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Raumwärmepumpe Die vorliegende Erfindung betrifft die wesentliche
Verbesserung von Absorptionswärinepumpen und macht damit die reversible Raumheizung
mit Hilfe fossiler Brennstoffe praktikabel. Die erfindungsgemäß verbesserte Absorptions=
wärmepumpe wird deshalb im folgenden als "Raumwärmepumpe" bezeichnet.
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Die Raumwärmepumpe ermöglicht eine gegebene Raumwärmemenge mit etwa
der halben Brennstoffmenge als bisher verfügbar zu machen, indem sie Außenw;irme
von der Außenluft oder von Außengewässern auf Raumheizungsniveau von ca.
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70 --9o ° C anhebt.
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An der Raumwärmepumpe besteht im Hinblick auf die zunehmende Brennstoffverknappung
und die Umweltschäden, die excesmver Brennstoffverbrauch mit sich bringt, großes
Interesse. Die bisher bekannte reversible Raumheizung, die unter Verbrauch elektrischer
Energie nach dem Prinzip der Kompressionswärmepumpe arbeitet ( s. hierzu M. Egli,
Schweitzerische Bauzeitung, Bd. 116 (1940),S.59) konnte zur Lösung des Brennstoffproblemes
nicht beitragen.
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Eine neue Heizungstechnik muß den vorhandenen Wirtschaftsstrukturen,
wie diese z.B. durch die Erdgasversorgung der
Häuser in den USA
oder die Ölversorgung in Europa (Keizölraffinerien, Benzin als Koppelprodukt der
Heizölgewinnung, Heizölverteilung, Heizöllagerung etc.) gegeben sind, und deren
Bestand letztlich von der Art des Energie- Endverbrauches abhängt, ebenso Rechnung
tragen, wie der Anpassbarkeit an vorhandene Anschlußtechniken, d.h. an die Feuerungstechnik
(Eohlebunker, Ültanks, Ölpumpen, Brenner, Gasleitungen usw.) und die Raumheizungssysteme
( Warmluftverteilungskanäle, Warmwasser-Zentralheizungssysteme usw.).
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Die Raumwärmepumpe erfüllt das in vollem Umfang, was unter anderem
darin Ausdruck findet, daß sie sich auch in bestehende Heizungsanlapen integrieren
läßt, indem lediglich der bisherde Warmlufterhitzer oder Zentralheizungs-Wasserkessel
durch die Raumwärmerpumpe ersetzt wird.
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In Abbildung 1 ist das Fließschema einer herkömmlichen Absorptionswärmepumpe
vereinfacht wiedergegeben. Beschreibungen derartiger Wärmepumpen sind z.B. bei A.
Loschge, Wärmekraft- und Wärmearbeitsmaschinen, Leipzig, zu finden.
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Im Verdampfer der Absoptionswärmepumpen verdampft eine leichtsiedende
Flüssigkeit, das Zirkulat (wie Ammoniak Schwefeldioxyd, Propan, Dichlordifluormethan
etc.) und nimmt dazu von der Außenluft oder einem Außengewässer die zum Phasenwechsel
erforderliche Verdampfungswarme auf. Die anschließend im Absorber erfolgende Absorption
der Dämpfe in einem Lösungsmittel (wie Wasser, Dimethylformamid, n-Hexan, Toluol
etc.) führt zur Freisetzung von
Absorptionswärme höherer Temperatur,
die auf ein Heizungssystem übertragbar ist.
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Um das Zirkulat zum erneuten Einsatz verfügbar zu haben, wird es mit
der Lösung auf Druck gepumpt, durch Wärmezufuhr im Abtreiber abgetrieben und schließlich
bei so hoher Temperatur kondensiert, daß auch die Kondensationswarme auf das Heizungssystem
übertragen werden kann.
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Das Kondensat wird dann, mit Vorteil über eine Arbeitsmaschine, erneut
dem Verdampfer zugeführt.
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Damit der maximale Arbeitsdruck in der Anlage möglichst niedrig bleibt,
wird die Kondensationstemperatur des Zirkulate-s entsprechend niedrig gehaLten,
d.h. nicht höher als zur Raumbeheizung unbedingt nötig ist. Höherer Druck bedingt
nämlich nach der allgemeinen, dem Stand der Technik entsprechenden Erfahrung,höhere
Betriebsmittel- und Apparatekosten: der Wärmeaufwand zum Zirkulatabtrieb und der
Snergiebedarf der Lösungspumpe steigen an und die Wandstärken des Abtreibers und
Kondensators nehmen zu.
