DE2854055A1

DE2854055A1 - Verfahren zum erhitzen eines waermetraegers mit einer absorptionswaermepumpe

Info

Publication number: DE2854055A1
Application number: DE19782854055
Authority: DE
Inventors: Franz Gruber
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Buderus AG
Priority date: 1978-12-14
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1980-07-03

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(S 409) . S 78/98

Hm/he 14.12.78

Verfahren zum Erhitzen eines Wärmeträgers mit einer Absorptionswärmepumpe

Verfahren zum Erhitzen eines Wärmeträgers mit einer Absorptionswärmepumpe, wobei oberhalb eines bestimmten Temperaturniveaus der Wärmequelle, unterhalb dessen eine Absorption des Kältemittels durch die kältemittelarme Lösung aufgrund der thermodynamischen Bedingungen nicht mehr in nennenswertem Umfang erfolgen kann, kältmittelreiche Lösung in indirektem Wärmetausch mit kältemittelarmer Lösung erwärmt und die kältemittelarme Lösung dabei vor Eintritt in den Absorber gekühlt wird.

Bei der Beheizung von Gebäuden ändern sich mit sinkender Außentemperatur die Betriebsverhältnisse einer Absorptionswärmepumpe. Einerseits steigen die erforderliche Heizleistung und die Vorlauftemperatur des Wärmeträgers an, andererseits sinkt das Temperaturniveau der Wärmequelle, der die Absorptionswärmepumpe Wärme entzieht. Infolge der anwachsenden Temperaturdifferenz zwischen abgegebener Wärme und Wärmequelle geht das Warmeverhältnis, d.h. die auf den Primärenergiebedarf bezogene abgegebene Heizwärme zurück. Insbesondere kann bei größeren Temperaturunterschieden und einer niedrigen Endtemperatur im Austreiber

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der Absorptionswärmepumpe die Entgasungsbreite, d.h. der Konzentrationsunterschied zwischen der an Kältemittelreichen und der an kältemittelarmen Lösung, gegen Null gehen, so daß ein Wärmepumpenbetrieb nicht mehr möglich ist. Außerdem würde eine Wärmepumpe, die für den kältesten Tag des Jahres ausgelegt ist,an wärmeren Tagen eine zu hohe Heizleistung erbringen.

Daher wird eine Absorptionswärmepumpenanlage vielfach durch eine konventionelle Heizanlage ergänzt, wobei die Wärmepumpe so ausgelegt ist, daß sie den Wärmebedarf durch Wärmeentzug aus der Umwelt nur bis zu einer bestimmten Außentemperatur deckt. An sehr kalten Tagen wird die erforderliche Heizleistung bei diesen sogenannten bivalenten Wärmepumpenanlagen durch zusätzliche fossile Energieträger ergänzt (Parallelbetrieb) oder vollständig gedeckt (Alternativbetrieb). Eine Zusatzheizung erfordert aber zusätzliche Investitions- und Unterhaltungskosten.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung,ein Verfahren zum Erhitzen eines Wärmeträgers mit einer Absorptionswärmepumpe zu finden, mit der der Wärmebedarf auch bei tiefen Temperaturen der Wärmequelle in einfacher Weise sichergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unterhalb des bestimmten Temperaturniveaus der Wärmequelle die Zufuhr von Kältemittel zum Absorber unterbrochen und die im Austreiber (1) erhitzte, kältemittelarme Lösung unmittelbar dem Absorber (5) zugeführt, in diesem in indirektem Wärmetausch mit einem Wärmeträger gekühlt und anschließend im Austreiber (1) erneut erhitzt wird.

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Solange die Absorptionswärmepumpe noch bei einer vertretbaren Entgasungsbreite und damit als Wärmepumpe arbeitet, wird die an kältemittelarme Lösung im Wärmeaustausch mit an kältemittelreicher, kalter Lösung abgekühlt und gelangt als kalte, kältemittelarme Lösung in den Absorber, wo sie das in einem Kältemittelkreislauf verdampfte Kältemittel absorbiert (Wärmepumpenbetrieb).

