DE19902694A1 - Sorptionswärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Sorptionswärmepumpen aller Art können zur Beheizung von Gebäuden sowie zur Warm­ wasserbereitung eingesetzt werden. Sie zeichnen sich hierbei durch eine besonders gute Effizienz aus, da sie mit Hilfe eines thermodynamischen Kreisprozesses Umgebungswärme auf ein für Heiz- oder Warmwasserzwecke nutzbares Temperaturniveau anheben. Durch diesen Effekt können mit derartigen Wärmepumpen deutlich höhere primärenergetische Nutzungsgrade erreicht werden als mit konventioneller Heiztechnik.

Ziel der Erfindung ist es, eine Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art vorzu­ schlagen, die eine sehr weitgehende Anpassung an unterschiedliche Verhältnisse ermög­ licht.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich eine Aufteilung in drei Wärmeträger­ kreisläufe. Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist es auch möglich, z. B. bei zu niedri­ gen Außentemperaturen, sicherzustellen, daß der Wärmeträgernur noch zwischen dem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher zirku­ liert und die Reihenschaltung der Adsorber und der Desorber durch die Bypaßleitungen überbrückt wird. Während eines solchen Betriebszustandes findet kein Sorptionsprozeß mehr statt und die übrigen Wärmeträgerpumpen können abgeschaltet werden. Dabei wird durch die Aktivierung der Bypaßleitungen eine Verminderung der Druckverluste erreicht.

Bei einer solchen Sorptionswärmepumpe sind während des Wärmepumpenbetriebes die Absperrorgane in den Bypaßleitungen geschlossen. Dabei wird im Hochtemperatur-Wärme­ austauscher die Wärme mit Hilfe z. B. eines Gasbrenners in den entsprechenden Wärmeträ­ gerkreislauf W1 eingekoppelt.

Durch die Merkmale des Anspruches 2 ergibt sich der Vorteil eines sehr einfachen Auf­ baues. Außerdem ergibt sich dadurch ein sehr guter prozeßinterner Wärmeaustausch bei geringen Temperaturdifferenzen innerhalb eines Moduls, was sich positiv auf die Exergiever­ luste bei der Wärmeübertragung auswirkt. Überdies wird durch die vorgeschlagenen Maß­ nahmen auch ein breites Beladungsfeld während eines kompletten Sorptionszyklus genutzt, und es ergibt sich durch diese Maßnahmen auch eine deutliche Erhöhung der Wärmeziffer.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine erfin­ dungsgemäße Sorptionswärmepumpe zeigt.

Eine erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe ist aus Wärmepumpenmodulen M1, M2, M3, M4, M5 und M6 aufgebaut, die in insgesamt drei Wärmeträgerkreisläufen W1, W2, W3 zusammengeschaltet sind, wobei in der Zeichnung beispielhaft sechs solcher Module dar­ gestellt sind.

In jedem der Kreisläufe W1, W2, W3 ist jeweils eine Wärmeträgerpumpe P1, P2, P3 ange­ ordnet. Der Kreislauf W1 verbindet in serieller Schaltung alle Adsorber A1, A2, A3 und Desorber D1, D2, D3 aller beteiligter Wärmepumpenmodule M1-M6, einen Hochtemperatur- Wärmeaustauscher HWT und einen Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT sowie eine Pumpe P1. Der Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT ist zwischen dem heißesten Mo­ dul in der Hochdruckphase (Desorptionsphase, hier: M1) und dem heißesten Modul in der Niederdruckphase (Adsorptionsphase, hier: M6) des Arbeitszykluß angeordnet. Der Nieder­ temperatur-Wärmeaustauscher NWT ist zwischen dem kältesten Modul in der Hochdruck­ phase (hier: M3) und dem kältesten Modul in der Niederdruckphase (hier: M4) angeordnet. Die Pumpe P1 befindet sich in Strömungsrichtung des Wärmeträgers direkt vor (wie in der Zeichnung dargestellt) oder direkt hinter dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT.

