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iborptionswärmepumpe
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ahorptionswärmepumpe
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Eine solche Wärmepumpe ist bekannt z. B. aus der DT OS 2402777. Wenn
der Verdampfer einer solchen Wärmepumpe von Außenluft mit einem Temperaturniveau
in der Nähe des Gefrierpunktes beaufschlagt wird - was bei winterlichem Heizbetrieb
in der Regel der Fall sein dürfte - so kann es im Bereich des Verdampfers zu Vereisungen
kommen. Eine gewisse
Vereisung am Verdampfer ist wünschenswert,
da man hier im Kreislauf der Wärmepumpe die Schmelzwärme des Wassers ausnutzen kann.
Obersteigt die Vereisung jedoch einen gewissen Wert, so leidet zu stark der Wärmedurchgang
im Verdampfer.
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Es ist bekannt, einen Verdampfer dadurch zu enteisen, daß man den
Kondensator der Wärmepumpe funktionslos schaltet und eine Kondensation im Verdampfer
stattfinden läßt. Das bedeutet, daß während des Abtauvorgangs des Verdampfers die
Wärmepumpe Energie an den Verbraucher zu liefern nicht imstande ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Sorptionswärmepumpe
unter Aufrechterhaltung der Energielieferung an den Verbraucher die Vereisung im
Verdampfer auf unkritische Werte herabzudrücken.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs
aufgenommenen Merkmale.
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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Die Erfindung ist anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert,
die ein Ausführungsbeispiel zeigt. Die Sorptionswärmepumpe weist einen Austreiber
1, der von einem Gasbrenner 2 beheizt ist und dem Verbrennungsluft über ein Zuluftrohr
3 zugeführt ist und an den ein Abgasschacht 4 angeschlossen ist, der mit einer Abgasklappe
5 sowie einem Abgasgebläse 6 versehen ist, auf.
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Im Austreiber 1 wird ein Gemisch von Wasser und Ammoniak erhitzt,
das den Austreiber über den Anschlußstutzen 7 als arme, heiße Lösung verläßt. Die
arme, heiße Lösung ist zu einem Wärmetauscher 8 eines Temperaturwechslers 9 geführt,
dessen zweiter Teil aus einem Wärmetauscher 10 besteht. Der Anschlußstutzen 7 des
Austreibers ist unmittelbar mit dem Wärmetauscher 8 verbunden.
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Ebenso ist der Wärmetauscher 10 über eine Anschlußleitung 11 am
Austreiber 1 lediglichgvon derv Zwischenschaltung eines Abgas-Wärmetauschers 12
verbunden. Im ersten Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers 9 wird die hier auf
dem höchsten Temperaturniveau befindliche arme Lösung heruntergekühlt und gelangt
über eine Leitung 13 zu einem Expansionsventil 14, von diesem über einen Zwischenwärmetauscher
15 in einen Absorber 16. Dem Absorber nachgeschaltet ist ein Sammler 17, von dem
die nunmehr reiche, kühle Lösung über den bereits erwähnten Zwischenwärmetauscher
15 zu einer Lösungsmittelpumpe 18 geführt ist. Die Pumpe 18 fördert die bereits
vorgewärmte reiche Lösung in den zweiten Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers
9, von wo
über den Abgas-Wärmetauscher 12 als erwärmte reiche Lösung dem Austreiber 1 wieder
zugeführt ist.
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Eventuell entstehendes Kondensat im zweiten Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers
9 wird über eine Leitung 19 unter Umgehung des Abgas-Wärmetauschers 12 direkt dem
Austreiber 1 zugeführt.
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Der im Austreiber entstehende Kältemitteldanlpf verläßt diesen über
einen AnschluG 20, in dessen Zug ein Abgasuberhitzer-"rmetauscher 21 liegt.
