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Sorpt ionswärmepumpe
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe
gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs, entsprechend dem Patent (Patentanmeldung
P 2 736 436.9).
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Das Hauptpatent befaßt sich im wesentlichen mit der Problemstellung,
eine Sorptionswärmepumpe so auszugestalten, daß dem Verbraucher Vorlaufwasser einer
möglichst hohen Temperatur geliefert werden kann. Dies wird im wesentlichen dadurch
erreicht, daß das Verbraucherwasser stufenweise in wenigstens zwei Wärmetauschern
hocheeheizt wird, wobei der letzte Wärmetauscher im Zuge der Verbraucherleitung
ein Temperaturwechsler ist, der seinerseits
unmittelbar dem Austreiber
nachgeschaltet ist.
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Bei einer solchen Wärmepumpe kann es vorkommen, daß z. B. infolge
von Reparaturarbeiten im Bereich des Expansionsventils oder des Verdampfers oder
bei zu niedriger Temperatur der den Verdampfer speisenden Energiequelle ein Wärmepumpenbetrieb
unmöglich oder unwirtschaftlich wird, eine Wärmelieferung an den Verbraucher aber
aufrechterhalten werden soll, ohne daß eine andere Wärmequelle als die zur Wärmepumpe
gehörenden Aggregate vorhanden sein muß.
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Die Lösung dieser Aufgabe liegt in eigenständig, gegenüber dem Hauptpatent
erfinderischer Weise, in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Der mit der Erfindung erreichbare technische Fortschritt liegt im
wesentlichen darin, daß abhängig von Zustandsgrößen im Zuge der Wärmequelle ermittelt
wird, ob ein Wärmepumpenbetrieb oder ein Kesselbetrieb des Austreibers ökonomisch
sinnvoller ist bzw. ob der Verbraucher - wegen Ausfalls oder Reparaturarbeiten am
Verdampfer -nur über reinen Kesselbetrieb mit Wärme versorgt werden kann.
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Gegenüber dem Hauptpatent stellt sich weiterhin die Aufgabe, die Wärmelieferung
an den Verbraucher ohne Einsatz zusätzlicher Aggregate möglichst optimal zu gestalten.
Zur Lösung dieser Aufgabe
werden die Merkmale des zweiten und sechsten
Patentanspruchs vorgeschlagen. Der hieraus erzielbare technische Fortschritt ist
im wesentlichen darin zu sehen, daß hier die Lösungswärme, die bei Zusammenführen
von Lösungen unterschiedlichen Konzentrationsgrades zwischen Lösungsmittel und Kältemittel
frei wird, im Temperaturwechsler und im Absorber freigesetzt wird, die beide eine
Serienschaltung für das aufzuheizende Verbrauchermedium bilden. Damit wird die Lösungswärme
gerade dort freigesetzt, wo sie dem Verbraucher am besten zugeführt werden kann.
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Weitere Ausgestaltungen und erfindungsgemäße Weiterbildungen sind
aus den restlichen Unteransprüchen, ein Ausführungsbeispiel der Erfindung aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren eins und zwei der Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen Figur eins eine Prinzipdarstellung der Kreisläufe einer
Absorptionswärmepumpe und Figur zwei eine Prinzipdarstellung der Kreisläufe einer
Resorptionswärmepumpe.
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Gleiche Bezugszeichen bedeuten gleiche Einzelheiten.
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Eine Absorptionswärmepumpe 1 gemäß Figur eins weist einen von einem
Brenner 2 mit Wärme versorgten Austreiber 3 auf, von dem eine Leitung 4 für hocherhitzte
arme Lösung und eine Leitung 5 für hocherhitzten Kältemitteldampf abgehen. Als Lösungsmittel
kommt im Ausführungsbeispiel Wasser, als Kältemittel Ammoniak in Frage. Die Leitung
4 führt über eine Leitung 6 zu einem ersten Wärmetauscher 7 eines Temperaturwechslers
8, den die arme Lösung auf niedrigerem Temperaturniveau im Zuge einer Leitung 9
verläßt, in der ein Regelventil 10 vorgesehen ist.
