DE3016532A1

DE3016532A1 - Verfahren zum abtauen des verdampfers einer absorptionswaermepumpe

Info

Publication number: DE3016532A1
Application number: DE19803016532
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 5000 Köln Heimbach
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Buderus AG
Priority date: 1980-04-29
Filing date: 1980-04-29
Publication date: 1981-11-05
Also published as: DE3016532C2

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

S 412 S 80/26

Fa/fz 28. April I98O

.Verfahren zum Abtauen des Verdampfers einer Absorptionswärmepumpe -

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtauen des Verdampfers einer Absorptionswärmepumpe, in der Kältemittel aus einem Lösungsmittel ausgetrieben, in Wärmetausch mit einem Wärmeträger verflüssigt, in einem Expanisonsventil entspannt, in einem Verdampfer verdampft, über eine Dampfrückführungsleitung einem Absorber zugeleitet und dort von dem Lösungsmittel wieder absorbiert wird, bei welchem Verfahren der Wärmetausch des Kältemittels mit dem Wärmeträger unterbunden und mindestens ein Teil des Kältemittels über eine Beipassleitung am Expansionsventil vorbei in den Verdampfer geführt .wird, sowie eine Absorptionswärmepumpe.

Bei direkt befeuerten Absorptionswärmepumpen, wie sie insbesondere zur Raum- und/oder Brauchwasserheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern verwendet werden, wird Umweltenergie aus der Luft aufgenommen und einem Verdampfer zur Verdampfung eines Kältemittels zugeführt. Der Verdampfer ist hierbei beispielsweise als Lamellen-Luftkühler ausgebildet.

Anlagen dieser Art arbeiten im Wärmepumpbetrieb bis zu Außen-Lufttemperaturen, die deutlich unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegen. Da die Oberflächentemperatur stets nie&-

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riger ist als die Lufttemperatur, setzt sich in solchen Fällen der in der Luft enthaltene Wasserdampf als Reif auf den Kühlerflächen des Verdampfers ab. Mit waahsender Schlchtdikke vermindert sich die den Kühler durchströmende Luftmenge

§ und die Verdampferleistung. Es ist daher erforderlich, den Reif periodisch zu entfernen,, Dies geschieht durch gesteuerte Wärmezufuhr.

Gemäß einem bekannten Vorschlag zur Durchführung des Abtau*- Verfahrens (deutsche Offenlegungsschrift 27 36 4j54) wird der Wärmeträger am Verflüssiger vorbeigeleitet, so daß der Kältemitteldampf nicht mehr kondensiert. In einem nachgeschalteten Wärmetauscher wird das Kältemittel lediglich abgekühlt» Dabei entsteht ein Dampf-Flüssigkeitsgemisch, das dem Luftkühler über das Expansionsventil und ein im Querschnitt steuerbares Beipassventil zugeführt wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist die Tatsache, daß das Kältemittel bereits als Naßdampf in den Verdampfer eintritt. Es besteht somit die Gefahr, daß zumindest ein Teil des flüssigen Kältemittels im Verdampfer verdampft und nicht nur nichts zum Abtauen beiträgt, sondern im Gegenteil dem Verdampfer Verdampfungskälte zuführt. Umgekehrt findet ein Kondensieren von dampfförmigem Kältemittel nicht oder nur in geringem Maß statt, so daß auf den Verdampfer im wesentlichen nur fühlbare Wärme übertragen wird. Bei dem vorbekannten Verfahren dauert das Abtauen demzufolge sehr lange oder ist überhaupt in Frage gestellt.

Der vorliegenden- Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei dem ein vollständiges Abtauen des Verdampfers gewährleistet ist und eine kurze Abtauzeit eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das

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gesamte Kältemittel über die Beipassleitung geführt wird und die Querschnitte der Beipassleitung sowie der Dampfrückführungsleitung nach Größe und Verhätnis so aufeinander abgestimmt werden, daß das Kältemittel im Verdampfer einen Sättigungsdruck erreicht, bei dem der Dampf mindestens teilweise kondensiert.