Der Wärmeträger durchströmt alle Komponenten des Kreislaufs W1 in der Reihenfolge Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT, in der Hochdruckphase desorbierende Module, Pumpe P1 bzw. NWT, Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT bzw. P1, in der Nieder­ druckphase adsorbierende Module.

ln dem Wärmekreislauf W1 sind noch zwei Bypaßleitungen B1 und B2 angeordnet, von de­ nen die Desorber D1, D2, D3, bzw. die Adsorber A1, A2, A3 überbrückt werden können, wobei in jeder der Bypaßleitungen B1, B2 ein Absperrorgan V1, V2 angeordnet ist. Dabei liegen die Anschlüsse der Bypaßleitung B1 in Strömungsrichtung des Wärmeträgers nach dem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT und vor der Pumpe P1 bzw. dem NWT. Die Anschlüsse der Bypaßleitung B2 liegen in Strömungsrichtung des Wärmeträgers nach dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT bzw. der Pumpe P1 und vor dem Hochtempera­ tur-Wärmeaustauscher HWT.

Der Kreislauf W2 verbindet alle Kondensatoren K1, K2, K3 der desorbierenden Module M1, M2, M3, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT und die Pumpe P2. Die Strömungsrich­ tung des Wärmeträgers durch die Kondensatoren K1, K2, K3 erfolgt wahlweise, wie darge­ stellt, seriell vom kälteren zum wärmeren oder vom wärmeren zum kälteren Kondensator oder parallel durch alle Kondensatoren und anschließend durch den Kondensator-Wärme­ austauscher KWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P2 frei wählbar.

Der Kreislauf W3 verbindet alle Verdampfer V1, V2, V3 der adsorbierenden Module M4, M5, M6, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT und die Pumpe P3. Die Strömungsrichtung des Wärmeträgers durch die Verdampfer V1, V2, V3 erfolgt wahlweise, wie dargestellt, se­ riell vom wärmeren zum kälteren oder vom kälteren zum wärmeren Verdampfer V1, V2, V3, oder aber parallel durch alle Verdampfer V1, V2, V3 und anschließend durch den Verdamp­ fer-Wärmeaustauscher VWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P3 frei wählbar.

Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung der Wärmepumpenmodule M1-M6 werden für die beschriebenen drei Wärmeträgerkreis­ läufe W1, W2, W3 insgesamt zwei in der Zeichnung nicht dargestellte Umschalteinheiten eingesetzt. Eine Umschalteinheit ist in den Wärmeträgerkreislauf W1 integriert und realisiert die zyklische Weiterschaltung aller Ad- bzw. Desorber A1, A2, A3; D1, D2, D3. Die zweite Umschalteinheit verbindet die Wärmeträgerkreisläufe W2 und W3 miteinander und realisiert die zyklische Weiterschaltung der Kondensatoren K1, K2, K3 und Verdampfer V1, V2, V3.

Während des Wärmepumpenbetriebes sind die Absperrorgane V1 und V2 in den Bypaßlei­ tungen B1 und B2 geschlossen. Im Hochtemperatur-Wärmeaustauscher HWT wird Wärme z. B. mit Hilfe eines Gasbrenners in den Wärmeträgerkreislauf W1 eingekoppelt. Dabei durchströmt der heiße Wärmeträger 1 nacheinander alle Module M1-M3, die sich in der Hochdruckphase (Desorptionsphase) befinden, wobei er sich abkühlt. Durch die Wärmeab­ gabe an die Desorber D1, D2, D3 wird der dort angebrachte Adsorbens erhitzt. Das im Ad­ sorber befindliche Adsorbat wird verdampft, strömt zum Kondensator K1, K2, K3 und wird dort verflüssigt und gespeichert. Die dabei entstehende Kondensationswärme wird vom Wärmeträger 2 aufgenommen, über den Wärmeträgerkreislauf W2 an den Kondensator- Wärmeaustauscher KWT abgegeben und gelangt von dort als Nutzwärme zum Verbraucher.