Geht die Entgasungsbreite der umlaufenden Lösung aber bei tiefen Außentemperaturen gegen Null, wird von Wärmepumpenbetrieb auf Direktheizbetrieb umgeschaltet. Es findet kein Wärmeaustausch zwischen der vom Absorber kommenden kalten Lösung und der im Austreiber erwärmten Lösung statt. Die dann vom Absorber kommende, kalte Lösung wird ausschließlich im Austreiber erhitzt und unmittelbar, d.h. ohne jeden Wärmeaustausch dem Absorber wieder zugeleitet. Im Absorber wird die Lösung im indirekten Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger abgekühlt. Bei dieser Betriebsweise wird im Absorber kein Kältemittel mehr absorbiert. Die an kältemittelarme Lösung, die im Absorber annähernd bis zur Eintrittstemperatur des Wärmeträgers abgekühlt werden kann, gibt dabei nur die im Austreiber aufgenommene, fühlbare Wärme ab und wird anschließend zur erneuten Erhitzung in den Austreiber zurückgeführt (Direktheizung). Bei dieser Betriebsweise wird kein Kältemittel ausgetrieben. Die Konzentration des Kältemittel im Lösungsmittel bleibt daher konstant.

Die vorgeschlagene Wärmepumpe arbeitet folglich bivalentalternativ. Eine Zusatzheizung erübrigt sich jedoch, da diese in der Wärmepumpe bereits integriert ist und der Wärmeträger direkt von der erhitzten Lösung auf die erforderliche Vorlauftemperatur gebracht wird. Zur Erwärmung der Lösung dient- wie beim Wärmenpumpenbetrieb - der Austreiber.

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Für eine hohe Vorlauftemperatur des Wärmeträgers wäre eine möglichst hohe Temperatur der Lösung wünschenswert und im Austreiber auch erreichbar. Da aber auch bei Direktheizbetrieb in der umlaufenden Lösung stets noch Kältemittel enthalten ist, wird die Lösung im Austreiber höchstens bis zur thermischen Grenztemperatur, bei der die chemische Stabilität des Kältemittels noch gewährleistet ist, erhitzt. Dabei hat sich herausgestellt, daß bei der nutzbaren Abkühlung der Lösung im Absorber die geforderte Heizleistung durch eine geeignete Regelung der umlaufenden Lösungsmittelmenge sicher erreicht werden kann.

Als besonders geeignete Lösungsmittel/Kältemittel-Kombination erweist sich Wasser und Ammoniak. Aufgrund der relativ hohen spezifischen Wärme dieser Lösung und der großen Temperaturdifferenz zwischen Lösung und Wärmeträger reicht die Übertragungsfläche im Wärmeaustauscher des Absorbers aus, um die maximal erforderliche Wärme bei Direktheizbetrieb zu übertragen. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist daher die Wärmeaustauschfläche im Absorber so dimensionert, daß die maximal erforderlichen Wärmemengen sowohl bei Wärmepumpenbetrieb wie auch bei Direktheiζbetrieb übertragen werden können.

In einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Absorptionswärmepumpe, die neben einem Austreiber, einem Verdampfer und einem Absorber einen Wärmeaustauscher enthält, wird die entgaste Lösung über eine Leitung zu einem Ströinungsquerschnitt des Wärmeaustauschers geführt, entspannt und in den Absorber eingespeist. Erfindungsgemäß ist in der den Austreiber mit dem Wärmeaustauscher verbindenden Leitung ein Dreiwegventil eingebaut, an dessen dritten Ausgang eine weitere, dem Wärmeaustauscher parallel geschaltete und im Absorber mündende Leitung angeschlossen,ist.

Verbindet das Dreiwegventil Austreiber und Wärmeaustauscher,

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so arbeitet die Vorrichtung im Wärmenpumpenbetrieb. Verbindet das Ventil dagegen den Austreiber mit dem Absorber unter Umgehung des Wärmeaustauschers, so arbeitet die Anlage im Direktheizbetrieb. Durch Umschalten des Dreiwegventils können somit beide Betriebsweisen der Erfindung Wärmepumpenbetrieb und direkte Beheizung - realisiert werden.