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Die Leitung 5 ist mit einem zweiten Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers
8 verbunden, von dem der Kältemitteldampf auf niedrigerem Temperaturniveau im Zuge
einer Leitung 12 zu einem Kondensator 13 geführt ist. Aus dem hocherhitzten Kältemitteldampf
auskondensierendes Wasser im Bereich des Wärmetauschers 11 des Temperaturwechslers
8 wird über eine Abflußleitung 14 abgeführt, die mit den Leitungen 4 und 6 in Verbindung
steht und Wasser mit sehr niedriger Konzentration an Kältemittel führt.
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Aus dem Kondensator wird das Kältemittel in nunmehr flüssiger Form
über eine Leitung 15 abgezogen, deren Anschluß im Innern des Kondensators auf einem
bestimmten Niveau h vorgesehen ist. Im Zuge der Leitung 15 ist ein von einer Magnetspule
16 betätigbares Magnetventil vorgesehen, das über eine Stelleitung 18 von einem
Stellgerät 19
beaufschlagt werden kann. Hinter dem Magnetventil
17 führt die Leitung 15 zu einem Wärmetauscher 20, den das Kältemittel über eine
Leitung 21, in der ein Expansionsventil 22 vorgesehen ist, verläßt.
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Die Leitung 21 ist an einen Verdampfer 23 angeschlossen, der von einem
Luftkanal 24 durchsetzt ist, in dem ein von einem Motor 25 angetriebener Ventilator
26 sowie ein Temperaturfühler 27 vorgesehen sind, der über eine Meßleitung 28 mit
dem Stellgerät 19 verbunden ist.
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Durch den Kanal 24 kann im Bedarfsfalle auch Abgas statt Luft geführt
werden, beispielsweise von einer Brennkraftmaschine oder einer sonstigen Wärmequelle.
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Kältemitteldampf verläßt den Verdampfer 23 über eine Leitung 29, in
der ein Temperaturfühler 30 angeordnet ist, der über eine Meßleitung 31 mit dem
Stellgerät 19 in Verbindung steht. Die Leitung 29 führt zurück zum Wärmetauscher
20, von dem der Kältemitteldampf über eine Leitung 32 nunmehr auf höherem Temperaturniveau
entsprechend etwa dem Temperaturniveau im Kondensator 13 zu einem Rückschlagventil
33 kommt. Das Regelventil 10 sowie das Rückschlagventil 33 sind über eine Leitung
34 miteinander verbunden, von der eine Leitung 35 für das Gemisch aus armer Lösung
und Kältemitteldampf zu einem Absorber 36 führt. Die nunmehr reiche Lösung wird
aus dem Absorber über eine mit einer Pumpe 37 versehene Leitung 38 zurück zum Wärmetauscher
11 des Temperaturwechslers 8 und von dort nunmehr auf erhöhtem Temperaturniveau
befindlich
über eine Leitung 39 zurück zum Austreiber 3 geführt.
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Kondensator 13 und Absorber 36 sind unmittelbar über eine Leitung
40 relativ großen Querschnitts für flüssiges Kältemittel unter Zwischenschaltung
eines mit einer Magnetspule 41 versehenen Magnetventils 42 miteinander verbunden,
wobei die Magnetspule 41 über eine Stelleitung 4-« vom Stellgerät 19 betätigt werden
kann.
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Die Leitung 40 beginnt im Inneren 44 des Kondensators 13 in Form einer
Umlenkung 45. Der gegen den Boden gerichtete Anfang 46 der Umlenkung 45 liegt auf
einer Höhe H1, die kleiner ist als das Niveau h des Anfangs der Leitung 15. Der
Umlenkungspunkt der Leitung 40 liegt jedoch auf einem Niveau H2, das höher ist als
das Niveau h des Anschlusses der Leitung 15.
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4n die Absorptionswärmepumpe 1 ist ein Verbraucher 47 über eine Verbrauchervorlaufleitung
48 und eine mit einer Umwälzpumpe 49 versehene Verbraucherrücklaufleitung 50 angeschlossen.
Die Verbraucherrücklaufleitung 50 durchsetzt den Absorber 36, gelangt über eine
Zwischenleitung 51 zum Kondensator 13 und wird von dort über eine weitere Zwischenleitung
52 zum Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers 8 geführt, aus dem das aufgeheizte
Medium in die Vorlaufleitung 48 gelangt.
