DE2402777A1 - Raumwaermepumpe - Google Patents

Raumwaermepumpe

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DE2402777A1
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Reinhard F Dr Hoehne
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00Heat pumps
    • F25B30/04Heat pumps of the sorption type

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 70 --9o ° C anhebt.
  • 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.
  • 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.).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Das Kondensat wird dann, mit Vorteil über eine Arbeitsmaschine, erneut dem Verdampfer zugeführt.
  • 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.
  • Wie nun überraschend gefunden wurde, haben diese Erfahrungen bezüglich der die Wirtschaftlichkeit bestimmenden Betriebsmittelverbräuche nur bei kleinen bis mittleren Druckerhöhungen Gültigkeit.
  • 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.
  • 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.
  • Neben der dadurch möglichen Wärmerückgewinnung im 3ereich des Abtreibers sind auch die Wärmeverluste des NH3- NH3 -Wärmeaustausches ( =Wärmeaustauscher ii ) geringer.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Als Zirkulat diene Ammoniak und als Lösungsmittel Wasser.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Sofern der Verdampfer die Außenwärme der Außenluft entnimmt, dürfte er äußerlich den Luftkühlern gleichen, d.h.
  • 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.
  • 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.

Claims (8)

  1. PATßNTANSPRUCHE
    Verfahren zur Beheizung von Räumen bzw. Gebäuden mit Hilfe von Absationswärmepumpen, in denen eine als Zirkulat bezeichnete, durch Verdampfung, Absorption, Desorption und Kondensation geführte Flüssigkeit dem Wärmetransport dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Des@@ptionsdruck des Zirkulates so hoch ist, daß es unter diesem Druck oberhalb von 750 C kondensiert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Desorption nahe, bei, oder oberhalb des kritischen Bereiches des Zirkulates vorgenommen wird.
  3. 3. Verfahren nach Annpruch 1 und 2, dadurch erekennzeichnet, daß der Wärmeinhalt des abgetriebenen Zirkulates weitgehend auf die Lösung, aus der es abzutreiben ist, übertragen wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung der Absorptionsflüssigkeit (###### des Lösungsmittels) in (bzw. an) einer Arbeitsmaschine (Entspannungsturbine) erfolgt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zirkulat Ammoniak und als Absorptionslösung Wasser oder eine wässrige Lösung verwendet werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffverbrennung in der Wärmepumpe (bzw. in der vihr angeschlossene(n) Brennkammer>» mit durch Rauchgase vorgewirmter Luft erfolgt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wärmeaufnahme aus der Außenluft bestimmten Verdampfer durch Besprühen mit eistauenden Mitteln (Alkohole, Salzlösungen und dergleichen) oder durch mechanische Vorrichtungen am Vereisen gehindert werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es in Umkehrung der Aufgabenstellung auch für kältetechnische Aufgaben angewandt wird.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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