Der Wärmeträger 1 strömt nach den desorbierenden Modulen M1, M2, M3 zum Niedertem­ peratur-Wärmeaustauscher NWT und wird dort abgekühlt, wobei diese Wärme ebenfalls als Nutzwärme zum Verbraucher gelangt. Danach durchströmt der Wärmeträger 1 nacheinan­ der alle Module in der Niederdruckphase (Adsorptionsphase), wobei er durch Aufnahme der Adsorptionswärme aufgeheizt wird. Die Aufheizung beruht darauf, daß das während der Desorptionsphase auf den Kondensatoren K1, K2, K3 gespeicherte flüssige Adsorbat nun durch Einkopplung von Umgebungswärme im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT wieder verdampft wird. Die in der Hochdruckphase als Kondensatoren K fungierenden Bauteile ar­ beiten somit in der Niederdruckphase als Verdampfer V. Das dampfförmige Adsorbat wird vom Adsorbens unter Abgabe der Adsorptionswärme wieder aufgenommen. Die Adsorpti­ onswärme wird an den Wärmeträger 1 übertragen. Nach dem Durchströmen aller Module M4-M6 in der Niederdruckphase strömt der Wärmeträger 1 zum Hochtemperatur-Wärme­ austauscher HWT, um dort bis auf seine Maximaltemperatur aufgeheizt zu werden.

Der Wärmeträgerkreislauf W3 dient zur Versorgung der Verdampfer V mit Umgebungs­ wärme. Der Wärmeträger 3 wird im Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT unter Aufnahme von Umgebungswärme aufgewärmt und beim Durchströmen der Verdampfer V unter Ab­ gabe der Verdampfungswärme an das flüssige Adsorbat wieder abgekühlt.

Bei zu niedrigen Außentemperaturen kann es je nach Auslegung der Anlage zu Betriebszu­ ständen kommen, die die wahlweise integrierbaren Bypaßleitungen B1, und B2 erfordern. Im Falle solcher Betriebszustände, werden die Absperrorgane V1 und V2 geöffnet, so daß der Wärmeträger 1 aufgrund geringerer Durckverluste nur noch zwischen dem Hochtemperatur- Wärmeaustauscher HWT und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT zirkuliert. Während dieses "Direktheizbetriebes" findet kein Sorptionsprozeß mehr statt, und die Pum­ pen P2 und P3 sind ausgeschaltet.

Durch die erfindungsgemäße Verschaltung der einzelnen Wärmepumpenmodule zu einer Adsorptionswärmepumpe mit drei Wärmeträgerkreisläufen W1, W2, W3 über Wärmeträger­ leitungen läßt sich der Sorptionsprozeß durch insgesamt zwei Umschalteinheiten steuern. Die Integration der Umschalteinheit ist schematisch in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt.

Dabei verbindet der Kreislauf W1 die darin integrierten Komponenten seriell in folgender Reihenfolge in Richtung der Strömung des Wärmeträgers 1 gesehen: Hochtemperatur- Wärmeaustauscher HWT, alle Desorber D, Wärmeträgerpumpe P1 bzw. NWT, Niedertem­ peratur-Wärmeaustauscher NWT bzw. P1, alle Adsorber A (P1 ist in Fig. 2 nicht dargestellt). Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung ist außerdem eine nicht näher beschriebene Umschalteinheit 1 in den Kreislauf W1 integriert. Zur Realisierung des "Direktheizbetriebes" können wahlweise zwei Bypaßleitungen B1 und B2 mit jeweils einem Absperrorgan V1 und V2 in den Kreislauf W1 integriert werden (in Fig. 2 nicht dargestellt).