Sowohl beim Wärmepumpenbetrieb als auch bei der direkten Beheizung gelangt das den Absorber verlassende Lösungsmittel über eine Leitung zum Wärmeaustauscher, den es in einem eigenen Strömungsquerschnitt durchströmt, wobei es beim Wärmepumpenbetrieb gegen abkühlendes kältemittelarmes Lösungsmittel erwärmt wird. In einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist in der den Absorber mit dem Wärmeaustauscher verbindenden Leitung eine Pumpe eingebaut, mit der die Menge der umgewälzten Lösung und damit die im Absorber erforderliche Wärmemenge reguliert werden kann. Als Regelgröße für die Wärmemenge, durch die der Wärmeträger auf die gewünschte Vorlauftemperatur erhitzt wird, dienen die Vorlauftemperatur des Wärmeträgers selbst sowie die Außentemperatur, die in Regelsignale für einen die Pumpe steuernden Durchflußregler umgewandelt werden.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel beschrieben werden:

a) Wärmepumpenbetrieb:

In einem Austreiber 1 wird das ammoniakreiohe Wasser bei hohem Druck erhitzt und Ammoniak aus dem Wasser ausgetrieben. Die Austreiberendtemperatur beträgt etwa l8o°C. Dies ist etwa die thermische Grenztemperatur vom Ammoniak.

Das Ammoniak wird anschließend in einer Trennsäule 2

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rektifiziert, in einem Wärmetauscher 8 durch den Wärmeträger gekühlt und über eine Leitung 18 einem Ammoniakverflüssiger 4 zugeführt. Das flüssige Ammoniak gelangt über eine Leitung 19 zu einem weiteren Wärmeaustauscher 20, in dem das flüssige Ammoniak im Wärmeaustausch mit kaltem Ammoniak-Dampf aus einem Verdampfer 6 unterkühlt und nachfolgend in einem Expansionsventil 35 auf Verdampfun^dcuck entspannt wird. Das zwischen dem Magnetventil 21 und dem Verdampfer 6 angeordnete Expansionsventil 35 ist ein selbststeuerndes, in Abhängigkeit von der Temperatur des den Verdampfer verlassenden Dampfes regelndes Ventil. Im Ausführungsbeispiel soll die für den Wärmepumpenbetrieb erforderliche Wärme der Außenluft entzogen werden. Dazu wird Luft mittels eines Ventilators 22 über den Verdampfer 6 geführt. Der den Verdampfer über Leitung 23 verlassende Ammoniak-Dampf wird im Wärmeaustauscher 20 weiter erwärmt ehe er in einen Absorber 5 eintritt.

Das im Austreiber 1 gebildete, ammoniakarme Wasser wird über eine Leitung 11, einen Wärmeaustauscher 3* eine weitere Leitung 24 und ein Drosselventil 25 einem Eingang 9 des Absorbers 5 zugeleitet. Im Absorber 5 absorbiert das ammoniakarme Wasser bei Punkt 32 eintretenden Ammoniak-Dampf, wobei die entstehende Absorptionswärme an einen Wärmeträger abgegeben wird. Dieser Wärmeträger gelangt durch eine Leitung 26 zunächst zum Ammoniak-Verflüssiger 4, in dem er gegen kondensierendes Ammoniak vorgewärmt wird, anschließend zum Absorber 5 und nachfolgend zum Wärmeaustauscher 8, in dem er durch Ammoniak-Dampf der aus der Trennsäule 2 austritt, auf die erforderliche Vorlauftemperatur erhitzt wird und über Leitung 27 aus dem Wärmepumpensystem weg und beispielsweise der Vorlaufleitung einer Gebäudeheizung zugeführt wird.