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Es versteht sich, daß der Verbraucher nicht unbedingt in einem Kreislauf
gespeist werden muß, vielmehr ist es auch möglich, die Rücklaufleitung 50 mit einem
Kaltwassernetz zu verbinden und das Wasser, das den Verbraucher 47 passiert hat,
dem Abwasser zuzuführen.
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Die eben beschriebene Absorptionswärmepumpe hat folgende Funktion:
Wärmepumpenbetrieb Durch dem Austreiber 3 vom Gas- oder ölbrenner 2 zugeführte Wärmeenergie
wird die dort vorhandene reiche Lösung erhitzt und in ihre Komponenten zerlegt.
Der hocherhitzte Kältemitteldampf verläßt über die Leitung 5 den Austreiber 3 und
wird im Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers 8 auf ein niedrigeres Temperaturniveau
gebracht.
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Die vom Kältemitteldampf abgegebene Wärme dient einmal dazu, die aus
dem Absorber 36 kommende reiche Lösung im Zuge der Leitung 38 vor ihrem Eintritt
in den Austreiber 3 vorzuwärmen. Bei der Erniedrigung des Temperaturniveaus des
Kältemitteldampfes auskondensierendes Wasser, das noch ganz geringe Spuren des Kältemittels
enthält, wird über die Leitung 14 der Leitung 6 zugeführt, der zugleich über die
Leitung 4 hocherhitzte, aus dem Austreiber stammende, arme Lösung zugeführt wird.
Die bei der Vereinigung der beiden Lösungen entstehende Mischlösung gelangt in den
Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers 8 und gibt ihre Wärme hier an die Vorlaufleitung
48 ab. Die stark heruntergekühlte
arme Lösung verläßt über die
Leitung 9 den Wärmetauscher 7 und wird nach Maßgabe des Öffnungsgrades des Regelventils
10 über die Leitung 35 dem Absorber 36 zugeführt. Im Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers
8 wird Lösungswärme frei, da die arme Lösung, die unmittelbar aus dem Austreiber
stammt, einen anderen Konzentrationsgehalt aufweist als die Lösung, die als Kondensationsprodukt
aus dem Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers 8 stammt. Diese beiden Lösungen
unterschiedlicher Konzentrationen werden im Zuge der Leitung 6 zusammengeführt und
gelangen in den Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers 8.
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Im Bereich des Absorbers 36 kommt flüssiges Kältemittel mit einer
relativ hohen Konzentration von Ammoniak im Wasser zusammen mit armer Lösung aus
dem Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers 8 im Zuge der Leitungen 9 und 35, so
daß sich auch hier eine mittlere Konzentration einer reichen Lösung einstellen wird,
die zur Abgabe von Lösungswärme im Absorber führt. Während die im Temperaturwechsler
8 frei werdende Lösungswärme unmittelbar dem Verbraucher zugeführt wird, wird die
im Absorber freiwerdende Lösungswärme einmal dazu benutzt, die dem Austreiber zuzuführende
reiche Lösung vorzuwärmen, zum anderen, im Bereich einer ersten Stufe des Aufheizens
das Rücklaufmedium des Verbrauchers 47 vorzuheizen.
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Der in den Kondensator 13 über die Leitung 12 gelangende Kältemitteldampf
kondensiert dort und wird als Kondensat über die Leitung 15 nach überwinden des
Niveaus h über den Wärmewechsler 20 im Temperaturniveau erniedrigt und über die
Leitung 21 dem Expansionsventil 22 zugeführt, wobei es nach Passieren des Expansionsventils
zu verdampfen beginnt. Das Verdampfen im Bereich des Verdampfers 23 geschieht u.a.
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nach Maßgabe der über den Luftkanal 24 zugeführten Wärmeenergie, die
von dem Temperaturfühler 27 gefühlt wird. Kältemitteldampf wird über die Leitung
29 zurück zum Wärmewechsler 20 gegeben und wieder erwärmt. Die Temperatur der Leitung
29 wird vom Temperaturfühler 30 abgefühlt. Der Kältemitteldampf wird über die Leitung
32 auf den Absorber 36 gegeben und mit der armen Lösung aus der Leitung 9 zusammengeführt.
