DE3044580C2 - Wärmepumpe und Verfahren zu ihrem Betrieb - Google Patents

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Speichereinrichtung (2) als Speichermedium ein zur Absorption des Kältemittels (A₂) dienendes Absorptionsmittel (A\) enthält,

b) der erste Kältemittelleitungsweg (3) von der Speichereinrichtung (2) zu dem Sammelbehälter (4) führt, wobei der Kondensator (6) in Wärmeaustauschverbindung mit dem Absorptionsmittel (A\) in der Speichereinrichtung (2) steht und somit die Kondensationswärme des durch den Kondensator (6) geführten Kältemittels (Ai) zum Austreiben des Kältemittels (A₂) aus dem Absorptionsmittel (A\) vorgesehen ist, sowie

c) der zweite Kältemittelleitungsweg (7) von dem Sammelbehälter (4) zu der Speichereinrichtung (2) führt.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Speichereinrichtung jeweils mindestens eine Vorratskammer (13,14) zur Aufnahme kältemittelreichen und kältemittelarmen Absorptionsmittels (Au Ai) sowie einen Kältemittelaustreiber (17) und einen Kältemittelabsorber (18) umfaßt,

b) daß jede Vorratskamer (13,14) mit dem Kältemittelaustreiber (17) und dem Kältemittelabsorber (18) über entsprechende Verbindungsleitungen (19,22 bzw. 20,21) verbunden ist,

c) daß in dem Kältemittelaustreiber (17) der Kondensator (6) angeordnet ist, welcher an seiner Zulaufseite über den Verdichter (5) an den KaI-temittelaustreiber (17) und an seiner Ablaufseite an den Sammelbehälter (4) angeschlossen ist und

d) daß in dem Kältemittelabsorber (18) die Mittel (10) zur Wärmeabgabe angeordnet sind.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorratskammern (13, 14) in einem einzigen Speichergefäß (12J durch eine beweglich ansaphilHptt» Trennu/anjJ /jc\ zescnciriSnder abgegrenzt sind.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verbindungsleitungen (22, 21) zwischen den Vorratskammern (13, 14) und dem Kältemittelabsorber (18) und/oder in den Verbindungsleitungen (19, 20) zwischen den Vorratskammern (13, 14) und dem Kältemittclausireiber (17) jeweils ein Wärmetauscher (24) vorgesehen ist.

5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit den Mitteln

(10) zur Wärmeabgabe versehene Kältemittelabsorber und der mit dem Kondensator (6) versehene Kältemittelaustreiber zu einer gemeinsamen Baueinheit (26) zusammengeaßt sind (F i g. 4).

6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (5) innerhalb des Kältemittelaustreibers angeordnet ist

7. Verfahren zum Betrieb der Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme des Verdichters (5) und/oder seiner Antriebsmaschine dem Absorptionsmittel (A\) zum Austreiben des Kältemittels (A₂) zugeführt wird.

8. Verfahren nac± Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel (A₂, A₃) durch die beiden Kältemittelleitungswege (3,7) zu verschiedenen Zeitabschnitten gefördert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel (A₂) durch den ersten Kältemittelleitungsweg (3) während Niederlastzeiten des Stromversorgungsnetzes gefördert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe

«) mit einem Sammelbehälter für ein Kältemittel,

ß) mit einem an den Sammelbehälter angeschlossenen ersten Kältemittelleitungsweg, der einen Verdichter und einen Kondensator aufweist,

y) mit einem an den Sammelbehälter angeschlossenen zweiten Kältemittelleitungsweg, der ein Drosselorgan und einen Verdampfer aufweist,

(S) mit einer ein Speichermedium enthaltenden Speichereinrichtung sowie

ε) mit Mitteln zur Wärmeabgabe an einen Heizkreislauf, die in der Speichereinrichtung angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb dieser Wärmepumpe. Eine entsprechende Wärmepumpe ist dem DE-GM 76 03 616 zu entnehmen.

Bei bekannten Kompressionswärmepumpen (vgl. z. B. die Zeitschrift »electrical Times«, 25. Jan. 1980, Scite 16) wird in einem Verdampfer ein flüssiges Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur verdampft. Das erhaltene Gas wird dann mittels eines Verdichters auf einen höheren Druck komprimiert. In diesem Zustand wird es durch einen Kondensator geführt, in dem es zu Flüssigkeit wieder kondensiert. Dadurch wird Wärme, und zwar bei einer höheren Temperatur, frei. Die kondensierte warme Flüssigkeit wird anschließend durch ein Drosselorgan geleitet, dehnt sich aus und kehrt zu der ursprünglichen niedrigen Temperatur und dem niedrigen Druck zurück. Danach ist sie wieder zum Verdampfen bereit, und dieser Kreislauf kann SiCn Vvicuci iiuien.

