DE3016532C2 - Absorptionswärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Absorptionswärmepumpe mit einem einen Austreiber, einen Rektifikator, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Kältemittelkreislauf, wobei zum Abtauen des Verdampfers über eine Bypass-Leitung am Expansionsventil vorbei und über ein Druckminderventil Kältemittel direkt vom Rektifikator in den Verdampfer geführt werden kann.

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 niedriger ist als die Lufttemperatur, setzt sich in solchen Fällen der in der Luft enthaltene Wasserdampf als Reif auf den Kühlerflächen des Verdampfers ab. Mit wachsender Schichtdicke 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 älteren Vorschlag (DE-OS 28 54 055) kann zum Abtauen der Eisablagerungen auf dem Verdampfer über eine mit einem Druckminderventil ausgestattete Bypass-Leitung angetriebenes Kältemittel am Expansionsventil vorbei direkt vom Rektifikator in den Verdampfer geführt werden. Über die Bypass-Leitung wird so lange Ammoniakdampf in den Verdampfer eingeleitet, bis alle Eisablagerungen beseitigt sind.

Eine ähnliche Ausführung zeigt die DE-OS 27 36 434. Das bekannte Verfahren, nämlich den Kondensator funktionslos zu machen und eine Kondensation des Kältemittels im Verdampfer stattfinden zu lassen, soll dabei in ein Verfahren abgewandelt werden, bei welchem während des Abtauens die Energielieferung an den Verbraucher aufrecht erhalten wird. Der Wärmeträger wird 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 Bypass-Ventil zugeführt wird.

Den genannten Schriften ist zu entnehmen, daß man sowohl Magnetventile als auch die Betriebsweise steuernde Regeleinheiten bei Absorptionswärmepumpen einsetzt. Nachteilig bei den erwähnten 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 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, eine Absorptionswärmepumpe anzugeben, bei der ein vollständiges Abtauen des Verdampfers gewährleistet ist und eine kurze Abtauzeit eingehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen kennzeichnenden Merkmale gelöst. Der Kältemitteldampf im Verdampfer kann auf diese Weise nahezu vollkommen gesättigt eingestellt werden. Es ist dadurch möglich, die im Dampf gespeicherten Überhitzungs- und Kondensationswärme, die wesentlich größer als die fühlbare Wärme des Dampfers ist, voll zu nutzen.

Mit dem Erfindungsgegenstand wird der Vorteil erreicht, daß die Reifschicht 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 l:rfindungsgegenstandes wird im Verdampfer eine Temperatur zwischen 3 und 10"C über den üblicherweise am Verdampfer angeordneten Temperaturfühler eingestellt.

Es ist von Vorteil, wenn im Verdampfer ein Druck zwischen dem im Verflüssiger und dem im Absorber

herrschenden Druck eingestellt wird.

Die Querschnitte in der Bypass-Leitung und in der Dampfrückführungsieitung werden vorteilhaft über an sich bekannte Magnetventile verändert und von der zentralen Regeleinheit gesteuert.

Da bei einer Absorptionswärmepumpe gemäß der Erfindung in der Regel der Verdampfer nur noch einmal täglich abgetaut 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 c'.es 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- oder Eisbildung an den Kühlflächen des Verdampfers auftritt. In diesem Fall schaltet der das Abtauende auslösende Temperatürschalter sofort nach Abtaubeginn auf Betriebsstellungzurück.

Die Erfindung wird anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Flußdiagramm einer erfindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe.

Die Absorptionswärmepumpe gemäß der Erfindung enthält einen Lösungsmittelkreislauf und einen Kältemittelkreislauf. Kältemittelreiches Lösungsmittel, z. B. Wasser mit Ammoniak, wird von einer Lösungsmittelpumpe 3 umgewälzt. Das kältemittelreiche Lösungsmittel wird in einem Wärmetauscher 4 im Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel gebracht und erwärmt 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 (/.. B. Ammoniak) enthaltendes Gas, das sich am Kopf des Rektifikators 5 sammelt, stattfindet.

Die kältemittelreiche Flüssigkeit wird aus dem Sumpf entnommen und gelangt in einen Wärmegenerator 1. Sie wird dort in einem Austreiber 6, der vor. 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 18 angesaugt.

Das gasförmige Kältemittel wird anschließend dem Absorber 8 zugeführt und dort das Lösungsmittel absorbiert. Das im Sumpf des Absorbers 8 gebildete kältemittelreiche Lösungsmittel verläßt den Absorber 8 und wird der Lösungsmittelpumpe 3 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 gelangt anschließend in Rohrschlangen 14 im Verflüssiger 10. Dort wird der Wärmeträger erwärmt und dann weiter in Rohrschlangen 15 im Absorber 8 geführt, wo er sich durch Aufnahme der Absorptionswärme weiter erwärmt. Nachfolgend gelangt der Wärmeträger in einen Rücklaufkühler 9 im Kopf des Rektifikators und in einen Wärmetauscher 16, der im Rauchgasstrom des Wärmegenerators 1 angeordnet ist, wobei er sich jeweils weiter erwärmt, bevor er der Umwälzpumpe 12 wieder zugeführt wird.