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Die im Wärmeaustausch mit dem Wärmeträger abgekühlte, mit Ammoniak angereicherte Lösung verläßt Absorber 5 über einen Ausgang 13 und eine Leitung 14 und wird mittels einer Lösungspumpe 7 über ein Rückschlagventil 28 dem Wärmetauscher J5 zugeleitet, in dem die angereicherte Lösung im Wärmetausch mit ammoniakarmer Lösung aus dem Austreiber erwärmt wird.

b) Direktheizbetrieb:

Bei der Beheizung von Wohnhäusern beispielsweis kann mit der beschriebenen Absorptionswarmpumpe, die als Wärmequelle die Außenluft nutzt, bei einer maximalen Austreibe r-Endtemperatur von +l8o°C (thermische Grenztemperatur von Ammoniak) eine maximale Vorlauftemperatur für das Heizwasser von ca. +65⁰C erreicht werden. Mit dieser Vorlauftemperatur kann jedoch bei einer Außenlufttemperatur von -15°C ein Radiator-Heizungssystem mit der dafür erforderliehen höheren Heizungswasservorlauftemperatur nicht mehr betrieben werden. Es müßte somit eine Zusitzheizung installiert werden. Erfindungsgemäß ist diese Zusatzheizung bereits in der Wärmepumpe integriert. Zum Umschalten der Wärmepumpe von Wärmenpumpenbetrieb auf Direktbeheizung dient ein in der Leitung 11 angeordnetes Dreiwegventil 10. Im normalen Wärmepumpenbetrieb verbindet dieses Ventil 10 die Leitung 11 mit einem Strömungsquerschnitt des Wärmeaustauschers 3· Sinkt jedoch die Außenlufttemperatur unter einen bestimmten Wert, wird Ventil 10 so geschaltet, daß die Lösung aus dem Austreiber 1 über die Leitungen 11, 12 und 24 direkt zum Absorber 5 gelangt. Auf diese Weise wird nunmehr die Lösung aus dem Austreiber 1 nicht durch den Wärmeaustauscher geleitet, sondern mit der Temperatur, mit der sie den Austreiber 1 verläßt, in den Absorber eingebracht. Im Absorber 6 kühlt die erhitzte Lösung im indirekten Wärmeaustausch mit dem durch Leitungen 26

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und 27 geführten Wärmeträger ab und besitzt am Ausgang 13 annähernd die Temperatur, die der Wärmeträger beim Eintritt in den Absorber hat. Im weiteren gelangt die abgekühlte Lösung über Leitung 14, Wärmet ausdi er 3 und Trennsäule 2 zurück in den Austreiber 1, in dem die Lösung erneut bis auf die thermische .Grenztemperatur von Ammoniak erwärmt wird und den beschriebenen Kreislauf durchläuft.

Bei tiefen Außentemperaturen,die eine gegen Null gehende Entgasungsbreite der umlaufenden Lösung zur Folge haben, erfolgt somit die Beheizung des Wärmeträgers allein in dem z.B. mit fossilen Brennstoffen beheizten Austreiber 1. Im Ausführungsbeispiel soll als Brennstoff Erdgas dienen. Die dem Brenner des Austreibers 1 zugeführte Erdgasmenge wird mit einem Regelventil 29 in der Erdgaszuführleitung 30 eingestellt, wobei die Temperatur der den Austreiber verlassenden Lösung durch die Regeleinheit.31 konstant gehalten wird.

Die Wärmemenge, die an den Wärmeträger abgegeben werden soll, ist sowohl bei Wärmepumpen- wie Direktheizbetrieb regelbar: Diesem Regelkreis gehören ein Außentemperaturfühler 15, ein die Temperatur des beheizten Wärmeträgers bestimmender Fühler l6 in der Vorlaufleitung 27, sowie zwei Vorrichtungen 33* 3^, die die Temperaturmeßwerte in Regelsignale für einen Durchflußregler I7 umwandeln, an. Mit dem Durchflußregler I7 kann die Pumpenleistung, und damit die pro Zeit umgewälzte Lösungsmittelmenge eingestellt werden.