Auch die aus der genannten DE-GM bekannte Wärmepumpe ist vom Typ her den Kompressionswärmcpumpen zuzuordnen. Sie weist einen Kreislauf für ein Kältemittel auf, der unter anderem einen Sammelbehälter enthält. Dabei ist der zu diesem Sammelbehälter führende, einen Verdichter und einen Kondenstor i:ni-

hallende Teil des Kältemittelkreislaufes als ein erster Kältcmittelleitungsweg anzusehen, während der von dem Summelbehälter wegführende Teil des Kältemittelkreislaufes, der ein Drosselorgan und einen Verdampfer aufweist, als ein zweiter Kältemittelleitungsweg betrachtet werden kann. Dieser Kältemittelkreislauf ist von einem besonderen Speichermediurn einer entsprechenden Speichereinrichtung umgeben. Schließlich sind noch Mittel zur Wärmeabgabe an einen Heizkreislauf innerhalb dieser Speichereinrichtung angeordnet Sei dieser Wärmepumpe dient das besondere Speichermedium in bekannter Weise als Wärmespeicher.

Auch bei Absorptionswärmepumpen wird die Aufnahme von Wärme durch Verdampfung bei einer tieferen Temperatur und die Wärmeabgabe durch Kondensation bei einer höheren Temperatur erreicht Die Verbindung zwischen dem Verflüssigerdruck und dem Verdampferdruck ist wie bei der Kompressionswärmepumpe durch ein Drosselorgan gegeben. Der Verdichtungsvorgang geschieht jedoch bei diesem Wärmepumpentyp durch ein thermodynamisches System ohne mechanischen Verdichter. Im Vergleich zu der Kompressionswärmepumpe ist bei der Absorptionswärmepumpe der Verdichter durch einen Lösungskreislauf ersetzt In diesem Lösungskreislauf wird bei einem niedrigeren Druck das Kältemittel absorbiert, bei einem höheren Druck durch Wärmezufuhr in einem Kältemittelaustreiber vom Absorptionsmittel wieder getrennt und dem Kondensator zugeführt. Im Lösungskreislauf befindet sich als einzige mechanisch betriebene Einheit eine Lösungspumpe. Die Energiezufuhr zum System geschieht verwiegend durch die Wärmezufuhr im Austreiber bei einer Temperatur, die oberhalb der Verflüssigungstemperalur des Kältemittels liegt. Auf diese Weise wird dem System Energie vorwiegend als Wärme zugeführt und nicht Energie in Form von Arbeit.

Der Antriebsteil der Absorptionswärmepumpe besteht also aus einem Absorber, einer Lösungsumwälzpumpe, einem Austreiber und einem Drosselorgan. Das vom Verdampfer kommende Kältemittel wird im Absorber bei Wärmeabgabe von dem Absorptionsmittel aufgenommen. In der Mischung ist der Verdampferdruck zum Teildruck geworden. Die mit dem Kältemittel angereicherte Lösung wird nun über die Lösungspumpe auf den Druck im Austreiber gebracht. Dort wird durch Wärmezufuhr ein Teil des Kältemittels aus der Lösung ausgetrieben und dem Verflüssiger zugeführt. Die nun wieder an Kältemittel ärmere Lösung wird durch ein Drosselorgan auf den Druck im Absorber entspannt und kann dort von neuem Kältemittel aufnehmen. Nach diesen Prinzipien arbeitende Absorptionswärmepumpen sind z. B. den DE-Zeitschriften »Elektrowärme International«, Edition A, Jahrgang 35, Heft Al, Januar 1977, Seiten A34 und A35 oder »Gesundheits-Ingenieur«, 76, Jahrgang 1955, Heft 9/10, Seiten 129 bis 136 sowie dem DE-Buch von R. Plank: »Handbuch der Kältetechnik«, 7. Bd. (Sorptions-Kältemaschinen), 1959, Seiten 93 bis 97 und 507 zu entnehmen.

Den bekannten Vorteilen elektrischer Wärmepumpenheizungen steht aus der Sicht der Vorsorgungsunternehmen als Nachteil gegenüber, daß die Belastung des Versorgungsnetzes praktisch den gleichen Verlauf hat wie bei elektrischer Direktheizung, also die höchsten Belastungen an den kältesten Tagen am Tage erfolgen.

