DE2938565A1

DE2938565A1 - Verfahren zum anheben des temperaturniveaus von waerme mit hilfe einer absorptionswaermepumpe

Info

Publication number: DE2938565A1
Application number: DE19792938565
Authority: DE
Inventors: Fritz 8191 Achmühle Jakob
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-09-24
Filing date: 1979-09-24
Publication date: 1981-04-09

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

CH 1088) H 79/75

Hm/bd . 24.9.79 10

Verfahren zum Anheben des Temperaturniveaus von Wärme mit Hilfe einer Absorptionswärmepumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anheben des Temperaturniveaus von Wärme mit Hilfe einer Absorptionswärmepumpe, bei der eine an Arbeitsmittel reiche Lösung in mehreren, aufeinanderfolgenden Druckstufen entspannt und in jeder Druckstufe ein Teil des absorbierten Arbeitsmittels aus der Lösung ausgetrieben wird.

Durch die DE-OS 21 58 617 ist eine nach diesem Prinzip arbeitende Absorptionskälteanlage bekannt. Bei diesem Verfahren wird jedoch die in jeder Druckstufe erforderliehe Verdampfungswärme allein aus der vor dem Beginn des Eindampfungsprozesses in der reichen Lösung enthaltenden sensiblen Wärme gedeckt. Diese Verfahrensweise ist von Nachteil, da der Eindampfungsgrad und damit die Konzentrationsdifferenz zwischen der an Arbeitsmittel armen und reichen Lösung eingeengt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erläuterten Art zu entwickeln, mit dem Wärme mit gutem Wirkungsgrad auf ein gegenüber der Wärmeaufnahmetemperatur hohes Temperaturniveau gehoben werden kann.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die reiche Lösung der höchsten Druckstufe mit Hilfe einer Fremdwärmequelle und die reiche Lösung jeder nachfolgenden Druckstufe durch das in der vorausgegangenen Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel erhitzt wird.

Erfindungsgemäß wird die zur Austreibung des Arbeitsmittels aus der reichen Lösung erforderliche Wärme nicht mehr aus dem Inhalt an sensibler Wärme der reichen Lösung gedeckt.

Vielmehr dient die Kondensationswärme des in einer Druckstufe gebildeten Kältemitteldampfes zur Beheizung der in die nächstfolgende Druckstufe eingeleiteten, in der vorausgegangenen Druckstufe teilweise von Arbeitsmittel befreiten, reichen Lösung. Lediglich der Druckstufe mit dem höchsten Druckniveau ist Fremdwärme zuzuführen. Zwar muß diese Fremdwärme auf relativ hohem Temperaturniveau zugeführt werden, doch ist dieser Anteil der Wärme - im Vergleich zu einer Wärmepumpe mit einstufigem Austreiber sehr klein. Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmebedarf des Austreibers entsprechend der Druckstufenzahl auf einen Bruchteil des Bedarfs einer einstufigen Wärmepumpe zu senken. Diese Arbeitsweise ist sowohl bei Absorptionswärmepumpen, bei denen die Nutzwärme bei einer Temperatur zwischen Wärmequellen- und Heizmitteltemperatur (System 1), als auch bei solchen Systemen anwendbar, bei denen die Nutzwärme bei der höchsten auftretenden Temperatur gewonnen wird (System 2).

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung kondensiert 'das in einer Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel beim Wärmetausch mit der an Arbeitsmittel reichen Lösung der nachfolgenden Druckstufe. Ein Großteil der Kondensationswärme des Arbeitsmittels, die in Wärmepumpen mit einstufigem Austreiber vollständig an ein Kühlmittel abgeführt werden muß, wird erfindungsgemäß zum Austreiben

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genutzt. Somit kann nicht nur der Fremdwärmebedarf des Austreibers, sondern auch der Bedarf an Kühlmitteln erheblich - entsprechend der Zahl der Druckstufen - gesenkt werden. Die vorgeschlagene Verfahrensweise ist sehr ökonomisch, da die mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem kondensierenden Arbeitsmittel und der an Arbeitsmittel reichen Lösung sehr klein gehalten werden kann, wodurch Exergieverluste eingespart werden.