Es 1st ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß der Kältemitteldampf im Verdampfer nahezu vollkommen gesättigt ist. ¹^ Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht dadurch die volle Nutzung der im Dampf gespeicherten Uberhitzungs- und Kondensationswärme, die wesentlich größer als die fühlbare Wärme des Dampfes ist.

Mit dem Erfindungsgegenstand wird der Vorteil erreicht, daß die Re ifschicht auf den Kühlflächen des Verdampfers sehr : schnell abtaut. Da eine große Wärmemenge zur Verfugung steht; wird die vorhandene Reifschicht vollkommen abgetaut, so daß selbst bei ungünstigen Witterungsbedingungen der Verdampfer nur einmal täglich abgetaut werden muß.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird im Verdampfer eine Temperatur zwischen 3> und 1O°C eingestellt.
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Es ist von Vorteil, wenn im Verdampfer ein Druck zwischen dem im Verflüssiger und dem im Absorber herrschenden Druck eingestellt wird.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes die Querschnitte in der Beipassleitung und in der Dampfrückführungsleitung über Magnetventile veränderbar sind, die ihrerseits von einer zentralen Regeleinheit gesteuert werden..

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In der Regeleinheit werden Gebersignale, die beispielsweise von Temperaturfühlern für die Außen-Lufttemperatur und die Wärmeträger-Vorlauftemperatur, sowie von einer Zeitschaltuhr geliefert werden, in Schaltimpulse umgewandelt. Mit den Schaltimpulsen wird die Betriebsweise der Absorptionswärmepumpe den äußeren Gegebenheiten angepaßt. Insbesondere werden durch die Regeleinheit die Magnetventile gesteuert, die den Abtauvorgang des Verdampfers regeln.

Es erweist sich als günstig, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes das Abtauen zu fest vorgegebenen Zeiten durchgeführt wird.

Da das erfindungsgemäße Abtauverfahren in der Regel mjr noch einmal täglich durchgeführt werden muß, ist es besonders zweckmäßig, den Abtauvorgang gleichzeitig mit dem Umschalten der Heizanlage von Tag- auf Nachtbetrieb auszulösen. Hierzu wird zweckmäßigerweise dasjenige Schaltglied mitbenutzt, das die Heizanlage von Tag- auf Nachtbetrieb schaltet. Die Koppelung des Abtauzeitpunktes mit dem Umschalten von Tag- auf Nachtbetrieb hat den zweifachen Vorteil, daß das Abtauen,das zwangsläufig mit einer Verringerung der Heizleistung verbunden ist, automatisch in eine Zeit mit kleinerem Wärmebedarf fällt, und daß zum Auslösen des Vorganges keine besonderen Steuermittel erforderlich sind.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung des Erfindungsgegenstandes wird der Abtauvorgang bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur am Verdampfer beendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch anwendbar, wenn die Absorptionswärmepumpe zwar im Heizbetrieb mit Tag-/Nachtumschaltung arbeitet, infolge Verdampfungstemperaturen oberhalb des Gefrierpunktes des Wassers jedoch keine Reif- odor Eisbildung an den' Kühlflächen des Verdampfers auftritt. In

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diesem Fall schaltet der das Abtauende auslösende Temperaturschalter sofort nach Abtaubeginn auf Betriebestellung zurück. -

Eine Absorptionswärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen einen Austreiber, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Kältemittelkreislauf, sowie eine den Verflüssiger und das Expansionsventil umgehende Beipassleitung, und ist dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verflüssiger, in der Beipassleitung, sowie zwischen Verdampfer und Adsorber je ein Ventil mit veränderbarem Querschnitt angeordnet ist.

Mit Vorteil sind die Ventile als Magnetventile ausgebildet. 15

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe sind die Ventile an einer zentralen Regeleinheit angeschlossen.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ist am Verdampfer ein Temperaturfühler angeordnet.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten AusführungsbeispieIs näher erläutert.

Hiebei zeigt die Figur ein Flußdiagramm einer erfindüngsgemäßen Absorptionswärmepumpe.