Eine Möglichkeit, diesen Nachteil zu verringern, bieten bivalente Anlagen, d. h. die Wärmepumpe wird nur für einen Teil, beispielsweise nur für die Hälfte der maximal erforderlichen Heizleistung ausgelegt An den wenigen sehr kalten Tagen, wenn eine große Heizleistung erforderlich ist liefert dann eine andere Heizung, z. B. eine Ölheizung, den fehlenden Teil der Heizleistung.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Wärmepumpe auch oder ausschließlich nachts zu betreiben und die Heizwärme wie bei der elektrischen Speicherheizung bis zum Bedarf am Tage in einem Wärmespeicher zu speichern (vgl. Zeitschrift »Elektrowärme International«, Edition A, Jahrgang 34, Heft A2, März 1976, Seiten A76 bis A79). Von dieser Möglichkeit wird praktisch noch kein Gebrauch gemacht, weil bisher keine geeigneten Speicher verfügbar sind. Speicher, die die fühlbare Wärme einer Substanz ausnützen, müssen nämlich bis zu möglichst hohen Temperaturen aufgeheizt werden, um das Volumen in Grenzen zu halten. Dies ist aber mit einer Wärmepumpe nur sehr begrenzt möglich. Abhilfe ist erst von Latentwärmespeichern zu erwarten, die die Wärme bei nahezu konstanter Temperatur aufnehmen und wieder abgeben können, wobei verhäitnismäßig geringe Speichervolumina von beispielsweise 1 m³ Glaubersalz für 100 kWh Wärmekapazität erforderlich sind.

Die Kombination von Kompressionswärmepumpe plus Latentwärmespeicher könnte mit verfügbarem Nachtstrom einen wesentlichen Beitrag zur Substitution von Heizöl leisten. Allerdings treten bei diesem System einige prinzipielle Probleme auf:

1. Die von der Wärmepumpe erzeugte Heizwäre muß nacheinander zweimal oder sogar dreimal übertragen werden, je nachdem, ob der Kondensator direkt mit dem Speichermedium oder mit Wasser des Heizkreislaufs gekühlt wird. Hierfür sind entsprechende Temperaturdifferenzen erforderlich; die Wärmepumpe muß also bei höherer Kondensationstemperatur, folglich mit geringerer Leistungszahl arbeiten als bei direkter Heizung ohne Spei- eher. Dies führt zu einem Mehraufwand an Antriebsarbeit.

2. Warmwasser-Heizkreisläufe benötigen die Wärme in einem durch Rücklauf- und Vorlauftemperatur festgelegten Temperaturbereich. Kompressionswärmepumpen und Latentspeicher geben hingegen ihre Wärme bei nahezu konstanter Temperatur ab, die deshalb oberhalb der Vorlauftemperatur gewählt werden muß. So benötigt eine reversible Maschine, die gemäß einem Carnot-Prozeß beispielsweise Wärme bei O⁰C aufnimmt und bei konstant 50⁰C abgibt, über 20% mehr Antriebsarbeit als eine solche Maschine, die die Wärme im Temperaturbereich zwischen 30 und 50⁰C gemäß einem Lorenz-Prozeß reversibel abgibt.

3. In Kombination mit einem Wärmespeicher wird die Wärmepumpe nachts betrieben; d. h. auch die Umgebungswärme wird nachts aufgenommen. Die Wärmeaufnahme erfolgt somit bei tieferer Temperatur als am Tage, so daß ein entsprechender Mehraufwand an Antriebsarbeit erforderlich wird.

Diese Probleme sind prinzipieller Natur und lassen sich nicht durch Verbesserung oder Weiterentwicklung der Komponenten des Systems beheben. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Wärmepumpe der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten, daß sie mit Nachtstrom betrieben werden kann, auch wenn der Wärmebedarf vorwiegend

am Tage besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Gestaltungsmerkmalen gelöst.

