-
Sorptionswärmepumpe - Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 2736436.9)
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf eine Sorptionswärmepumpe
gemäß dem Oberbegriff entsprechend dem nicht vorveröffentlichten älteren Patent
(Patentanmeldung P 2736436.9).
-
Der wesentliche Gedanke des älteren Vorschlags liegt darin, den Verbraucherkreislauf,
sei es der Vorlauf einer Radiatorenheizung oder eines Brauchwasserbereiters, mehrstufig,
insbesondere dreistufig, aufzuheizen, indem der Verbraucherkreislauf durch eine
Reihenschaltung
von drei Wärmetauschern geführt ist. Diese Wärmetauscher sind, beginnend mit der
Verbraucherrücklauf, zunächst der Kondensator, dann der Absorber und schließlich
der erste Wärmetauscher eines Temperaturwechslers. Dieser Wärmetauscher wird von
der unmittelbar aus dem Austreiber stammenden hocherhitzten armen Lösung gespeist.
Der Vorteil nach dem älteren Vorschlag liegt darin, daß man durch dieses dreistufige
Aufheizen des Verbraucherkreislaufs eine für eine Wärmepumpe relativ hohe Vorlauftemperatur
im Verbraucher erzielen kann.
-
Es hat sich aber nun herausgestellt, daß eine solche hohe Verbrauchervorlauftemperatur
nicht unbedingt immer notwendig ist, beispielsweise wenn die Wärmepumpe zum Speisen
eines aus einer Fußbodenheizung bestehenden Verbrauchers dient oder wenn von Haus
aus nur eine niedrigere Brauchwassertemperatur oder bei Teillast (niedriger Wärmebedarf)
nur eine niedrige Vorlauftemperatur gefordert wird.
-
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach dem Hauptpatent besteht
daher die Aufgabe, die Wirtschaftlichkeit der Sorptionswärmepumpe - sei es Absorptions-
oder Resorptionswärmepumpe -zu verbessern, ohne die Möglichkeit einer möglichst
hohen Vorlauftemperatur am Verbraucher, sei es Heizkörperkreis oder Brauchwasserbereiterkreis,
zu verlassen.
-
Die Lösung dieser Aufgabe liegt in den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs.
-
Der hieraus resultierende technische Fortschritt ist darin zu sehen,
daß bei Nichtbenötigung einer relativ hohen Verbrauchervorlauftemperatur, d. h.
bei entsprechend vermindertem Wärmebedarf die Rücklauftemperatur der reichen Lösung
im Kocher erhöht wird, so daß sich gleichermaßen der Wärmebedarf des Ausreibers
vermindert, also die Gaszufuhr zum Austreiber gewinnbringend verringert werden kann.
-
Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung sind aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den
Figuren eins und zwei der Zeichnung ersichtlich, die Ausführungsbeispiele der Erfindung
zum Inhalt haben.
-
Es zeigen Figur eins eine Soprtionswärmepumpe und Figur zwei eine
Variante der Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1.
-
In beiden Fällen ist zwar eine Absorptionswärmepumpe dargestellt und
erläutert, die Erfindung läßt sich aber ebensogut bei einer Resorptionswärmepumpe
anwenden.
-
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.
-
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. Ebenso ist der Wärmetauscher
10 über eine Anschlußleitung 11 am Austreiber 1 lediglich unter 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, vom 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 sie über Abgas-Wärmetauscher 12 als erwärmte reiche Lösung dem Austreiber
1 wieder zugeführt ist. 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.
-
Der im Austreiber entstehende Kältemitteldampf verläßt diesen über
einen Anschluß 20, in dessen Zug ein Abgasüberhitzer-Wärmetauscher 21 liegt. Das
hocherhitzte Gas gelangt in den Wärmetauscher 10 des Temperaturwechslers 9, den
es über eine Leitung 22 in Richtung auf einen Kondensator 23 verläßt. Vom Kondensator
23 führt 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.