Die Absorptionswärmepumpe gemäß der Erfindung enthält einen Lösungsmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf. Kältemittelreiches Lösungsmittel, z.B. Wasser mit Amoniak, wird von einer Lösungsmittelpumpe ~$ umgewälzt. Das kältemittelreiche Lösungsmittel wird in einem Wärmetauscher 4 im Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel gebracht und er-

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ρ, ~ 9 -

wärmt sich dabei. Anschließend wird es über ein Rückschlagventil in einen Rektifikator 5 geleitet, in dem eine Zerlegung des kältemittelreichen Lösungsmittel in eine kältemittelreiche Flüssigkeit, die sich im Sumpf des Rektifikators 5 sammelt, und ein im wesentlichen das Kältemittel (z.B.Ammoniak) enthaltendes Gas, das sich am Kopf des Rektifikators 5 sammelte stattfindet«

Die kältemittelreiche Flüssigkeit wird aus dem Sumpf entnommen und gelangt in einen Wärmegenerator I₀ Sie wird dort in einem Austreiber -6, der von einem Brenner 2 beheizt wird, erhitzt, wobei das leichter siedende Kältemittel aus dem Lösungsmittel ausgetrieben wird und verdampft. Das entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird in einen Abscheider 7 geleitet,, in dem eine Phasentrennung durchgeführt wird: Das Gas wird in den unteren Teil des Rektifikators 5 eingeleitet, während das verbleibende kältemittelarme Lösungsmittel (Wasser) im Wärmetauscher 4 gegen kältemittelreiches Lösungsmittel abgekühlt, dann abgedrosselt, und in einen Absorber 8 eingesprüht wird,,

Vom Kopf des Rektifikators 5 wird gasförmiges Kältemittel entnommen und über eine mit einem Magnetventil 22 verschließbare Leitung einem Verflüssiger 10 zugeführt, in dem das Kältemittel verflüssigt wird. Das Kältemittel wird dann in einem Expansionsventil 19 auf Verdampfungsdruck entspannt, über einen Kältemittelverteiler 29 einem nachfolgenden Verdampfer 11 zugeführt und dort durch Zuführung von Wärme aus der Umgebungsluft verdampft. Die Luft wird von einem Ventilator l8 angesaugt.

Das gasförmige Kältemittel wird anschließend dem Absorber B zugeführt und dort durch das Lösungsmittel absorbiert. Das im Sumpf des Absorbers 8 gebildete kältemittelreiche Lösungsmittel verläßt den Absorber 8 und wird der Lösungsmittelpumpe

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j5 zugeführt.

Der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe beginnt am Kopf des Rektifikators 5 und führt über Verflüssiger 10, Nachkühler 26 und Verdampfer 11 zum Absorber 8.

Die in Figur dargestellte Heizanlage umfaßt ferner einen Wärmeträgerkreislauf, in dem ein Wärmeträger, z.B. Wasser, über eine Umwälzpumpe 12 einer Verbrauchergruppe 13, beispielsweise mehreren Raumheizkörpern, zugeführt wird. Der Wärmeträger gibt in der Verbrauchergruppe Wärme ab. Er gelang anschließend in Rohrschlangen Ik im Verflüssiger 10. Dort wird der Wärmeträger erwärmt und dann weiter in Rohrschlangen 15 im Absorber 8 geführt, wo er sich durch Aufnähme der Absorptionswärme weiter erwärmt. Nachfolgend gelangt der Wärmeträger in einen RUcklaufkUhler 9 im Kopf des Rektifikators und in einen Wärmetauscher 16, der im Rauch-" gasstrom des Wärmegenerators 1 angeordnet ist, wobei er sich jeweils weiter erwärmt, bevor er der Umwälzpumpe 12 wieder zugeführt wird.

Eine mit einem Magnetventil 2J verschließbare Beipassleitung 30 führt vom Kopf des Rektifikators 5 am Verflüssiger 10, Nachkühler 26 und Expansionsventil 19 vorbei zum Eingang des Verdampfers 11.