Die mit dieser Gestaltung der Wärmepumpe verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit ihnen die wesentlichen Vorteile von Kompressions- und Absorptionswärmepumpe miteinander vereint sind, ohne daß ihre Schwierigkeiten in gleichem Maße auftreten. Bei der Wärmepumpe sind somit an sich bekannte Teile von Absorptionsanlagen mit einem Kältemittelverdichter vereint. Hierbei wird jedoch auf einen herkömmlichen Wärmespeicher verzichtet. Stattdessen ist bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe der Speicher völlig in die Anlage integriert und besteht aus einem Vorrat an Kältemittel und Absorptionsmittel. Damit treten die bei einer kompressionswärmepumpe mit Latentwärmespeicher erwähnten Schwierigkeiten nicht auf. Die erzeugte Heizwärme kann nämlich mit einer einmaligen Wärmeübertragung an einen Heizkreislauf abgegeben werden. Außerdem wird die Heizwärme in einem wählbaren Temperaturbereich erzeugt. Vorteilhaft wird die Umgebungswärme am Tage während des Heizens aufgenommen, während die elektrische Antriebsleistung nächst aufgenommen wird. Die Heizwärme wird also nicht nachts erzeugt und folglich auch nicht gespeichert. Gespeichert wird lediglich die Antriebsenergie der Wärmepumpe, während Wärmeaufnahme aus der Umgebung und Erzeugung der Heizwärme am Tage ohne weiteren Antrieb erfolgen.

Ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Wärmepumpe geht aus dem Unteranspruch 7 hervor.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Wärmepumpe nach der Erfindung bzw. ihres Betriebsverfahrens gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren

F i g. 1 und 2 das Arbeitsprinzip einer Wärmepumpe nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die

F i g. 3 und 4 zeigen jeweils ein Schaltschema einer entsprechenden Wärmepumpe, während aus dem Dampfdruckdiagramm der

F i g. 5 der Arbeitsprozeß einer solchen Wärmepumpe hervorgeht.

Bei der Wärmepumpe gemäß der Erfindung sind Bauteile einer Kompressionswärmepumpe und einer Absorptionswärmepumpe miteinander kombiniert Das Arbeitsprinzip dieser Wärmepumpe geht aus den F i g. 1 und 2 hervor. Da es sich bei den in diesen Figuren gezeigten Teilen um Bauteile derselben Wärmepumpe handelt, sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Gemäß Fig. 1 befindet sich bei einem Ladevorgang während Niederlastzeiten des Stromversorgungsnetzes, also insbesondere während der Nacht, in einem als Speichereinrichtung dienenden Speichergefäß 2 vom Ende der vorangegangenen Heizperiode zunächst ein aus der Absorptionsanlagentechnik bekanntes Absorptionsmittel mit einer hohen Kältemittelkonzentration. Die entsprechende kältemittelreiche Lösung ist mit A] bezeichnet. Aus ihr ausgetriebenes Kältemittel wird über einen ersten Kältemittelleitungsweg 3 einem Kältemittelsammelbehälter 4 zugeführt. Hierzu wird mit einem z. B. außerhalb des Speichergefäßes 2 befindlichen Verdichter 5 aus dem Speichergefäß 2 nahezu reiner Kältemitteldampf A₂ abgesaugt und verdichtet. Der Dampf wird dann in einem nachgeordneten Kondensator 6 verflüssigt, und das so erhaltene Kondensat A3 wird in dem Sammelbehälter 4 aufgefangen und dort gespeichert.

Der Kondensator 6 befindet sich vorteilhaft innerhalb des Speichergefäßes 2. Aufgrund der so vorhandenen Wärmeaustauschverbindung zwischen dem Kondensator und dem Absorptionsmittel wird vorteilhaft die Kondensationswärme des Kältemittels zum Austreiben des Kältemittels aus dem Absorptionsmittel verwendet. Außer der Kondensationswärme wird vorteilhaft auch die Abwärme des Verdichters in an sich bekannter, in der Figur nicht gezeigter Weise dem in dem Speichergefäß 2 befindlichen Absorptionsmittel zugeführt. Insbesondere kann hierzu der Verdichter innerhalb des Speichergefäßes angeordnet werden. Somit verdampft bei der Kondensationstemperatur des reinen Kältemittels, jedoch bei geringerem Druck, Kältemittel aus der Lösung. Diese der Lösung zugeführte Wärmemenge ist ungefähr ebenso groß wie die isotherme Ausdampfungswärme des Kältemittels aus der Lösung, so daß die Temperatur des gesamten Systems bei dem als Ladevorgang anzusehenden Prozeß nahezu unverändert bleibt.

Bei dem Ladevorgang wird also dem System nur die durch einen mit VA bezeichneten Pfeil angedeutete Verdicherarbeit einschließlich der Abwärme des Verdichers zugeführt, jedoch keine Umgebungswärme. Es wird somit im Prinzip nicht Wärme in Form von Verdampfungs- und Kondensationswärme, d. h. nicht die am Tage erforderliche Heizwärme wie bei anderen Wärmepumpentypen, sondern nur die wesentlich geringere Antriebsarbeit für die Wärmepumpe gespeichert. Diese Antriebsarbeit liegt in Form von Trennarbeit vor. Unter Trennarbeit ist dabei die Arbeit zu verstehen, welche für eine Trennung der kältemittelreichen Lösung A\ in Kältemittel und Absorptionsmittel mit einem verbleibenden Rest an Kältemittel bei etwa gleichbleibender Temperatur aufzuwenden ist

Nach dem Ladevorgang ist also das in dem Speichergefäß verbleibende Absorptionsmittel kältemittelarm.

