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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Sorptionswärmepumpen
aller Art können
zur Beheizung von Gebäuden
sowie zur Warmwasserbereitung 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.
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Aus
der
DE 195 22 250
A1 ist eine Adsorptionswärmepumpe mit 2 identischen
Adsorbern/Desorbern und 2 identischen Verdampfern/Kondensatoren
bekannt. Während
des Betriebs läuft
ein Adsorbern/Desorbern als Adsorber und der ihm zugeordnete Verdampfern/Kondensatoren
als Verdampfer. Der andere Adsorbern/Desorbern läuft als Desorber und der ihm
zugeordnete Verdampfern/Kondensatoren als Kondensator. Nach Beendigung
einer Arbeitsphase wird die Strömungsrichtung der
Wärmepumpe
umgeschaltet, so dass der bisherige Adsorber zum Desorber wird und
umgekehrt.
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Unter
bestimmten Randbedingungen, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen
der Umweltwärmequelle,
kann die Wärmepumpe
nicht mehr sinnvoll betrieben werden. Aus dem Stand der Technik
ist nicht bekannt, wie eine Wärmepumpe
dann sinnvoll betrieben werden kann, um Wärme zur Verfügung stellen
zu können.
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Sorptionswärmepumpe der eingangs erwähnten Art
vorzuschlagen, die eine sehr weitgehende Anpassung an unterschiedliche
Verhältnisse
ermöglicht.
Insbesondere soll ein Direktheizbetrieb der Wärmepumpe bei bestimmten Randbedingungen
ermöglicht
werden.
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Erfindungsgemäß wird dies
bei einer Sorptionswärmepumpe
der eingangs erwähnten
Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
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Durch
die vorgeschlagenen Maßnahmen
ergibt sich eine Aufteilung in drei Wärmeträgerkreisläufe. Durch die vorgeschlagenen
Maßnahmen
ist es auch möglich,
z.B. bei zu niedrigen Außentemperaturen,
sicherzustellen, dass der Wärmeträger nur
noch zwischen dem Hochtemperatur-Wärmeaustauscher und dem Niedertemperatur-Wärmeaustauscher
zirkuliert 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.
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Bei
einer solchen Sorptionswärmepumpe sind
während
des Wärmepumpenbetriebes
die Absperrorgane in den Bypaßleitungen
geschlossen. Dabei wird im Hochtemperatur-Wärmeaustauscher die Wärme mit
Hilfe z.B. eines Gasbrenners in den entsprechenden Wärmeträgerkreislauf
W1 eingekoppelt.
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Durch
die Merkmale des Anspruches 3 ergibt sich der Vorteil eines sehr
einfachen Aufbaues. Außerdem
ergibt sich dadurch ein sehr guter prozeßinterner Wärmeaustausch bei geringen Temperaturdifferenzen
innerhalb eines Moduls, was sich positiv auf die Exergieverluste
bei der Wärmeübertragung
auswirkt. Überdies
wird durch die vorgeschlagenen Maßnahmen auch ein breites Beladungsfeld
während
eines kompletten Sorptionszyklus genutzt, und es ergibt sich durch
diese Maßnahmen
auch eine deutliche Erhöhung
der Wärmeziffer.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine
erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe
zeigt.
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Hierbei
zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Wärmepumpe,
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2 die
Adsorber und Desorber in Kombination mit einer Umschalteinrichtung
und zwei Wärmetauschern
in einem Schaltzustand sowie
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3 dieselben
Adsorber und Desorber in Kombination mit der Umschalteinrichtung
und den zwei Wärmetauschern
in einem anderen Schaltzustand.
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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 1 beispielhaft
sechs solcher Module dargestellt sind.
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In
jedem der Kreisläufe
W1, W2, W3 ist jeweils eine Wärmeträgerpumpe
P1, P2, P3 angeordnet. 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 Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT
ist zwischen dem kältesten
Modul in der Hochdruckphase (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.
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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 Niederdruckphase adsorbierende Module.
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In
dem Wärmekreislauf
W1 sind noch zwei Bypaßleitungen
B1 und B2 angeordnet, von denen 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 Hochtemperatur-Wärmeaustauscher
HWT.