Eine zentrale Regeleinheit 17 empfängt beispielsweise von in der Figur nicht dargestellten Temperaturfühlern für Außen-Lufttemperatur und Wärmeträger-Vorlauftemperatur Signale, die durch Pfeil 27 symbolisiert sind. Die Regeleinheit 17 enthält ein Schaltglied, das beim täglichen Heizbetrieb zu einem vorwählbaren Zeitpunkt die Umschaltung der Absorptionswärmepumpe von normalem oder verstärktem Wärmebedarf auf verminderten Wärmebedarf ermöglicht.

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In Abhängigkeit von den empfangenen Signalen 27 und der Stellung des Schaltgliedes werden in der Regeleinhejt 17 Schalt impulse erzeugt, mit denen der Betrieb der Wärmepumpe den äußeren Gegebenheiten angepaßt wird. Die Schalt-

^δ impulse sind durch ΡΓβ,ΐΊ 28 symbolisiert.

Mit den Schaltimpulsen 2°> werden die das erfindungsgemäße Abtauverfahren steuernden Magnetventile 22, 23, 24· sowie beispielsweise die Leistung des Brenners 2 und/oder der Lösungsmittelpumpe 3 gesteuert»

Pfeil 25 symbolisiert die Energiezuführung zur Regeleinheit 17«

Beim Betrieb der Absorptionswärmepumpe herrschen an den Rohrschlangen und den Lamellen des Verdampfers 11 Temperaturen, die niedriger als die Außen-Lufttemperatur sind. Unterschreitet die Außen-Lufttemperatur einen bestimmten Wert, so setzt sich der in der Luft enthaltene Wasserdampf als Reif auf den Kühlerflächen des Verdampfers 11 ab. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in periodischen Zeltabständen die Wärmepumpe auf Abtaubetrieb umgeschaltet und der Verdampfer 11 enteist.

Während des Wärmepumpbetriebs ist das Ventil 23 geschlossen, die Ventile 22 und 24 sind geöffnet. >

Der Abtauvorgang wird gleichzeitig mit dem Umschalten der Wärmepumpe vom Tag- auf Nachtbetrieb eingeleitet. Dies bietet den Vorteil, daß zum Umschalten das ohnehin vorhandene Schaltglied für die Tag- Nachtumschaltung verwendet werden kann. Außerdem ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß das Absinken der Heizleistung der Wärmepumpe, das mit dem Abtauvorgang verbunden ist, auf einen Zeitpunkt fällt, zu dem die Heizleistung der Absorptionswärmepumpe ohnehin reduziert

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wird. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, daß der Beginn des Abtauvorgangs unabhängig vom Umschalten auf Nachtbetrieb festgelegt wird.

Wenn der Abtauvorgang ausgelöst wird, wird zunächst der Ventilator 18 des Verdampfers 11 ausgeschaltet und gleichzeitig das Magnetventil 23 geöffnet, sowie das Magnetventil 24 geschlossen. Magnetventil 23 öffnet den Querschnitt D, in der BeipassIeitung 30, Magnetventil 24 läßt einen Querschnitt Dp in der vom Verdampfer 11 zum Absorber B führenden Dampfrückführungsleitung offen. Die Querschnitte D, und Dp werden so aufeinander abgestimmt, daß im Verdampfer 11 ein Sättigungsdruck im Temperaturbereich zwischen 3 und 10° C erreicht wird. Dabei wird die Bedingung eingehalten, daß

der Druck im Verdampfer 11 kleiner als der im Verflüssiger 10 und größer als der im Absorber 8 herrschende Druck ist.

über den Querschnitt D, strömt erhitzter Kältemitteldampf in die Kältemittelquerschnitte des Verdampfers 11 und kon-

densiert dort unter Abgabe der Überhitzung- und Kondensationswärme. Das sich bildende Kondensat wird über den Querschnitt D₂ des Magnetventils 24 abgedrosselt und in den Absorber 8 eingespritzt. Das dabei verdampfende Kältemittel

wird vom kältemittelarmen Lösungsmittel absorbiert. 25

Das thermostat is ehe Expansionsventil 19 schließt bei diesem Vorgang automatisch, sobald die Überhitzung am Temperaturfühler 2 0 gegen die dem Druck in der AusgleichsIeitung 21 zugeordnete Sättigungstemperatur hinreichend, klein ist.