Wollte man mit bisherigen, gemäß System 2 arbeitenden Wärmepumpen hohe Wärmeabgabetemperaturen erreichen, so wurde es immer schwieriger, die Siedetemperatur des Arbeitsmittels im Verdampfer und die Temperatur im Austreiber einander anzugleichen. Statt einer Wärmequelle waren zwei Wärmequellen erforderlich und der Prozeß teilte sich in zwei weitgehend getrennte Schritte: Der Entwertung der im Verdampfer dem Arbeitsmittel zugeführten Wärmemenge von Verdampfungstemperatur auf Kondensationstemperatur und der Anhebung der zum Austreiben des Arbeitsmittels aus der reichen Lösung erforderlichen Wärmemenge vom Austreibertemperaturniveau auf das gewünschte Temperaturniveau im Absorber. Zwischen diesen Temperaturen besteht jedoch keine große Differenz.

Der erfindungsgemäße Prozeß besteht dagegen im wesentlichen aus der Anhebung der zur Verdampfung des Arbeitsmittels notwendigen Wärmemenge von der Siedetemperatur des Arbeitsmittels auf das gewünschte Temperaturniveau im Absorber. Da die dem Austreiber zuzuführende und die im Kondensator abzuführende Wärmemengen klein gehalten werden können, ermöglicht das vorgeschlagene Verfahren, Wärme mit gutem Wirkungsgrad auf ein gegenüber der Wärmeaufnahmetemperatur hohes Temperaturniveau zu heben.

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Grundsätzlich ist es möglich, das kondensierte Arbeitsmittel jeder Druckstufe auf den Druck des in der niedrigsten Druckstufe ausgetriebenen und nachfolgend kondensierten Arbeitsmittels zu entspannen und diesem beizumischen. In einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird jedoch das kondensierte Arbeitsmittel jeder Druckstufe auf den Druck des kondensierten, aus der nachfolgenden Druckstufe austretenden Arbeitsmittels entspannt und diesem beigemischt.

Dabei ist es von Vorteil, wenn das in der letzten Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel kondensiert und mit dem in den übrigen Druckstufen ausgetriebenen, kondensierten und auf den Druck der letzten Druckstufe entspannten Arbeitsmittel vereinigt wird.

In einer_: vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird die reiche Lösung der höchsten Druckstufe einer nach dem System 2 arbeitenden Wärmepumpe durch einen Teil der Nutzwärme erhitzt, die bei der höchsten auftretenden Temperatur.gewonnen wird. Auf diese Weise arbeitet die Wärmepumpe unabhängig von einer Fremdwärmequelle.

Im folgenden soll anhand einer schematischen Skizze ein Ausführungsbeispiel einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Wärmepumpe beschrieben werden. Diese Wärmepumpe arbeitet gemäß System 2, obwohl das vorgeschlagene Verfahren mit Vorteil auch mit einer Wärmepumpe des Systems 1 durchgeführt werden kann.
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Es zeigen:

Figur 1 ein Schema einer Wärmepumpe mit dreistufigem Austreiber,

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Figur 2 eine Darstellung des thermodynamisehen Prozesses in einem log ρ/ψ -Diagramm.

Die wesentlichen Bauteile der Absorptionswärmepumpe sind ein Absorber 1, ein Austreiber 3, eine Kondensator 18, eine Pumpe 19 sowie ein Verdampfer 22. Aus dem Absorber 1 strömt an Arbeitsmittel reiche Lösung über eine Leitung und einen Wärmetauscher 21 zum Austreiber 3, der in diesem Fall dreistufig 3a, 3b, 3c ausgeführt sein soll. In der höchsten Druckstufe 3a wird Arbeitsmittel aus der an Arbeitsmittel reichen Lösung im indirekten Wärmetausch 7 mit einer Fremdwärmequelle, beispielsweise Abwärme Q von ca. 120 ⁰C ausgetrieben. Das ausgetriebene Arbeitsmittel sammelt sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels der an Arbeitsmittel reichen Lösung und strömt über eine Leitung zu einem Wärmetauscher 8, der im Bereich der Lösungsmitte If üllung der nächsten Druckstufe 3b angeordnet ist. Das in der Druckstufe 3a teilweise von Arbeitsmittel befreite Lösungsmittel gelangt über eine Leitung 24 und ein Entspannungsventil 25 in diese Druckstufe 3b. Im Wärmetausch zwischen dem Arbeitsmittel, das von Leitung 6 kommend den Wärmetauscher 8 durchströmt, und der an Arbeitsmittel reichen Lösung kondensiert das Arbeitsmittel im Wärmetauscher 8. Die dabei anfallende Kondensationswärme Q' dient dazu, aus der an Arbeitsmittel reichen Lösung erneut einen Teil des absorbierten Arbeitsmittels auszutreiben. Das in dieser Druckstufe 3b ausgetriebene Arbeitsmittel strömt über eine Leitung 10 zu einem Wärmetauscher 11, in dem es seine Kondensationswärme Q¹' an die Lösung, die über eine Leitung 26 und ein Entspannungsventil 14 in die Druckstufe 3c gelangt ist, abgibt. Anschließend wird das in der Druckstufe 3c kondensierte Arbeitsmittel über eine Leitung 12 dem im Wärmetauscher 8 kondensierten und über ein Ventil 9 entspannten Arbeitsmitteldampf bei Punkt 15 zugemischt. In analoger Weise könnte das in Druck- ^J