Die nunmehr reiche Kältemittellösung wird von der Pumpe 37 aus dem Absorber abgepumpt
und über den Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers 8 auf ein höheres Temperaturniveau
gebracht, bevor sie in den Austreiber über die Leitung 39 zurückfließt. Im Wärmepumpenbetrieb
sind somit das Magnetventil 17 offen und das Magnetventil 42 geschlossen. Flüssiges
Kältemittel gelangt aus dem Kondensator erst in den Verdampfer 23, wenn das Niveau
h überwunden ist, d. h. eine bestimmte Menge kondensiertes Kältemittel im Kondensator
vorhanden ist. Steigt die im Kondensator 13 vorhandene Kältemittelmenge an, so wird
sie nach Überschreiten des Niveaus H2 über die Leitung 40 bei nach wie vor geschlossenem
Ventil 42 über eine Sicherheitsleitung
58 unmittelbar dem Austreiber
3 zugeführt. Die Sicherheitsleitung ist dafür vorgesehen, daß dem Austreiber immer
Kältemittel ausreichender Menge zur Verfügung steht. Durch die unterschiedlichen
Höhen der Niveaus h und H1 ist sichergestellt, daß die Mündung 46 der Leitung 40
im Kondensator 13 stets von flüssigem Kältemittel verschlossen ist.
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Sinkt nun die Temperatur des Kältemitteldampfes im Zuge der Leitung
29 unter einen an einem Sollwertgeber 59 einstellbaren Grenzwert, so schal tet das
Stellgerät 19 um. Das bedeutet, daß über nicht dargestellte Mittel der Motor 25
des Cebläses 26 spannungslos geschaltet wird, andererseits eine Umkehr der Stellung
der Magnetventile 17 und 42.
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Während das Magnetventil 17 nunmehr geschlossen wird, öffnet das Magnetventil
42. Das bedeutet, daß der Pegel des Kältemittels im Kondensator 13 ansteigt, bis
das Niveau H2 erreicht ist. Anschließend fließt das flüssige Kältemittel über die
Leitung 40 unmittelbar in den Absorber 36, Expansionsventil 22 und Verdampfer 23
sind aus dem Kreislauf herausgenommen. Das Rückschlagventil 33 verhindert eine Rückwärtsbeaufschlagung
der beiden Teile.
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Kesselbetrieb Nach dem eben beschriebenen Umschalten der beiden Magnetventile
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und 42, wird im Austreiber 3 die reiche Lösung durch Energiezufuhr
vom Brenner 2 zerlegt in Kältemitteldampf und arme Lösung. Diese beiden Wärmeträgermedien
geben ihre Wärme einmal über den Wärmetauscher 7 des Temperaturwechslers 8 als letzte
Aufheizstufe an die Vorlaufleitung 48 für den Verbraucher 47, zum anderen im Wärmetauscher
11 des Temperaturwechslers 8 zum Vorwärmen der in den Austreiber gelangenden reichen
Lösung ab. Aus dem Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers 8 wird das Kältemittel
in den Kondensator geleitet, von dem es unter Aufrechterhaltung eines Pegels entsprechend
dem Niveau H2 über die Leitung 40 in den Absorber 36 gelangt. Hier vereinigt sich
das Kältemittel mit der armen Lösung, und beide werden nach Temperaturerhöhung im
Wärmetauscher 11 des Temperaturwechslers 8 über die Leitung 39 zum Austreiber 3
zurückgeführt.
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Somit findet für den Verbraucher 47, genau wie bei Wärmepumpenbetrieb,
bei Kesselbetrieb eine dreistufige Aufheizung statt. Das Rücklaufwasser wird zunächst
im Bereich des Absorbers 36 vorgeheizt, anschließend im Kondensator weiteraufgeheizt
und erfährt die Endaufheizung im Bereich des Wärmetauschers 7 des Temperaturwechslers
8.