Der Kreislauf W2 umfaßt alle Kondensatoren K, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT sowie die Wärmeträgerpumpe P2 (in Fig. 3 nicht dargestellt). Die Schaltung der Kondensato­ ren mit dem Kondensator-Wärmeaustauscher KWT ist wahlweise seriell, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, oder parallel. Die Anordnung der Pumpe P2 ist dabei frei wählbar.

Der Kreislauf W3 umfaßt alle Verdampfer V, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT so­ wie die Wärmeträgerpumpe P3 (in Fig. 3 nicht dargestellt), die vom Wärmeträger durch­ strömt werden. Die Verschaltung der Verdampfer V mit dem Verdampfer-Wärmeaustau­ scher VWT kann wahlweise seriell, wie in der Zeichnung dargestellt, oder auch parallel er­ folgen. Die Anordnung der Pumpe P3 ist dabei frei wählbar. Für die zur Durchführung des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung verbindet eine zweite Um­ schalteinheit die beiden Kreisläufe W2 und W3 miteinander, wie in der Fig. 3 dargestellt.

Die dargestellte Verschaltung erlaubt einen sehr guten prozeßinternen Wärmeaustausch bei geringen Temepraturdifferenzen innerhalb eines Moduls M, was sich positiv auf die Exergie­ verluste bei der Wärmeübertragung auswirkt. Außerdem wird mit dieser Verschaltung ein breites Beladungsfeld während eines kompletten Sorptionszyklus genutzt. Insgesamt führen diese Punkte zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmeziffer.

Claims (2)

1. Sorptionswärmepumpe mit mindestens einer Wärmeträger­ pumpe (P1, P2, P3), einem Adsorber (A1, A2, A3), einem Desorber (D1, D2, D3), einem Kondensator (K1, K2, K3), ei­ nem Verdampfer (V1, V2, V3), einem Kondensator-Wärmeaus­ tauscher (KWT), einem Verdampfer-Wärmeaustauscher (VWT), einem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher (HWT) und einem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher (NWT), dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionswärmepumpe drei Wärme­ trägerkreisläufe (W1, W2, W3) aufweist, von denen einer durch eine Serienschaltung einer Vielzahl von Kondensatoren (K1, K2, K3) gebildet ist, die mit dem Kondensator-Wärmeaustau­ scher (KWT) und einer Wärmeträgerpumpe (P2) verbunden sind, einer durch eine Reihenschaltung einer Vielzahl von Ad­ sorbern (A1, A2, A3) mit dem Hochtemperatur-Wärmeaustau­ scher (HWT), einer Reihenschaltung einer Vielzahl von Desor­ bern (D1, D2, D3) mit einer Wärmeträgerpumpe (P1) und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher (NWT) und der dritte durch eine Serienschaltung einer Vielzahl von Verdampfern (V1, V2, V3) gebildet ist, die mit dem Verdampfer-Wärmeaus­ tauscher (VWT) und einer Wärmeträgerpumpe (P3) in Verbin­ dung steht, wobei vorzugsweise je eine die Vielzahl von Adsorbern (A1, A2, A3) bzw. die Desorber (D1, D2, D3) überbrückende Bypaßleitung (B1, B2), in denen je ein Absperrorgan (V1, V2) angeordnet ist, und eine Umschalteinheit zur zyklischen Weiterschaltung der Ad- bzw. Desorber (A1, A2, A3, D1, D2, D3) und eine zweite Umschalteinheit zur zyklischen Weiterschaltung der Kondensatoren (K1, K2, K3) und der Verdampfer (V1, V2, V3) vorgesehen sind.

2. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein modularer Aufbau vorgesehen ist, wobei je ein Kondensator (K1, K2, K3) und ein Desorber (D1, D2, D3) und je ein Adsorber (A1, A2, A3) und ein Verdampfer (V1, V2, V3) ein Modul bilden und die Module (M1, M2, M3, M4, M5, M6) in Reihe geschaltet sind.