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Das hocherhitzte Gas gelangt in den Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers
9, den es über eine Leitung 22 -in Richtung a.uf einen Kondensator 23 verläßt. Vom
Kondensator 23 fuhrt eine Leitung 24 zu einem Nachkühler 25, von dem es über eine
Leitung 26 zu einem Expansionsventil 27 gelangt. Dem Expansionsventil nachgeschaltet
ist über eine Leitung 28 ein Verdampfer 29. Vom Verdampfer 29 führt eine Leitung
30 zum Nachkühler 25 zurück, der über eine Leitung 31 mit dem Absorber 16 verbunden
ist.
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Der Verdampfer 29 liegt im Zuge einer Luftleitung 32, die mit einer
Luftleitung 33 verbunden ist. Der Luftleitung 33 kann Frischluft über einen Einlaß
34 in Richtung des Pfeils zugeführt werden. Die 'uftleitung 33 weist eine Abströmöffnung
35 zum Absaugen von Luft aus einem zu kühlenden Raum 474; auf, die von einer AbsnerrklaDpe
36 sZerschließDar ist. Die Luftleitung 33 ist über eine weitere Absperrklappe 41
mit dem Abgasschacht 4 verbindbar. Vom Abgasschacht 4 führt zwischen Abgasgebläse
6 und der Abgasklappe 5 eine Luftleitung 37 zur Luftleitung 32. Beide sind zusammen
über eine weitere Umstellklappe 38, der ein Ventilator 39 nachgeschaltet ist, in
den zu be-Uftenden Raum bzw. über eine Ablaßöffnuncj 73 in die At!losnllCre geführt.
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In der Luftleitung 37 ist eine weitere Umstellklappe 42 angeordnet.
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Die Abgasklappe 5 sowie die Umstellklappen 36, 38, 41 und 42 sind
so geschaltet, daß sie jeweils nur ihre Endstellungen einnehmen können.
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Im einen Fall (Heizung) liegen die Klappen so, wie itre durchgezogenen
Stellungen andeuten, im anderen Fall (IXünlung) nehmen sie alle die gestrichelte
Stellung ein.
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Das Expansionsventil 27 ist von einer Bypaß-Leitung 43 überbrückt,
in deren Zug ein Bypaß-Ventil 44 liegt, das von einem Hubmagneten 45 angetrieben
ist. Der Hubmagnet 45 wird über eine elektrische Leitung 46 von einem Geber 47 betätigt.
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Der Absorber 16 sowie der Kondensator 23 sind beide als Wärmetauscher
ausgebildet. Ein Verbraucherkreislauf weist eine Vielzahl von Radiatoren 48 auf,
die an eine Vorlaufleitung 49 und an eine Rücklaufleitung 50 angeschlossen sind.
Die Rücklaufleitung 50 führt über
eine Umwälzpumpe 51svon einem Hubmagneten 52 betätigbaren Absnerrventii 53, dem
der Wärmetauscher des Kondensators 23 nachgeschaltet ist. Das ,5bsperrventil 53
und er Kondensator 23 sind über eine Bypaßleitunq mit einem Rückschlagventil 54
überbrückt. Der Kondensator 23 ist mit seinem Heizungsteil über eine Leitung 55
mit den heizungsseitioen Teil des Wär tauschers des Absorbers 16 verbunden, der
Uärmetaus c:ie r des Absorbers 1 ist über eine Leitung 56 mit dem Wärmetauscher
8 des Temperaturwechsier verbunden. Vom Heizungsteil des Wärmetauschers 8 des Temperaturwechslers
9 geht die Heizungsvorlaufleitung 49 aus, in deren Zug zwei Umsteuerventile 57 un-d
58 liegen. Das Umsteuerventil 57 ist als Vorrang-Umschaltventil ausgebildet und
wird von einem Temperaturfühler 59 über eine elektrische Leitung 60 und einen Stellantrieb
61 beaufschlagt. Der Temperaturfühler 59 fühlt einen Innenraum 62 eines Brauchwasserbereiters
63 ab, den eine Rohrschlange 64 ~durchsetzt, die von einem Auslaß 65 des Umsteuerventils
gespeist wird und über
eine Rücklaufleitung 66 mit der Heizungsrücklaufleitung
50 verbunden ist. Der Innenraum 62 des Brauchwasserbereiters 63 ist mit einer vom
Wassernetz kommenden Anschlußleitung 67 mit kalten Frischwasser gespeist, dieses
kann als erwärmtes Brauchwasser über eine Zapfl ei tung 68 einem Verbraucher zugeführt
werden.