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Wie nun überraschend gefunden wurde, haben diese Erfahrungen bezüglich
der die Wirtschaftlichkeit bestimmenden Betriebsmittelverbräuche nur bei kleinen
bis mittleren Druckerhöhungen Gültigkeit.
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Nähert sich der Arbeitsdruck hingegen dem kritischen Druck des Zirkulates
oder überschreitet diesen, dann ist es,
wie erfindungsgemäß erkannt
wurde, möglich, den Abtrieb des Zirkulates nahe, bei, oder oberhalb von dessen kritischen
Bereich (Pg TK) vorzunehmen, aus welchem Zustand es harmonisch von der Dampf- in
die Flüssigphase übergeht, so daß der Wärmeinhalt des abgetriebenen Zirkulats zum
Anwärmen der Lösung, aus der es abgetrieben wird, verwendet werden kann.
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In Abbildun? 2 ist das Fließschema einer erfindungsgemäßen Raumwärmepumpe
beispielhaft und schematisch dargestellt. Es gleicht im wesentlichen dem in Abbildung
1 wiedergegebenen, mit dem Unterschied, daß die Wärme des im Abtreiber abgetriebenen
Zirkulats nicht an das Heizungssystem,sondern an einen Teilstrom der dem Abtreiber
zufließenden Lösung übergeht.
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Neben der dadurch möglichen Wärmerückgewinnung im 3ereich des Abtreibers
sind auch die Wärmeverluste des NH3- NH3 -Wärmeaustausches ( =Wärmeaustauscher ii
) geringer.
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Für den praktischen Erfolg einer neuen Technik ist ihre Wirtschaftlichkeit
entscheidend. Durch die Raumwärmepumpe wird einerseits die herkommliche Feuerungsanlage
mit Wasserkessel oder Lufterhitzer ersetzt und zum anderen Brennstoffbunkerkapazität
und Brennstoff eingespart. Diese Einsparungen, die den Mehrpreis der Raumwärmepumpe
kompensieren müssen, werden vor allem von ihrem thermischen Wirkungsgrad, d.h. dem
Verhältnis von
gepumpter Wärmemenge zu aufgewendeter Wärmemenge,bestimmt.
Dieser Wirkungsgrad war bei den bisher bekannten Absorptionswärmepumpen unzureichend,
weshalb diese Wärmepumpen nur in der Kältetechnik Anwendung fanden.
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Bei Raumwärmepumpen braucht die zum Abtreiben des Zirkulates erforderliche
Desorptionswärme hingegen nicht, wie bei den Absorptionswärmepumpen, durch Brennstoffwtirme
aufgebracht zu werden. Bei im wesentlich gleichen Konstruktionselementen ist der
thermische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Raumwärmepumpen deshalb etwa doppelt
so hoch wie der von Absorptionswärmepumpen.
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Der folgende rechnerische Vergleich macht das deutlich: Es bestehe
die Aufgabe, Außenwärme bei -2O ° C aufzanehmen und iooo kcal dieser gepumpten Wärme
gemeinsam mit der zum Pumpen erforderlichen Brennstoffwärme zwischen 75 und 900C
gleichmäßig auf ein Heizungssystem zu übertragen.
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Als Zirkulat diene Ammoniak und als Lösungsmittel Wasser.
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Für die Absorptionspumpe, bei der der obere Arbeitsdruck ( = Kondensationsdruck
von NH 3) möglichst niedrig gehalten wird, ergeben sich folgende Verhältnisse: 1.