Das System kann dann im geladenen Zustand beliebig lange verharren.

Das Heizen kann nun vorteilhaft am Tage ohne Aufwand an Arbeit gemäß F i g. 2 erfolgen, wofür das in dem Sammelbehälter 4 gespeicherte Kältemittel As über einen zweiter. Kältemittelleitungsweg 7 in das Speichergefäß 2 zurückgeleitet wird. Hierzu muß lediglich ein Drosselventil 8 geöffnet werden. Verdichter und Kondensator sind dabei nicht in Betrieb. Auf die zeichnerische Darstellung des ersten Kältemittelleitungsweges wurde deshalb in F i g. 2 verzichtet Das Kältemittel A3 aus dem Sammelbehälter 4 wird an dem Drosselventil 8 entspannt und in einem Verdampfer 9 durch Aufnahme von Umgebungswärme verdampft, wie durch einen mit UW bezeichneten Pfeil angedeutet ist. Der Dampf Aa wird bei gleichem Druck vom Absorptionsmittel der aufgrund des vorhergegangenen Ladevorganges kältemittelarmen Lösung As absorbiert Dies erfolgt bei entsprechend höherer Temperatur, und zwar in einem Temperaturbereich, der von Anfangs- und Endkonzentration der Lösung abhängt Die Absorpiionswärme wird dabei zum Heizen ausgenutzt Hierzu ist ein Wärmetauscher 10 in dem Speichergefäß 2 zur Aufgabe der durch einen mit HWbezeichneten Pfeil veranschaulichten Heizwärme an einen Heizkreislauf vorgesehen.

Die maximale Heizleistung der Wärmepumpe nach der Erfindung hängt ab von der Größe des Verdampfers und der Absorptions- und Wärmeübertraeunesfläche an

das Heizsystem. Die geforderte Heizleistung kann z. B. mil dem Drosselventil 8 gesteuert werden. Die Ladeleistung wird bestimmt durch den Verdichter 5 und den Kondensator 6. Die Speicherkapazität hängt von der Größe der Gefäße 2 und 4 für die Lösung bzw. das Kältemittel ab. Heizleistung, Ladeleistung und Speicherkapazität sind also unabhängig voneinander wählbar.

Als Arbeitsstoffpaare für das Absorptionsmittel und das Kältemittel können die aus der Absorptionsanlagentechnik bekannten Stoffpaare gewählt werden. Entsprechende Arbeitsgemische sind z. B. in der Zeitschrift »Ki Klima-Kälte-Heizung«, Jahrgang 8, Januar 1980, Heft 1, Seiten 21 bis 32 aufgeführt. Zusätzliche Forderungen sind große Speicherkapazität pro Vorratsvolumen, nicht zu geringer Ansaugdruck mit Rücksicht auf den Verdichter und nicht zu hoher Kondensationsdruck mit Rücksicht auf den Kältemittel-Sammelbehälter. Ein Stoffpaar, das diesen Forderungen Genüge leistet, ist beispielsweise Ammoniak-Wasser.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 wurde angenommen, daß ein im flüssigen Zustand befindliches Absorptionsmittel verwendet wird. Bei der nach dem anhand dieser Figuren geschilderten Prinzip arbeitenden Wärmepumpe gemäß der Erfindung können jedoch ebenso gut auch feste Absorptionsmittel eingesetzt werden. Entsprechende feste Absorptionsmittel sind beispielsweise Chlorkalzium (CaCb) für das Kältemittel Ammoniak oder Zeolith für das Kältemittel Wasser (vgl. Zeitschrift »Solar Energy«, Vol. 23 (1979), Seiten 489 bis 495).

An Stelle des Kondensator-Verdampfer-Systems kann gegebenenfalls auch ein Resorptionskreislauf vorgesehen werden, der es ermöglicht, auch die Umgebungswärme in einem vorgegebenen Temperaturbereich aufzunehmen. Hiermit ist die Überlegenheit gegenüber dem Carnot-Prozeß der reinen Kompressionswärmepumpen noch weiter zu vergrößern.