-
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 Luftleitung 33 weist eine Abströmöffnung
35 zum Absaugen von Luft aus einem zu kühlenden Raum 74 auf, die von einer Absperrklappe
36 verschließbar 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 belüftenden Raum 74 bzw. über eine Abgasöffnung 73 in die Atmosphäre geführt.
In der Luftleitung 37 ist eine weitere Umstellklappe angeordnet. Die Abgasklappe
5 sowie die Umstellklappen 36, 38, 41 und 42 sind so geschaltet, daß sie jeweils
nur ihre Endstellungen
einnehmen können.
-
Im einen Fall (Heizung) liegen die Klappen so, wie ihre durchgezogenen
Stellungen andeuten, im anderen Fall (Kühlung) nehmen sie alle die gestrichelte
Stellung ein.
-
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.
-
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 51 zu einem von einem Hubmagneten
52 betätigbaren Absperrventil 53, dem der Wärmetauscher des Kondensators 23 nachgeschaltet
ist. Das Absperrventil 53 und der Kondensator 23 sind über eine Bypaßleitung mit
einem Rückschlagventil 54 überbrückt. Der Kondensator 23 ist mit seinem Heizungsteil
über eine Leitung 55 mit dem heizungsseitigen Teil des Wärmetauschers des Absorbers
16 verbunden, der Wärmetauscher des Absorbers 16 ist über eine Leitung 56 mit dem
Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers 9
verbunden. Vom Heizungsteil
des Wärmetauschers 8 des Temperaturwechslers 9 geht die Heizungsvorlaufleitung 49
aus, in deren Zug zwei Umsteuerventile 57 und 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 kaltem Frischwasser gespeist, dieses kann als erwärmtes Brauchwasser über
eine Zapfleitung 68 einem Verbraucher zugeführt werden.
-
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 8 des Temperaturwechslers 9 bei Sommerbetrieb hingegen
ist die Leitung 49 mit einer Umgehungsleitung 70 verbunden, die zu einem Kühlturm
71 führt. Vom Kühlturm führt eine Leitung 72 zur Rücklaufleitung 66.
-
In die vom Anschlußstutzen 7 des Austreibers 1 abgehende Leitung für
hocherhitzte arme Lösung ist ein Drei-Wege-Umsteuerventil 76 eingefügt. Das Umsteuerventil
76 führt mit einem Auslaß zur Primärstrecke des Wärmetauschers 9 des Temperaturwechslers
8, mit dem anderen Auslaß zu einer Bypaßleitung 77, die den Primärweg des Wärmetauschers
9 umgeht. Gesteuert ist die Stellung des Drei-Wege-Umschaltventils 76 durch ein
Stellglied 78, an das ein Außentemperaturfühler 79 angeschlossen ist. Eine Stelleitung
80 führt zu einem stetige Stellungen aufweisenden Gasmagnet-Ventil 81, das im Zuge
der Gaszufuhrleitung zum Brenner 2 angeordnet ist.
-
Es ist weiterhin möglich, die Stellung des Drei-Wege-Umschaltventils
76 vom Temperaturfühler 59 im Brauchwasserbereiter 62 zu steuern.
-
Die eben beschriebenen Elemente der Sorptionswärmepumpe funktionieren
wie folgt: Im Austreiber 1 werden Lösungsmittel (Wasser) und das in ihm enthaltene
Kältemittel (Ammoniak) erhitzt, das Ammoniakgas wird als Dampf aus der Lösung ausgetrieben.
Die hocherhitzte arme Lösung verläßt über den Anschlußstutzen 7 den Austreiber 1
und wird zum Wärmetauscher 8 des Temperaturwechslers 9 geführt. 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
9 des Temperaturwechslers 8 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 7 da der Absorber die zweite Stufe in der Erhitzung des 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 Temperaturniveaup 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-Wärmetauscher 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.