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Das zweite Umsteuerventil 58 kann mittels einer Handhabe 69 auf Sommer-
bzw. Winterbetrieb umgestellt werden. Im Winterbetrieb verbindet es die Radiatoren
48 mit dem Wärmetauscher 3 des Temperaturwechslers 9,bei Sommerbetrieb hingegen
ist die Leitung 49 mit einer Um.oehungsleitung 70 verbunden, die zu einem Kühlturm
71 führt. Vom Kühlturm führt eine Leitung 72 zur Rücklaufleitung 66.
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Die eben beschriebenen Elemente der Sorptionswärmepumpe funktionieren
wie folgt: Im Austreiber 1 wird das im Lösungsmittel (Wasser) enthaltene Kältemittel
(Ammoniak) erhitzt, das Ammoniakgas wird als Dampf aus der Lösung ausgetrieben.
Die hocherhitzte, arme Lösung verläßt über den Anschlußstutzen 7 den Austreiben
1 und wird über diesen zum Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers 9 geführt.
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In diesem Wärmetauscher besitzt die Lösung ihr höchstes Temperaturniveau.
Sie wird in diesem Wärmetauscher abgekühlt, indem sie die Wärme mit dem höchsten
Temperaturniveau an den Verbraucherkreislauf, d. h. an das in der Heizungsvorlaufleitung
49 befindliche Medium, abgibt. Den Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers verläßt
die Lösung in abgekühltem Zustand, um über die Leitung 13 dem Expansionsventil 14
zugeführt und. entspannt zu werden. Nach Passieren des Zwischenwärmetauschers 15
wird die arme Lösung dem Absorber 16
zugeführt und besitzt hierbei
ein Temperaturniveau, das zum optimalen Aufnehmen des gleichfalls in den Absorber
eingespeisten Kältemitteldampfes geeignet ist. Die beim Absorbieren im Absorber
entstehende Wärme wird gleichfalls dem Heizungskreislauf zugeführt, da der Absorber
die zweite Stufe in der ErhitzungJdes Heizungswassers darstellt. Die den Absorber
verlassende kühle, reiche Lösung wird über den Sammler 17 dem Zwischenwärmetauscher
15 zugeführt und nimmt die dort der armen Lösung vor Erreichen des Absorbers entzogene
Wärme auf. Von dem Zwischenwärmetauscher wird die reiche, nun im Temperaturniveau
angehobene Lösung von der Pumpe 18 abgezogen und dem zweiten Wärmetauscher 10 des
Temperaturwechslers zugeführt. Hier erreicht die reiche Lösung ein weiter erhöhtes
Temperaturniveau, da der Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers 9 auf seiner anderen
Seite durch den erhitzten Dampf aus dem Austreiber 1 über dessen Anschluß 20 gespeist
ist. Der Dampf ist vorher noch über einen Abgasüberhitzer-Uärmetauscher 21 überhitzt
worden. Um die Abwärme im Abgas möglichst restlos auszunutzen, ist die reiche Lösung
nach Verlassen des Wärmetauschers 10 noch über einen Abgas-Wärmetauscher 12 geführt,
ehe sie weitestgehend erhitzt als reiche Lösung mit möglichst hohem Temperaturniveau
den Austreiber wieder erreicht, um erneut gekocht zu werden.