In F i g. 3 ist das Schaltschema eines Ausführungsbeispieles einer Wärmepumpe veranschaulicht, die gemäß dem anhand der F i g. 1 und 2 vorstehend erläuterten Grundprinzip arbeitet. Zur technischen Verwirklichung dieses Prinzips sind die aus der Technik der Absorptions-Kälteanlagen und Absorptions-Wärmepumpen bekannten Techniken, Komponenten und Schaltungseinrichtungen sowie die für Kompressions-Wärmepumpen geeigneten Kältemittelverdichter nahezu unverändert anwendbar. Auf eine zeichnerische Darstellung der erforderlichen Kontroll- und Regeleinheiten wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur verzichtet, zumal diese Einheiten ebenfalls allgemein bekannt sind. Mit den F i g. 1 und 2 übereinstimmende Bauteile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die in der Figur angedeutete Wärmepumpe enthält ein Speichergefäß 12 mit zwei Vorratskammern 13 und 14 zur Aufnähme eines Vorrats an einer kältemittelreichen bzw. kältemittelarmen Lösung A\ bzw. Λ5. Um mit einem einzigen Speichergefäß für die Lösung auszukommen, ist zweckmäßig das Gefäß durch eine flexible bzw. schwimmende Trennwand 15 in die beiden Kammern 13 und 14 unterteilt, wobei der Dichteunterschied zwischen kältemittelreicher und kältemittelarmer Lösung die Lage der Trennwand 15 bestimmt. Es wird so ein Vermischen der beiden Lösungen mit unterschiedlichem Anteil an Kältemittel verhindert

Der Vorgang des Austreibens und Absorbierens von Kältemitteldampf wird vorteilhaft mit einem Kältemittelaustreiber 17 bzw. einem Kältemittelabsorber 18 bekannter Bauart bewirkt. Gegebenenfalls können dem Kälteinitlclaustrcibcr 17 an sich bekannter Vorrichtungen zur Entfernung eventuell noch vorhandenen Absorptionsmittels aus dem Kältemitteldampf nachgeordnet werden.

Um von der Vorratskammer 13 des Speichergefäßes \2 kältemittelreiche Lösung A\ dem Austreiber 17 zuzuführen, ist eine erste Verbindungsleitung 19 zwischen diesen Bauteilen vorgesehen. Eine zweite Verbindungsleitung 20 führt von dem Austreiber 17 zurück zu der Vorratskammer 14 des Speichergefäßes. Über diese Verbindungsleitung wird kältemiuelarme Lösung aus dem Austreiber in das Speichergefäß zurückgeführt. Wie aus der Technik der Absorptionskälteanlagen bekannt, kann die Verbindungsleitung 19 oder die Leitung 20 im Innern des Austreibers 17 noch in Wärmekontakt mit der noch im Austreibungsprozeß befindlichen Lösung gebracht werden. Dies wird auch als Lösungsvorführung oder -rückführung bezeichnet. In F i g. 3 ist dies für die Leitung 19 angedeutet.

In entsprechender Weise ist der Absorber 18 mit dem Speichergefäß \2 verbunden. So wird über eine dritte Verbindungsleitung 21 von der Vorratskammer 14 des Speichergefäßes 12 kältemiuelarme Lösung A$ dem Absorber zugeführt, während über eine vierte Verbindungsleitung 22 kältemittelreiche Lösung aus dem Absorber in die Vorratskammer 13 des Speichergefäßes zurückgeleitet wird. Auch hier kann im Innern des Absorbers 18 eine Lösungsvorführung oder -rückführung wie bei dem Austreiber vorgesehen sein. In Fig.3 ist dies für die Leitung 21 angedeutet. Die für die Anfachung der Strömungen durch die vier Verbindungsleitungen 19 bis 22 erforderliche Pumpwirkung erfolgt beispielsweise aufgrund der Gravitation oder durch in der Figur nicht dargestellte Fördermittel, z. B. Umwälzpumpen und Ventile.