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stufe 3c ausgetriebene Arbeitsmittel dazu dienen, das in eine weitere Druckstufe geleitete Lösungsmittel wieder von Arbeitsmittel zu befreien usw.. Da die Kondensationswärme des in höheren Druckstufen ausgetriebenen Arbeitsmittels zum Austreiben von Arbeitsmittel aus den Lösungen tieferer Druckstufen genutzt worden ist, braucht bei der vorgeschlagenen Absorptionswärmepumpe lediglich die Kondensationswärme Q_v des in der letzten Druckstufe ausgetriebenen Arbeitsmittels abgeführt werden. Hierzu dient der Kondensator 18, der über eine Leitung 17 mit der Druckstufe 3c verbunden ist. Das den Kondensator 18 verlassende Kondensat wird bei Punkt 16 mit dem übrigen Arbeitsmittelkondensat zusammengeführt. Dieses setzt sich aus den Kondensatströmen der Druckstufen 3b und 3c zusammen, die bei Punkt 15 vereinigt worden sind.In einem Ventil 13 wird deren Druck an den Druck des Kondensats aus Kondensator 18 angepaßt.

Im weiteren Verlauf werden - wie bei Wärmepumpen mit einstufigem Austreiber - das Arbeitsmittel und die an Arbeitsmittel arme Lösung zum Absorber geleitet. Erfindungsgemäß fällt die an Arbeitsmittel arme Lösung in der niedrigsten Druckstufe 3c an. In einer Pumpe 5, zu der die arme Lösung über eine Leitung 4 strömt, wird der Druck der armen Lösung auf den Druck der höchsten Druckstufe gebracht und anschließend in den Absorber 1 eingeleitet. Der Druck des kondensierten Arbeitsmittels wird in der Pumpe 19 ebenfalls auf das Druckniveau der höchsten Druckstufe gehoben. Ober eine Leitung 20 wird das Kondensat dem Wärmetauscher 21 zugeleitet, in dem es gegen die aus dem Absorber kommende reiche Lösung angewärmt wird. Im nachfolgenden Verdampfer 22, dem die Wärmemenge Q_v zuzuführen ist, verdampft das Arbeitsmittel vollständig und tritt anschließend in den Absorber 1 ein. Die an Arbeitsmittel arme Lösung im Absorber 1 absorbiert den Arbeitsmitteldampf, wobei die entstehende Absorptions-

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wärme Q. an einen in einer Leitung 23 strömenden Nutzwärmeträger, z.B. Wasser, abgegeben wird.

In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem log-p-ψ - Diagramm mit den Dampfdruckkurven des Arbeitsmittels, z.B. Ammoniak, sowie der an Arbeitsmittel reichen bzw. armen Lösung, z.B. Wasser, dargestellt. Die linke Gerade ist die Dampfdruckkurve des Arbeitsmittels mit der Konzentration Sv³I- °i^e i^m Diagramm rechts gezeichneten Geraden stellen die Dampfdruckkurven der reichen Lösung ( ς ) sowie der Lösungen in der Druckstufe 3a, ( £ ), 3b (4 k) und der armen Lösung ( ζ ) dar. Die Austreibung und Absorption laufen in dem von der reichen und armen Lösung begrenzten Konzentrationsbereich zwisehen ζ und | ab.