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Der im Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers 9 etwas abgekühlte
Dampf des Kältemittels kondensiert im Kondensator 23, dem er über die Leitung 22
zugeführt ist. Das Kondensat wird über die Leitung 24 dem Nachkühler 25 zugeführt,
so daß sich sein Temperaturniveau weiter ermäßigt. Durch das Expansionsventil 27,
das über die Leitung 26 mit dem nachgekühlten Kondensat gespeist wird, verdampft
das Kältemittel in den
Verdampfer 29, von dem es über die Leitung
30 über den Nachkühler 25 an den Absorber 16 geführt ist. Die Wärme, die im Nachkühler
25 dem Kältemittel vor Passieren des Expansionsventils 27 abgeführt ist, wird ihm
im dampfförmigen Zustand anschließend wieder zugeführt, um so ein optimales Temperaturniveau
für die Absorption ini Absorber 16 zu erhalten.
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Das Wasser der Heizungsanlage wird also von der Heizungsrücklaufleitung
50 dreistufig aufgeheizt. Eine erste Temperaturanhebung findet im Wärmetauscher
des Kondensators statt, eine zweite im Wärmetauscher des Absorbers 16 und schließlich
eine dritte im Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers 9. Durch diese Serienschaltung
von drei Wärmetauschern zur stufenweisen Aufheizung des Mediums im Heizungskreislauf
können hohe Vorlauftemperaturen in der Vorlaufleitung 49 erzielt werden. Mit dem
Fluid dieser Vorlauftemperatur wird je nach Stellung des Umsteuerventils 57 entweder
die Heizungsanlage, bestehend aus den Radiatoren 48, oder der Brauchwasserbereiter
63, falls dessen Temperaturfühler 59 Wärme anfordert, gespeist.
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Falls im Sommerbetrieb der Sorptionswärmepumpe die Radiatoren 48 keine
Wärme abnehmen können, wird die Wärme entweder auf den Brauchwasserbereiter 63 geschaltet
oder im Kühlturm 71, je nach Stellung des Umsteuerventils 57 , an die Umgebungsluft
abgegeben.
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Im Heizbetrieb wird das Abgas hinter dem Austreiber 1 nach Ausnutzung
durch die Wärmetauscher 12 bzw. 21 in der Stellung aller Luftklappen gemäß der ausgezogenen
Stellung zusammen mit Frischluft über die Leitung 33 dem Verdampfer 29 zugeführt
und abgekühlt. Anschließend wird das Abgas-Luftgemisch nach Passieren der Klappe
42, da die Klappe 38 geschlossen ist, vom Abgasgebläse 6 ins Freie gesaugt.
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Falls im Sommerbetrieb eine Kühlung des Raumes 74 angestrebt ist,
nehmen die Klappen die gestrichelt gezeichnete Stellung ein. Das Abgas des Austreibers
1 wird somit direkt vom Abgasgebläse 6 ins Freie gesaugt. Dem zu kühlenden Raum
74 wird Luft über den Stutzen 35 bei geöffneter Klappe 36 entnommen. Im Hinblick
auf die geschlossene Klappe 41 kann Abgas nicht angesaugt werden. Die Umluft wird,
ggf.
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zusammen mit Frischluft durch Kanal 34, dem Verdampfer 29 zugeführt
und gibt dort ihre Wärme ab. Die den Verdampfer gekühlt verlassende Luft wird über
die geöffnete Klappe 38 durch das Gebläse 39 dem zu kühlenden Raum 74 über dessen
Einlaßöffnungen 40 zugeführt, der über schüssige Luftanteil geht über die Ablaßöffnung
73 an die Atmosphäre.
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Es ist auch möglich, die Lüftung im Umluftbetrieb arbeiten zu lassen,
wenn die Lufteinlaßöffnung 34 geschlossen ist. Es ist aber auch möglich, ausschließlich
Frischluft dem Raum zuzuführen.