Die für die Wärmepumpe gemäß der Erfindung vorgesehene Speichereinrichtung zur Aufnahme des in dem Absorptionsmittel gelösten Kältemittels umfaßt somit gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 das Speichergefäß 12, den Austreiber 17 und den Absorber 18 sowie die vier Verbindungsleitungen 19 bis 22 zwischen diesen Bauteilen. Bei dieser Wärmepumpe wird gemäß dem Arbeitsprinzip nach F i g. 1 aus dem Kältemittelaustreiber 17 über einen Verdichter 5 Kältemitteldampf entnommen, der dann in einem Kondensator 6 verflüssigt wird. Der Kondensator ist zum Wärmeaustausch mit dem in dem Austreiber 17 befindlichen Absorptionsmittel innerhalb des Austreibers angeordnet. Das verflüssigte Kältemittel wird dann in einem dem Kondensator 6 nachgeordneten Kältemittelsammelbehälter 4 gespeichert. Dieses Kältemittel A3 aus dem Sammelbehälter wird zu einem späteren Zeitpunkt, an dem eine Wärmeabgabe erfolgen soll, gemäß dem Arbeitsprinzip nach F i g. 2 an einem Drosselventil 8 entspannt und nimmt in einem nachgeordneten Verdampfer 9 Umgebungswärme auf. Das so verdampfte Kältemittel wird anschließend in den Absorber 18 eingeleitet, wo es unter Wärmeabgabe von dem dort befindlichen Absorptionsmittel aufgenommen wird. Die Wärme wird über einen in dem Absorber befindlichen Wärmetauscher 10 in einem Heizkreislauf nach außen abgeführt.

Wie in F i g. 3 ferner angedeutet ist, kann durch Zufügen eines weiteren Wärmetauschers 24 in den Verbindungsleitungen 21 und 22 die Lösung Aj bzw. Λ5 auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau gegenüber der Absorptionstemperatur gehalten werden. In entsprechender Weise kann auch in den Verbindungslei-

tungen 19 und 20 ein Wärmetauscher angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich die Lösungen A] und As insbesondere auf Umgebungstemperatur halten, so daß dann sich eine Wärmeisolation für das Speichergefäß \2 erübrigt.

Da im Gegensatz zu bekannten Absorptionswärmepumpen bei der Wärmepumpe gemäß der Erfindung die beiden Arbeitsvorgänge des Austreibens und Absorbierens nicht gleichzeitig ablaufen, können diese Vorgänge leicht in einem einzigen Bauteil vollzogen werden. Das Schaltschema einer entsprechenden Wärmepumpe ist in F i g. 4 angedeutet. Mit F i g. 3 übereinstimmende Bauteile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Entsprechend diesem Anordnungsprinzip sind der Austreiber und der Absorber zu einer konstruktiven Einheit 26 zusammengefaßt. Zwischen dieser Absorber-Austreiber-Einheit 26 und einem Speichergefäß YZ sind somit nur zwei Verbindungsleitungen 27 und 28 erforderlich. Dabei entspricht die Verbindungsleitung 27 der ersten und vierten Verbindungsleitung 19 bzw. 22 der Wärmepumpe gemäß F i g. 3, während die zweite und dritte Verbindungsleitung 20 bzw. 21 dieser Wärmepumpe bei der Wärmepumpe nach Fig.4 zu der Verbindungsleitung 28 zusammengefaßt sind. Vorteilhaft kann darüber hinaus der Verdichter 5 in die Absorber-Austreiber-Einheit 26 integriert werden, um sicherzustellen, daß die ihm zugeführte elektrische Energie vollständig in dem System verbleibt.

Im folgenden sind die wesentlichsten Daten eines ausführungsbeispieles einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung angegeben, wobei als Kältemittel Ammoniak und als Absorptionsmittel Wasser zugrundegelegt sind. Die kennzeichnenden Zustandspunkte der Wärmepumpe sind dabei in dem in F i g. 5 wiedergegebenen Dampfdruckdiagramm für Ammoniak-Wasser-Lösungen eingetragen und mit a bis e bezeichnet. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Temperatur Tin ⁰C und ist auf der Ordinate der Dampfdruck Pm bar aufgetragen. Die in das Diagramm eingezeichneten, mit I bis IV bezeichneten Geraden sind die Dampfdruckkurven für das reine Kältemittel NH₃ (Kurve I), für das reine Lösungsmitel H₂O (Kurve II), für eine kältemittelreiche Lösung (Kurve III) und eine kältemittelarme Lösung (Kurve IV).

Als Verdampfungstemperatur ist O⁰C gewählt (Punkt d), während für die Absorptions- bzw. Heiz-Temperatur ein für bestehende Warmwasserheizungen geeigneter Bereich von 50 bis 80° C (Punkte a und c) vorgesehen sein soll. Um am Tage z. B. 100 kWh Heizwärme erzeugen zu können, sind im geladenen Zustand 905 kg, das sind 1,01m³ kältemittelarme Lösung mit 25Gew.-% NH₃ und 236 kg, das sind 0,39 m³ flüssiges Ammoniak erforderlich, die z. B vom Ende der Ladeperiode bei der Temperatur 50°C vorhanden seien (Punkte b und e).