-
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 dem 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 im Absorber 16 zu erhalten.
-
Das Wasser der Heizungsanlage wird also von der Heizungsrücklaufleitung
50 ausgehend 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. 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.
-
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 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. 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 überschüssige
Luftanteil geht über die Ablaßöffnung 73 an die Atmosphäre. 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.
-
Es ist weiter möglich, bei abgestellter Wärmepumpe durch Laufenlassen
des Ventilators 39 den Raum 74 über die Frischluftansaug öffnung 34 und die Umluftansaugöffnung
35 zu entlüften bzw.
-
über die Einlaßöffnungen 40 zu belüften.
-
Durch das Drei-Wege-Umschaltventil 76 ergibt sich noch folgende Funktion:
Falls die Vorlauftemperatur des die Heizkörper 48 enthaltenden Heizkreises 49,50
in Folge geringeren Wärmebedarfs abgesenkt werden kann, so ist dies meist eine Folge
steigender Außentemperatur. Die steigende Außentemperatur wird dem Temperaturfühler
79 mitgeteilt und veranlaßt ein schlagartiges Umstellen des Drei-Wege-Umsteuerventiles
76. Damit wird der Wärmetauscher 9 des Temperaturwechslers 8 außer Funktion gesetzt,
d. h., die hocherhitzte arme Lösung kommt vom Austreiber unmittelbar zum Expansionsventil
14.
-
Das bedeutet aber auch, daß die letzte Aufheizstufe für den Verbraucher,
nämlich derselbe Wärmetauscher 9 des Temperaturwechslers 8
für
eine Erhöhung der Vorlauftemperatur im Verbraucher ausfällt. Das Ergebnis ist somit
eine niedrigere Vorlauftemperatur in allen Heizkörpern 48.
-
Falls es erwünscht ist, besteht auch die Möglichkeit, das Umsteuerventil
76 als stetig arbeitendes Drei-Wege-Umsteuerventil auszubilden, so daß die Temperaturerhöhung
des Verbraucherkreislaufes durch den Wärmetauscher 9 des Temperaturwechslers 8 stetig
veränderbar ist, man also in Abhängigkeit vom jeweiligen Ist-Signal der Außentemperatur
mit einer mehr oder weniger starken Erhöhung oder Absenkung der Vorlauftemperatur
arbeiten kann.
-
Im Prinzip Gleiches ist auch brauchwasserseitig möglich, falls der
Sollwert des Temperaturfühlers 59 auf niedrigeren Wert eingestellt wird: Mit dem
Ansprechen dieses Fühlers kann auch eine Umstellung oder stetige Zwischenstellung
des Umsteuerventils 76 erreicht werden, so daß auch der Inhalt des Brauchwasserbereiters
63 weniger stark erhitzt wird. Da somit der armen Lösung ein größerer Wärmeinhalt
verbleibt, wird der Austreiber rücklaufseitig über die Leitung 11 mit wärmerer reicher
Lösung beaufschlagt, so daß ein kleinerer Gasdurchsatz im Brenner 2 notwendig ist,
um die Austreiber-Temperatur für die arme Lösung zu erreichen. Somit wird in Relation
zur Umstellung des Drei-Wege-Umsteuerventils 76 das Gasmagnetventil 81 gedrosselt,
um eine Verminderung des Gasdurchsatzes
zu erzielen.
-
Wie Figur zwei zeigt, ist es auch möglich, statt der Primärleitung
des Wärmetauschers 9 des Temperaturwechslers 8 die Sekundärleitung zu unterbinden.
Somit strömt die hocherhitzte arme Lösung über den Stutzen 7 zwar noch durch den
Wärmetauscher 9 des Temperaturwechslers 8, nur wird ihr dort keine Wärme entzogen,
da nämlich die Leitung 56 durch die Bypaß-Leitung 82 unmittelbar mit dem Drei-Wege-Umsteuerventil
76 verbunden ist.