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Erreicht die Temperatur des Wärmemediums im Zuge des Luftkanals 24
einen am Sollwertgeber 59 eingestellten Grenzwert, so resultiert hieraus nach Maßgabe
dieses vom Temperaturfühler 27 gemessenen Wertes ein Umschalten des Stellgerätes
19, so daß die Schaltzustände der Magnetventile 17 und 42 geändert werden. Nunmehr
schließt das Ventil 42 während das Ventil 17 wieder öffnet und die Anlage wieder
Wärmepumpenbetrieb aufnimmt. Im Zuge der Leitung 40 befindliches flüssiges Kältemittel
wird über die Sicherheitsleitung 58 noch dem Austreiber 3 zugeführt, jedoch bleibt
im Bereich eines Syphons 60 Kältemittel als Vorlage vor dem Ventil 42 stehen. Das
bedeutet, daß z. B. bei defekter Pumpe 37 oder schadhaftem Ventil 42 ein Trockengehen
des Austreibers verhindert wird. Der Syphon 60 verhindert den Kurzschluß für Kältemitteldampf
zwischen Austreiber 3 und Absorber 36.
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Es ist auch zweckmäßig, bei Teilkondensation des Kältemitteldampfes
im Kondensator 13 das Regelventil 10 so zu steuern, daß wachsenden Kältemitteldampfanteilen
in der Leitung 40 größere Durchlaßquerschnitte des Regelventiles 10 und umgekehrt
zugeordnet sind, um den Absorberdruck zu optimieren.
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Es ist auch möglich, die eben beschriebene Absorptionswärmepumpe 1
als Resorptionswärmepumpe 100 gemäß Figur zwei auszugestalten. Hierzu sind ein Resorber
63 und ein Entgaser 64 vorgesehen, die beide über einen Temperaturwechsler/Wärmetauscher
65 und ein Drosselventil 66
auf der einen Seite, auf der anderen
Seite über eine Lösungspumpe 67 zu einem Kreislauf zusammengeschaltet sind. Temperaturwechsler,
Wärmetauscher und Drosselventil sind im Zuge einer Leitung 75 in Serie geschaltet
die Pumpe 67 liegt in einer Leitung 76. Der Resorber 63 ist über eine Leitung 74,
in die ein von einer Spule 71 betätigbares Magnetventil 70 geschaltet ist, mit der
Leitung 5 verbunden und der Entgaser 64, der in seiner Wirkungsweise mit dem Verdampfer
23 vergleichbar ist, ist über eine Leitung 77, in der der Temperaturfühler 30 angeordnet
ist und über ein Rückschlagventil 72 mit einer Leitung 78 verbunden, die der Leitung
35 entspricht.
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Die Leitungen 5 und 78 sind über eine Bypaßleitung 73 miteinander
verbunden, in der ein von einer Magnetspule 69 betätigbares Magnetventil 68 vorgesehen
ist.
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Der Verbraucher 47 ist so geschaltet, daß sein Rücklauf 50 über die
Pumpe 49 zuerst zum Absorber 36 geführt ist, dann über eine Leitung 79 zum Resorber
63, von dort über eine Leitung 80 zum Temperaturwechsler/Wärmetauscher 65 und von
dort über eine Leitung 81 zum eigentlichen Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers
7, von wo die Vorlaufleitung 48 für den Verbraucher abgeht.
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Im Zuge des Entgasers 64 ist der Luftkanal 24 vorgesehen, der den
Temperaturfühler 27 aufweist. Vom Temperaturfühler 27 ist das Stellgerät 19 gesteuert,
das die Magnetventile 68 und 70 ansteuert.
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Während bei Resorptionsbetrieb sowohl Austreiber 3 als auch Absorber
36 sowie Resorber 63 und Entgaser 64 in Betrieb sind, da die Leitung 73 durch das
geschlossene Magnetventil 68 außer Betrieb gesetzt ist, ist bei Kesselbetrieb dieses
Magnetventil geöffnet, wenn vom Temperaturfühler 27 bei Unterschreiten eines bestimmten
Temperaturniveaus das Magnetventil 70 geschlossen wird. Bei Kesselbetrieb wird somit
der in der Leitung 5 anstehende Kältemitteldampf sofort unter Kurzschluß des Resorbers/Entgasers
der Rückstromleitung 78 zum Absorber zugeführt.