Bei niedrigen Außentemperaturen und Direktheizbetrieb wird ein Magnetventil 21, das vor dem Expansionsventil 35 und dem Verdampfer 6 angeordnet ist, geschlossen, so daß der Ammoniakumlauf bei Direktheizbetrieb mit

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Sicherheit unterbrochen ist. Da von der Lösung im Absorber kein Kältemittel mehr absortiert werden kann, entsteht keine Absorptionswärme. Die Beheizung des Wärmeträgers erfolgt ausschließlich mittels der im Austreiber erhitzten Lösung. Bei den gegebenen Temperaturverhältnissen wird auch im Austreiber 1 kein Ammoniak aus der Lösung ausgetrieben. Die Ammoniakkonzentration im Lösungskreislauf bleibt während des Direktheizbetriebes daher konstant.

Für den Fall, daß bei Wärmepumpenbetrieb die Strömungswege der Luft im Ammoniäkverdampfer 6 durch Eisablagerungen infolge der Luftfeuchtigkeit verlegt sind, ist ein Dreiwegventil 36 in Leitung 18 vorgesehen, über das ausgetriebener, heißer Ammoniak-Dampf aus dem Wärmetauscher 8 in eine Leitung 37 eingespeist werden kann, die über ein Druckminderventil 38 an den Eingang des Verdampfers 6 angeschlossen ist. Über Leitung wird solange Ammoniakdampf in den Verdampfer eingeleitet, bis alle Eisablagerungen beseitigt sind. Anschließend wird das Dreiwegventil 36 umgeschaltet, so daß die Ammoniakdämpfe wieder über Leitung l8 zum Verflüssiger 4 strömen.

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

I 1J Verfahren zum Erhitzen eines Wärmeträgers mit einer Absorptionswärmepumpe, wobei oberhalb eines bestimmten Temperaturniveaus der Wärmequelle, unterhalb dessen eine Absorption des Kältemittels durch die kältemittelarme Lösung aufgcund der thermodynamisch en Bedingungen nicht mehr in nennenswertem Umfang erfolgen kann, kältemittelreiche Lösung in indirektem Wärmetausch mit kältemittelarmer Lösung erwärmt und die kältemittelarme Lösung dabei vor Eintritt in den Absorber gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des bestimmten Temperaturniveaus der Wärmequelle die Zufuhr von Kältemittel zum Absorber unterbrochen und die im Austreiber (1) erhitzte, kältemittelarme Lösung unmittelbar dem Absorber (5) zugeführt, in diesem in indirektem Wärmetausch mit einem Wärmeträger gekühlt und anschließend im Austreiber (1) erneut erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung bis zur thermischen Grenztemperatur des Kältemittels erhitzt wird.

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J>. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Wasser als Lösungsmittel und Ammoniak als Kältemittel.

k, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis J5 mit einer einen Austreiber, einen Verdampfer, einen Wärmeaustauscher und einen Absorber enthaltenden Absorptionswärmepumpe, wobei der Austreiber über eine Leitung und einen Strömungsquerschhitt des Wärmeaustauschers mit dem Absorbereingang für das Lösungsmittel verbunden ist, gekennzeichnet durch einen im Absorber integrierten Wärmeaustauscher, dessen Wärmeaustauschfläche so dimensioniert ist, daß mit ihr sowohl die maximal erforderliche Wärmemenge bei Absorptionsvorgang während des Wärmepumpenbetriebes als auch die maximal erforderliche Wärmemenge bei der reinen Abkühlung der Lösung beim Betrieb unterhalb des bestimmten Temperaturniveaus übertragen werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch K, gekennzeichnet durch ein in der den Austreiber (1) mit dem Wärmetauscher (j5) verbindenden Leitung (11) angeordnetes Dreiwegventil (10) und eine an das Dreiwegventil (10) und den Absorbereingang (9) angeschlossene weitere Leitung (12).

6. Vorrichtung nach Anspruch k oder 5, gekennzeichnet durch Temperaturmeßfühler (15, l6) für die Temperatur der Wärmequelle und des Wärmeträgers, die über einen Durchflußregler (17) mit einer Pumpe (7), die in einer den Absorberausgang (Γ3) für kältemittelreiches Lösungsmittel mit einem weiteren Strömungsquerschnitt des Wärmetauschers (5) verbindenden Leitung (14) angeordnet ist, verbunden sind.

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