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Es ist weiter möglich, bei abgestellter Wärmepumpe durch Laufenlassen
des Ventilators 39 den Raum 74 über die Frischluftansaugöffnung 34 und die Umluftansaugöffnung
35 zu entlüften bzw. über die Einlaßöffnungen 40 zu belüften.
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Obersteigt die Vereisung im Verdampfer 29 eine gewisse Schwelle, die
temperatur-, druck- oder zeitabhängig erfaßbar ist, so wird über ein entsprechendes
Meßglied der Geber 47 angesteuert. Der Geber 47 veranlaßt das Bypaß-Ventil 44 zum
Uffnen und das Absperrventil 53 zum Schließen. Während der Uffnungsgrad des Bypaß-Ventils
44 kontinuierlich einstellbar ist, besitzt das Absperrventil 53 nur einen Uffnungs-
oder Schließzustand. Durch das Absperren des Absperrventils 53 wird der Kondensator
23 funktionslos geschaltet. Eine Aufheizung des Verbrauchers 48 bzw. 62 findet nur
noch in zweistufiger Form über den Absorber 16 und über den Wärmetauscher 8 des
Temperaturwechslers 9 statt, da bei Absperren des in Serie mit dem Kondensator-Wärmetauscher
23 liegenden Absperrventils 53 der Kondensator-Wärmetauscher vom Verbraucher getrennt,
der Umlauf des Verbraucherfluids aber über das Rückschlagventil 54, parallel zum
Kondensator-Wärmetauscher, aufrechterhalten bleibt. Der Arbeitsmitteldampf wird
im Kondensator 23 nicht niedergeschlagen, lediglich im Nachkühler 25 auf ein tieferes
Temperaturniveau gebracht. Der Arbeitsmitteldampf durchströmt die Leitung 26 teils
in flüssiger, teil in dampfförmiger Form. Da das Expansionsventil 27 allein nicht
ausreicht, eine ausreichende Dampfmenge in der Zeiteinheit durchzulassen, bietet
das mehr oder weniger geöffnete Bypaß-Ventil 44 Gewähr dafür, daß genug Arbeitsmittel
in flüssiger oder dampfförmiger Phase in den Verdampfer 29 gelangt.
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Die dem Arbeitsmittel noch innewohnende Wärme ist ausreichend, die
Wärmetauscherflächen des Verdampfers 29 ausreichend zu enteisen. Anschließend wird
das nun vollständig verdampfte Arbeitsmittel im Nachkühler in seinem Temperaturniveau
erhöht und anschließend dem Absorber 16 über die Leitung 31 zugeführt.
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Da sich bei einem bestimmten Temperaturniveau der Außenluft, die über
den Anschluß 34 und die Leitung 33 dem Verdampfer 29 zugeführt wird, und einer bestimmten
Leistung der Sorptionswärmepumpe eine bestimmte Vereisungsgeschwindigkeit einstellt,
kann man das Umschalten der Ventile 44 bzw. 53 über ein-Zeitglied bewerkstelligen,
wobei die am Zeitglied eingestellte Arbeitsweise der Wärmepumpe mit und ohne Kondensator
von der Außentemperatur und/oder Feuchtigkeit der einströmenden Luft gesteuert werden
kann. Es ist aber auch möglich, die Intervalldauer des Abschaltens des Kondensators
über das Absperrventil 53, mithin also die Abtauzeitspanne am Verdampfer, temperaturabhängig
zu steuern, indem entweder die Verdampfertemperatur oder der Druck im Verdampfer
erfaßt wird und als Meßsignal dem Geber 47 zugeleitet wird.
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Es ist möglich, bei Winterbetrieb den Raum 40 mittels vorgewärmter
Frischluft oder Frisch-/Umluft zu beaufschlagen, indem die Wärmepumpe für diese
Zeit auf Verdampferabtaubetrieb eingestellt und der Ventilator 39 ausgeschaltet
wird.
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