Eine mit einem Magnetventil 23 verschließbare Bypassleitung 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.

In Abhängigkeit von den empfangenen Signalen 27 und der Stellung des Schaltgliedes werden in der Regsleinheit 17 Schaltimpulse erzeugt, mit denen der Betrieb der Wärmepumpe den äußeren Gegebenheiten angepaßt wird. Die Schaltimpulse sind durch Pfeil 28 symbolisert.

Mit den Schaltimpulsen 21 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 Zeitabständen 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 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 Bypassleitung 30, Maonptygnti] 24 läßt einen Querschnitt Z?~ in der \""*m V^ör- *^e dämpfer 11 zum Absorber 8 führenden Dampfrückführungsleitung offen. Die Querschnitte D\ und Eh werden so aufeinander abgestimmt, daß im Verdampfer 11 ein Sättigungsdruck im Temperaturbereich zwischen 3 und 1O⁰C 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 kondensiert dort unter Abgabe der Überhitzungs- und Kondensationswärme. Das sich bildende Kondensat wird über den Querschnitt Lh des Magnetventils 24 abgedrosselt und in den Absorber 8 eingespritzt. Das dabei verdampfende Kältemittel wird vom kältemittelarmen Lösungsmittel absorbiert.

Das thermostatische Expansionsventil 19 schließt bei diesem Vorgang automatisch, sobald die Überhitzung am Temperaturfühler 20 gegen die dem Druck in der Ausgleichsleitung 21 zugeordnete Sättigungstemperatür hinreichend klein ist.

Der Abtauvorgang wird beendet, wenn ein innerhalb des Lamellensystems des Verdampfers 11 luftseitig an repräsentativer Stelle angeordneter Temperaturschalter eine Temperatur erreicht, die größer als etwa 5 bis 8⁰C ist. Der Temperaturschalter, der in der Figur nicht dargestellt ist, setzt über die zentrale Regeleinheit 17 zunächst den Ventilator 18 in Betrieb und schließt dann mit einer Verzögerung von maximal 30 Sekunden das Magnetventil 23 bei gleichzeitiger öffnung von Ventil 24.

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 Heizfunktion der Absorptionswärmepumpe wird jedoch, wenn auch mit etwas verminderter Leistung, fortgesetzt, weil neben der Restleistung von Verflüssiger 10 und Absorber 8 die volle Übertragungsleistung zweier weiterer Wärmetauscher, nämlich die des Rücklaufkühlers 9 und des im Rauchgasstrom des Wärmegenerators 1 angeordneten Wärmetauschers 16, für den Wärmeträger verfügbar ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   !.Absorptionswärmepumpe mit einem einen Austreiber, einen Rektifikator, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Kältemittelkreislauf, wobei zum Abtauen des Verdampfers über eine Bypass-Leitung am Expansionsventil vorbei und über ein Druckminderventil Kältemittel direkt vom Rektifikator in den Verdampfer geführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl in der Bypass-Leitung ((30) als auch zwischen Verdampfer (11) und Absorber (8) je ein Ventil (23,24) mit veränderbarem Querschnitt angeordnet ist, deren Querschnittsgröße und Querschnittsverhältnis während des Abtauvorganges so aufeinander abgestimmt werden, daß das Kältemittel im Verdampfer einen Sättigungsdruck erreicht, bei dem der Dampf mindestens teilweise kondensiert.
2. 2. Absorptionswärmepumpe nach Anspruch 1, mit einem am Verdampfer angeordneten Temperaturfühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler eine Temperatur zwischen 3 und 10⁰C im Verdampfer einstellt.
3. 3. Absorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, mit von einer Regeleinheit steuerbaren Magnetventilen, dadurch gekennzeichnet, daß von einer zentralen Regeleinheit (17) gesteuerte Magnetventile die Querschnitte in der Bypass-Leitung (30) und der Dampfrückführungsleitung ändern.
4. 4. Absorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die den Abtauvorgang bestimmenden Magnetventile (23, 24) von dem das Umschalten von Tag- auf Nachtbetrieb auslösenden Schaltglied gesteuert werden.
5. 5. Absorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Abtauvorgang bestimmenden Magnerventile (23, 24) bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur am Verdampfer (11) auf Beendigung des Abtauvorganges umgeschaltet werden.