Der Abtauvorgang wird beendet, wenn ein innerhalb des Lamellensystems des Verdampfers 11 luftseitig an repräsentativer Stelle angeordneter Temperaturschalter eine Tempera- ' tür erreicht, die größer als etwa 5 bis 8° C ist. Der Temperatursehalter, der in der Figur nicht dargestellt ist.

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setzt über die zentrale Regeleinheit 17 zunächst den Ventilator 18 in Betrieb und schließt dann mit einer Verzögerung von maximal J>0 Sekunden das Magnetventil 2j5 bei gleichzeitiger Öffnung von Ventil 2k „
5

Während des Abtauens wird die übertragung von Wärme auf den Wärmeträger im Verflüssiger 10 und im Absorber 8 um den zum Abschmelzen des Reifs und zum Erwärmen des Verdampfers 11 erforderlichen Betrag reduziert. Die Heizfunkt ion der Absorptionswärmepumpe wird jedoch, wenn auch mit etwasverminderter Leistung, fortgesetzt, weil neben der Restleistung von Verflüssiger 10 und Absorber 8 die volle übertragung sleistung zweier weiterer Wärmetauscher, nämlich die des Rücklaufkühlers 9 und des im Rauchgasstrom des Wärmegenerators 1 angeordneten Wärmetauschers 16, für den Wärmeträger verfügbar ist.

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Claims

S 412 S 80/26

FaTTz
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Patentansprüche

Verfahren zum Abtauen des Verdampfers einer Absorptionswärmepumpe, in der Kältemittel aus einem Lösungsmittel ausgetrieben, in Wärmetausch mit einem Wärmeträger verflüssigt, in einem Expansions ventil entspannt, in einem Verdampfer verdampft, über eine Dampfrückführungsleitung einem Absorber zugeleitet und dort von dem Lösungsmittel wieder absorbiert wird, bei welchem Verfahren der Wärmetausch des Kältemittels mit dem Wärmeträger unterbunden und mindestens ein Teil des Kältemittels über eine Beipassleitung am Expansionsventil vorbei in den Verdämpfer geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Kältemittel über die BeipassIeitung (j50) geführt wird und die Querschnitte der Beipassleitung (30) sowie der DampfrückführungsIeitung nach Größe und Verhältnis so aufeinander abgestimmt werden, daß das Kältemittel im Verdampfer einen Sättigungsdruck erreicht, bei dem der Dampf mindestens teilweise kondensiert.

2„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (11) eine Temperatur zwischen 3 und 10⁰C eingeteilt wird;

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3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (11) ein Druck kleiner als der im Verflüssiger (10) und größer als der im Absorber (8) herrschende Druck eingestellt wird. :

4· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte in de^r Beipassleitung (30) und in der DampfrückführungsIeitung über Magnetventile (23, 24) veränderbar sind, die ihrerseits von einer zentralen Regeleinheit (17) gesteuert werden.

5. Verfahren nach einem der. Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,' daß das Abtauen zu fest vorgegebenen Zelten durchgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Abtauvorgang durch ein Schaltglied ausgelöst wird, welches gleichzeitig das Umschalten der Absorptionswärmepumpe von Tag- auf Nachtbetrieb steuert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtauvorgang bei Überschreitung einer vorgegebenen Temperatur am Verdampfer (11) beendet wird.

8. Absorptionswärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7* mit einem einen Austreiber,einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Kältemittelkreislauf sowie mit einer den Verflüssiger und das Expansionsventil umgehenden Beipassleitung, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verflüssiger (10), in der Beipassleitung (30) und zwischen Verdampfer (11) und Absorber (8) je ein Ventil mit veränderbarem Querschnitt angeordnet ist.

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¹ 9« Absorptionswärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile als Magnetventile (23* 24) ausgebildet sind.

⁵ 10,Absorptionswärmepumpe nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Ventile an einer zentralen Regeleinheit (17) angeschlossen sind«

11„Absorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ¹⁰ dadurch gekennzeichnet, daß am Verdampfer (11) ein Temperaturfühler angeordnet ist.

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