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Der
Kreislauf W2 verbindet alle Kondensatoren K1, K2, K3 der desorbierenden
Module M1, M2, M3, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT und die
Pumpe P2. Die Strömungsrichtung
des Wärmeträgers durch
die Kondensatoren K1, K2, K3 erfolgt wahlweise, wie dargestellt,
seriell vom kälteren
zum wärmeren
oder vom wärmeren
zum kälteren
Kondensator oder parallel durch alle Kondensatoren und anschließend durch
den Kondensator-Wärmeaustauscher
KWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P2 frei wählbar.
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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, seriell
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 Verdampfer-Wärmeaustauscher
VWT. Dabei ist die Anordnung der Pumpe P3 frei wählbar.
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Für die zur
Durchführung
des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung der Wärmepumpenmodule
M1–M6
werden für
die beschriebenen drei Wärmeträgerkreisläufe 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.
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Während des
Wärmepumpenbetriebes
sind die Absperrorgane V1 und V2 in den Bypaßleitungen 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 Wärmeabgabe
an die Desorber D1, D2, D3 wird der dort angebrachte Adsorbens erhitzt.
Das im Adsorber 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.
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Der
Wärmeträger 1 strömt nach
den desorbierenden Modulen M1, M2, M3 zum Niedertemperatur-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 arbeiten somit in der Niederdruckphase als
Verdampfer V. Das dampfförmige
Adsorbat wird vom Adsorbens unter Abgabe der Adsorptionswärme wieder
aufgenommen. Die Adsorptionswärme
wird an den Wärmeträger 1 übertragen. Nach
dem Durchströmen
aller Module M4–M6
in der Niederdruckphase strömt
der Wärmeträger 1 zum Hochtemperatur-Wärmeaustauscher
HWT, um dort bis auf seine Maximaltemperatur aufgeheizt zu werden.
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Der
Wärmeträgerkreislauf
W3 dient zur Versorgung der Verdampfer V mit Umgebungswärme. Der
Wärmeträger 3 wird
im Verdampfer-Wärmeaustauscher
VWT unter Aufnahme von Umgebungswärme aufgewärmt und beim Durchströmen der
Verdampfer V unter Abgabe der Verdampfungswärme an das flüssige Adsorbat
wieder abgekühlt.
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Bei
zu niedrigen Außentemperaturen
kann es je nach Auslegung der Anlage zu Betriebszuständen 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 Pumpen P2 und P3 sind ausgeschaltet.
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Durch
die erfindungsgemäße Verschaltung der
einzelnen Wärmepumpenmodule
zu einer Adsorptionswärmepumpe
mit drei Wärmeträgerkreisläufen W1,
W2, W3 über
Wärmeträgerleitungen
läßt sich
der Sorptionsprozeß durch
insgesamt zwei Umschalteinheiten steuern. Die Integration der Umschalteinheit
ist schematisch in 2 und 3 dargestellt.
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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, Niedertemperatur-Wärmeaustauscher NWT
bzw. P1, alle Adsorber A (P1 ist in 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 2 nicht dargestellt).
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Der
Kreislauf W2 umfaßt
alle Kondensatoren K, den Kondensator-Wärmeaustauscher KWT sowie die
Wärmeträgerpumpe
P2 (in 3 nicht dargestellt). Die Schaltung der Kondensatoren
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.
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Der
Kreislauf W3 umfaßt
alle Verdampfer V, den Verdampfer-Wärmeaustauscher VWT sowie die Wärmeträgerpumpe
P3 (in 3 nicht dargestellt), die vom Wärmeträger durchströmt werden.
Die Verschaltung der Verdampfer V mit dem Verdampfer-Wärmeaustauscher
VWT kann wahlweise seriell, wie in der Zeichnung dargestellt, oder
auch parallel erfolgen. Die Anordnung der Pumpe P3 ist dabei frei wählbar. Für die zur
Durchführung
des Sorptionsprozesses erforderliche zyklische Weiterschaltung verbindet
eine zweite Umschalteinheit die beiden Kreisläufe W2 und W3 miteinander,
wie in der 3 dargestellt.
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Die
dargestellte Verschaltung erlaubt einen sehr guten prozeßinternen
Wärmeaustausch
bei geringen Temepraturdifferenzen innerhalb eines Moduls M, was
sich positiv auf die Exergieverluste 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.