* Die Absorptionswärmepumpe arbeitet zwischen dem im Absorber und Verdampfer herrschenden Druck ρ von z.B. 50 at. und dem im Kondensator und der niedrigsten Drückstufe herrschenden Druck ρ von z.B. 8 at. Durch p_a ist die Siedetemperatur T des Arbeitsmittels festgelegt. Dem Verdampfer 22 ist daher auf diesem Temperaturniveau die Verdampfungswärme Q_v zuzuführen. Nachdem das Arbeitsmittel von der an Arbeitsmittel armen Lösung absorbiert worden ist, strömt die nunmehr an Arbeitsmittel reiche Lösung der Konzentration ζ in die Austreiberstufe 3a. Die während der Absorption entstehende Absorptions wärme Q wird als Nutzwärme von dem in Lei-, tung 23 strömenden Nutzwärmeträger abgeführt. In der Druckstufe 3a muß nun die Wärmemenge Q zugeführt werden, um Arbeitsmittel aus der reichen Lösung (Konzentration

I _r) auszutreiben. Dabei sinkt der Anteil des Arbeitsmittels in der reichen Lösung (Konzentration ς _). Entsprechend dem Druck p, kondensiert das ausgetriebene Arbeitsmittel bei der Temperatur T . Diese Temperatur

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bestimmt das Druckniveau p_fa, auf das die reiche Lösung (Konzentration ζ a) entspannt werden muß, ehe diese in Druckstufe 3b eingeleitet wird. In dieser Druckstufe wird durch die Kondensationswärme Q¹ des kondensierten Arbeitsmittels!ρ ; T) erneut Arbeitsmittel ausgetrieben, wobei die ursprüngliche Konzentration s a auf den Wert I b sinkt. Durch den Druck p. , unter dem das in Druckstufe 3b ausgetriebene Arbeitsmittel steht, ist wiederum die Kondensationstemperatur T ' und dadurch auch der Druck P -der Druckstufe 3c festgelegt. Die an Arbeitsmittel reiche Lösung (Konzentration ζ b) wird in Ventil 14 auf den Druck ρ entspannt. Im Wärmetauscher wird die Kondensationswärme Q¹¹ des kondensierenden Arbeitsmitteldampfes (p, , T ·) an die reiche Lösung der Druckstufe 3c abgegeben und Arbeitsmittel ausgetrieben. Dabei sinkt die Konzentration ζ b der reichen Lösung auf den Wert I c der an Arbeitsmittel armen Lösung. Lediglich der in der Druckstufe 3c gebildete Arbeitsmitteldampf (p„, T„) muß in den Kondensator 18 geleitet und gegen ein Kühlmittel kondensiert werden. Die im Kondensator 18 abzuführende Kondensationswärme Q_v ist etwa um den Faktor 3 kleiner als die in einer einstufigen Wärmepumpe abzuführende Wärme. Wie bereits beschrieben, sinkt der Bedarf an Kühlmittel mit der Zahl der Druckstufen. Der erfindungsgemäße Prozeß besteht nun im wesentlichen aus der Anhebung der Wärmemenge Qy von der Siedetemperatur des Arbeitsmittels T auf die Temperatur, mit der die im Absorber gebildete Wärme abgeführt werden kann. Somit ist die überbrückung großer Temperaturdifferenzen möglich, da die Temperaturspanne von Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe der Absorptionswärmepumpe von der Druckdifferenz ρ und ρ entkoppelt ist.

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Lee /seit

Claims

(H 1088) H 79/75

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Patentansprüche

Verfahren zum Anheben des Temperaturniveaus von Wärme mit Hilfe einer Absorptionswärmepumpe, bei der eine an Arbeitsmittel reiche Lösung in mehreren, aufeinanderfolgenden Druckstufen entspannt und in jeder Druckstufe ein Teil des absorbierten Arbeitsmittels aus der Lösung ausgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die reiche Lösung der höchsten Druckstufe mit Hilfe einer Fremdwärmequelle und die reiche Lösung jeder nachfolgenden Druckstufe durch das in der vorausgegangenen Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel erhitzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in einer Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel beim Wärmetausch mit der reichen Lösung der nachfolgenden Druckstufe vollständig kondensiert.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das kondensierte Arbeitsmittel jeder Druckstufe auf den Druck des kondensierten, aus der nachfolgenden Druckstufe austretenden Arbeitsmittels entspannt und diesem beigemischt wird.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in der letzten Druckstufe ausgetriebene Arbeitsmittel kondensiert und mit dem in den übrigen Druckstufen ausgetriebenen, kondensierten und

5 auf den Druck der letzten Druckstufe entspannten Arbeitsmittel vereinigt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch

gekennzeichnet, daß als Fremdwärme ein Teil der durch 10 die Absorptionswärmepumpe auf hohes Temperaturniveau angehobenen Wärme dient. .. .i

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