch abgesperrt, das Gebläse 30 bleibt in Betrieb, da der Motor 29 von der Steuerung 40 mit Strom versorgt wird. Somit wird ein Abgas-Luft-Gemisch durch die Ringleitung 34 im Kreislauf geführt. Dieses Abgas-Luft-Gemisch nimmt aus dem Sorber 4 Wärme auf, da zu Beginn der Verdampfungsphase der Magnet 12 des Ventils 13 angesteuert wird und das Ventil 13 geöffnet wird. Wasserdampf gelangt vom Verdampfer 14, der von der Umweltwärme aufgeheizt ist, durch den Ablaß 11 in den Innenraum des Behälters 3 und damit zum Sorber 4. Der zu Beginn der Adsorptionsphase relativ trockene Zeolith nimmt den Wasserdampf begierig auf und lagert Wasser an. Hierbei entsteht Wärme, die durch den Kreislauf in der Ringleitung aus dem Sorber 4 ausgekoppelt wird und im Entkoppelwärmetauscher 33 auf den Verbraucherkreislauf übertragen wird. Der Motor 48 der Pumpe 49 läuft permanent während der Adsorptions- und der Desorptionsphase. Auch hierbei ändert sich die Temperaturdifferenz über den Sorber 4, gefühlt von den Fühlern 45 und 46. Es hat sich herausgestellt, daß die Adsorptionsphase sich ihrem Ende zuneigt, wenn die Temperaturdifferenz gleich oder kleiner als 5 K wird. Auch dieser Sollwert ist im Sollwertgeber 42 eingespeichert und nach Überschreiten dieses Grenzwertes der Temperatur wird über die Steuerung 40 von der dann zu Ende gehenden Adsorptionsphase auf die nächste Desorptionsphase umgeschaltet.

Claims

Verfahren zum Umsteuern der Phasen einer Adsorptionswärmepumpe (1) von Adsorbieren auf Desorbieren und umgekehrt, wobei als Umschaltkriterium die Temperaturdifferenz ΔT über den Sorber (4) zwischen Eintritt und Austritt verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass von der Desorptions- auf die Adsorptionsphase bei einer Differenztemperatur von ≥ 50 K umgeschaltet wird.
Einrichtung zum Umsteuern der Phasen einer Adsorptionswärmepumpe (1) von Adsorbieren auf Desorbieren und umgekehrt unter Verwendung einer Steuereinrichtung (40), die mit einem Sollwertgeber (42) versehen ist, wobei am Einlaß (8) und am Auslaß (9) des Sorbers (4) des Wärmepumpenmoduls (2) je ein Temperaturfühler (45, 46) angeordnet sind, die mit der Steuerung (40) über Meßleitungen (43, 44) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (40) mit einem Magnetventil (21) und einem Gebläse (24) eines Brenners (20) sowie mit einem weiteren Gebläse (30) und einem Klappenventil (35) verbunden ist, die beide im Zuge einer dem Sorber (4) mit einem Entkoppelwärmetauscher (33) liegenden Ringleitung (34) angeordnet sind.