Kondensation von NH 3bei 750C und 38.02 ata 1000 kcal:216/kg 4.63 kg NH3 2. Verdampfungsdruck
von NH 3bei -200C = 1.94 ata 3. Absorption des Nah bei 9o°C und 1.94 ate in 55,5
l 0 4. Abtreiben des NH 3 bei 38.o2 ate und 2450C
5. Wärmeaufwand
(Näherung) NH3 = Desorptionswärme # 892 kcal Spitzenwärme am Abtreiber, = 10°C,
235-2450CH20 # 633 kcal Anwärmen des NH3 im Abtreiber, = 1000 # 23 kcal Wärmeverluste
zw. NH3 Verdampfung und Ab-Sonstige Verluste (ca.20 C Wasserwärme) # 112 kcal #1770
kcal 1000 kcal 6. Wirkungsgrad # # # 0,565 bzw.#56.5% 1770 kcal Für die Rauswärmepumpe
, bei der der obere Arbeitsdruck über dem kritischen Druck des Zirkulats (NH3) gehalten
wird, gilt hingegen: 1. Verdampfungsdruck von NH3 bei -200 G = 1.94 ata 2. Absorption
von NH3 in H2O bei 85° C und 1.94 ata; 1000 kcal Verdampfung von 200 kcal/kg = 5
kg NH3;aufgenommen in 48ßl H20 3. Abtreiben des NH3 bei 119 ata und 3250 C 4. Wärmeaufwand
(Näherung) Spitzenwärme am Abtreiber, = 10°C,315-325°CH2O# 72O kcal Anwärmen des
NH3 im Abtreiber # 25 kcal Wärmeverluste zwischen NH3-Verdampfung u.
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Absorption # 75 kcal Sonstige Verluste (ca.2°C Wasserwärme) # 100
kcal #920 kcal 1000 kcal 5. Wirkungsgrad # # # 1.09 bzw.109% 920 kcal D.h. zu je
100 Wärmeeinheiten Brennstoffeinsatz pumpt die Raumwärmepumpe 1o9 weitere Wärmeeinheiten
auf Raumtemperaturniveau. Sie liefert also mittels einer
gegebenen
Brennstoffmenge mehr als doppelt so viel Raumwärme ab, als diese Brennstoffmenge
in einer normalen Heizanlage hergeben würde.
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Im Hinblick auf den hohen Arbeitsdruck des Lösungsmittels (######
der AbsorptionsflUssikeit) lohnt sich die teilweise RUckgewinnung der von der Druckpumpe
benötigten energie durch Einschalten einer Entspannungsturbine in den L.ntspannungsabschnitt
des Lösungsmittels, das heisst zum 'Beispiel in den Lösungsmittelzulauf des Absorbers.
Je nach pumpenwirkungsgrad und Turbinenwirkungsgrad, das heisst je nach Auswahl
der Arbeitsmaschinen (als welche bei kleinen Flüssigkeitsdurchsätzen auch Verdränger-
und Drehschieberp@mpen in betracht kommen) kann dadurch mehr (bis wesentlich mehr)
als 50 % der von der Druckpumpe benötigten Energie zurückgewonnen werden.
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Um den Energiehaushalt der Raumwärmepumpe noch weiter zu verbessern,
ist vorgesehen, daß die Brennstoffverbrennung in ihr auch mit Luft erfolgen kann,
die durch Wärmeaustausch mit. heißem Rauchgas vorgewärmt ist.
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Sofern der Verdampfer die Außenwärme der Außenluft entnimmt, dürfte
er äußerlich den Luftkühlern gleichen, d.h.
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im Regelfall ein kompakter seitlich verkleideter Apparat mit großer
innerer Wärmeaustauschfläche sein, der (im Gegensatz zu Luftkühlern) von oben nach
unten von Luft durchströmt wird und in Hintergärten, auf Höfen, Dächern oder dergleichen
zu
Bwhallieren wäre. Um ein Zufrieren der Verdampferoberflächen
zu vermeiden, ist vorgesehen, diese durch Besprühen mit eistauenden Mitteln (Alkohole,
Salzlösungen oder dergleichen) kontinuierlich oder diskontinuierlich zu benetzen.
Auch die mechanische Oberflächenreinigung, z.B. durch langsam bewegte Schaber, ist
denkbar.
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Die erfindungsgemäßen Raumwärmepumpen können in Umkehrung ihrer vorstehend
beschriebenen Nutzung auch für kältetechnische Aufgaben, z.B. zur Kühlung von Gebäuden
(air conditioning) eingesetzt werden, wahlweise zur einen oder anderen Aufgabe verwendbar
gestaltet sein,oder beide Funktionen zugleich erfüllen, z.B. im Rahmen von Betrieben
der Chemie oder Nahrungsmittelindustrie.