Beim Heizen wird das flüssige Ammoniak im Drosselventil irreversibel entspannt (Punkt e nach Punkte d), im Vedampfer verdampft, wobei 68 kWh Umgebungswärme bei 0° C aufgenommen werden, und im Absorber von der Lösung absorbiert, wobei 100 kWh Absorptionswärme im Temperaturbereich 5O⁰C bis 8O⁰C frei wer- den (Punkt c nach Punkt a). Am Ende der Heizperiode sind 1140 kg, das sind 1,37 m³ kältemittelreiche Lösung mit 40,5% NH₃, wiederum bei 50°C vorhanden.

Beim Laden saugt der Verdichter zunächst aus der kältemittelreichen Lösung mit dem Dampfdruck 4,3 bar an (Punkt a). Die Verdichtungsarbeit bei zweistufiger adiabater Verdichtung auf 20,7 bar und Kondensation bei 50° C beträgt dabei 0,064 kWh/kg NH₃. Am Ende der Ladeperiode beträgt der Ansaugdruck nur noch 1,65 bar (Punkt b), und die spezifische Verdichtungsarbeit ist etwa doppelt so groß. Rechnet man mit dem arithmetischen Mittel dieser Werte, so ergibt sich die adiabate Verdichtungsarbeit für den gesamten Ladevorgang zu 22,5 kWh. Beträgt der effektive Wirkungsgrad des Verdichters einschließlich des Antriebs, bezogen auf adiabate Verdichtung, t?_v = 0,70, so sind demnach 32 kWh Antriebsenergie für den Ladevorgang erforderlich. Wird diese Energie dem System vollständig zugeführt, d. h. auch die Abwärme des Verdichters, so ist die Energiebilanz genau ausgeglichen, der Lösungs- und Kältemittelvorrat hat am Ende der Ladeperiode ohne besondere Vorkehrungen wieder den oben angenommenen Ausgangszustand.

Sind weitere Irreversibilitäten vernachlässigbar, so beträgt die Leistungszahl der Speicherwärmepumpe in diesem Fall η = 3,1, dies sind etwa 60% des für einen völlig reversiblen Lorenz-Prozeß möglichen Wertes von 5,2. In Anbetracht der hohen Absorptionstemperatur von 50 bis 80° C ist dies ein verhältnismäßig hoher Wert. Das ist eine Folge der eingangs erwähnten Kombination von Vorteilen der Absorptions- und Kompressions-Wärmepumpen: Einerseits ist es durch den Absorptionsprozeß für die Heizwärmeerzeugung mit der Speicherwärmepumpe möglich, diese im angegebenen Temperaturbereich mehr oder weniger reversibel zu erzeugen, während eine reine Kompressionswärmepumpe durch den Kondensationsprozeß auf die obere Temperatur des Bereichs ausgelegt sein müßte. Eine solche reine Kompresionswärmepumpe, die z. B. ebenfalls 60% des für einen völlig reversiblen Carnot- Prozeß möglichen Wertes von 4,4 erreicht, hätte daher nur die Leistungszahl 9k = 2,6. Andererseits ist die Verdichtung des Kältemitteldampfes mit einem mechanischen Verdichter im Vorteil gegenüber einer reinen Absorptionwärmepumpe, deren Austreiberkreislauf wegen der begrenzten Temperaturen selbst im reversiblen Fall nur eine Wärmekraftmaschine mit nur verhältnismäßig geringem Wirkungsgrad darstellt. So könnten im betrachteten Beispiel die Austreiberwärme im Temperaturbereich 110 bis 144°C zugeführt werden, und selbst eine völlig reversible Absorptionswärmepumpe würde dann nur die Leistungszahl 1,65 erreichen, so daß also ein Reversibiütätsgrad von z. B. 60% schon nicht mehr ioierierbar wäre.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:
   1. Wärmepumpe

   .*) mit einem Sammelbehälter für ein Kältemittel,

   ß) mit einem an den Sammelbehälter angeschlossenen ersten Kältemittelleitungsweg, der einen Verdichter und einen Kondensator aufweist,

   /) mit einem an den Sammelbehälter angeschlossenen zweiten Kältemittelleitungsweg, der ein Drosselorgan und einen Vedampfer aufweist,

   δ) mit einer ein Speichermedium enthaltenden Speichereinrichtung sowie

   ε) mit Mitteln zur Wärmeabgabe an einen Heizkreislauf, die in der Speichereinrichtung angeordnet sind,