DE3132461A1

DE3132461A1 - Verfahren und einrichtung zum nutzbarmachen von waermeenergie

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Publication number: DE3132461A1
Application number: DE19813132461
Authority: DE
Inventors: Georg Prof.Dr. 8000 München Alefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-08-17
Filing date: 1981-08-17
Publication date: 1983-02-24

Description

Verfahren und Einrichtung zum Nutzbarmachen

ίο

von Wärmeenergie

(Zusatz zu P 31 16 788.8)

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und .Einrichtungen zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie, welche mit mindestens einem Absorptionsprozess nach Art eines Absorptionswärmepumpenprozesses oder Wärmetransformatorprozesses und/oder mit mindestens einem Arbeits- oder Druckmaschinenprozess arbeiten. Unter einem Arbeitsoder Druckmaschinenprozess soll hier ein äußere Arbeit aufnehmender (arbeitzehrender) Prozess, wie er in einer Kompressorwärmepumpe abläuft, oder ein Arbeit nach außen abgebender (arbeitsleistender) Prozess, z.B. Clausius-Rankine-Prozess, wie er z.B. in einer Dampfturbine abläuft, verstanden werden.

In der Hauptanmeldung wird von bekannten Verfahren und Einrichtungen der oben genannten Art, die nur für spezielle Anwendungszwecke und für bestimmte Betriebsbedingungen ausgelegt und optimiert sind, ausgegangen und es wird eine Anzahl von allgemeineren Verfahren und Einrichtungen angegeben, die hinsichtlich der Anpassung an die herrschenden Bedingungen und Anforderungen wesentlich flexibler sind

und bessere Wirkungsgrade zu erreichen gestatten. 35

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in der Hauptanmeldung gegebenen Lehren zu verallgemeinern, so daß dem Entwicklungsingenieur ein Werkzeug in die

Hand gegeben wird, mit dem er für jedes Problem eine optimale Lösung finden kann.

Die in den Patentansprüchen gekennzeichnete Erfindung ermöglicht bei Kompressionswärmepumpen bzw. -kältemaschinen eine Verbesserung der Wirkungsgrade, z.B. um den Faktor 2 oder 3, und/oder es lassen sich größere Temperaturdifferenzen überbrücken. Die Wirkungsgrade und die Leistung lassen sich besser an variable Betriebsbedingungen anpas-

TO sen als es bei den bekannten Einrichtungen vergleichbarer Art möglich ist. Die vorliegenden Einrichtungen lassen sich so auslegen, daß Wär^.e auf verschiedenen Temperaturniveaus verwertet werden kann und daß man Kälte auf verschiedenen Temperaturniveaus mit einem einzigen Kompressor erzeugen kann. Ferner lassen sich die Drücke bei einem Wärmepumpenprozess bzw. arbeitsleistendem Prozess an die Betriebsdaten eines Kompressors bzw. einer Expansionsmaschine anpassen und der Arbeitsbereich solcher Maschinen in günstigere Druckintervalle gelegt werden als bei den bekannten vergleichbaren Einrichtungen. Einrichtungen gemäß der Erfindung ermöglichen auch die gleichzeitige Erzeugung von Nutzkälte und Nutzwärme oder die gleichzeitige Erzeugung von Arbeit und Nutzkälte und/ oder Nutzwärme.

Die in der Hauptanmeldung enthaltenen Definitionen und Erläuterungen hinsichtlich einer Vereinfachung der Darstellung der verschiedenen Anlagen soll auch hier gelten, soweit nichts anderes ges-agt wird.

• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips von Arbeitsprozessen ohne bzw. mit !Absorptionsmittelkreislauf;

Fig. 2 eine etwas genauere Darstellung eines (einstufigen) Druckmaschinenteiles ohne Absorptionsmittelkreislauf;

Fig. 3 eine entsprechende Darstellung eines (einstufigen) Druckmaschinenteiles mit Absorptionsmittelkreislauf;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung eines einstufigen iAbsorbermaschinenteiles;

Fig. 5a eine vereinfachte Darstellung eines vereinfachten Druckmaschinenteiles;

Fig. 5b bis 5e Ausführungsbeispiele von Einrichtungen, die aus mehreren, jeweils durch mindestens eine gemeinsame Austauscheinheit verknüpften Druckmaschinenteilen der in Fig. 5a dargestellten Art zusammengesetzt gedacht werden können;

Fig. 5f eine Einrichtung, die aus einem Absorbermaschinenteil gemäß Fig. 4 und einem Druckmaschinenteil gemäß Fig. 5a besteht;

Fig. 5g bis 5k weitere Einrichtungen, die durch Kombination von Absorbermaschinenteilen und Druckmaschinenteilen gebildet sind;

Fig. 6 Abwandlungen der Schaltung der Druckmaschinen zweier benachbarter Druckintervalle;

Fig. 7a bis 7e Abwandlungen der Einrichtung gemäß Fig. 5c;

Fig. 8a eine etwas genauere Darstellung der Einrichtung gemäß Fig. 5f zur Erläuterung der verschiedenen Typen und Betriebsarten, die bei einer einfachen Einrichtung mit Absorbermaschinenteil und Druckmaschinenteil möglich sind;

Fig. 8b eine Tabelle, in der die in den verschiedenen Temperaturbereichen möglichen Wärmeumsätze für die Einrichtung gemäß Fig. 8a dargestellt sind;

Fig. 8c eine graphische Darstellung von vier verschiedenen Typen von Einrichtungen, die mit der in Fig. 8a dargestellten Prinzipschaltung realisiert werden können;

Fig. 8d eine graphische Darstellung der für die Schaltung gemäß ' Fig. 8amöglichen Einrichtungstypen und Betriebsarten;
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Fig. 9a und 9b, Fig. 9c und 9d, Fig. 9e und 9f und Fig. 9g und 9h jeweils Darstellungen entsprechend Fig.8a bzw. 8d für weitere Einrichtungen mit einem Druckmaschinenteil und einem Absorptionsmaschinenteil;

Fig. 9i und Fig. 9k Darstellungen zweier Abwandlungen der Einrichtungen gem. Fig. 9c bzw. 9e;

Fig. 10a, 10c, 10d schematische Darstellungen zweier weiterer Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 11a, 11b und 11c Darstellungen entsprechend Fig. 8a, Fig. 8d bzw. Fig. 8b für eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Einrichtungen;

Fig. 12a, Fig. 12b und 12c Darstellungen entsprechend Fig. 11a, Fig. 11b und Fig. 11c für wieder eine andere Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 13g eine Tabelle für die Einrichtungen gem. Fig. 13a bis 13f;

Fig. 13h eine Tabelle für Fig. 13a;

Fig. 13i und k Diagramme entsprechend Fig. 8d für Fig. 13a;

Fig. 14 eine genauere Darstellung einer Heizungsanlage, die eine Einrichtung mit einer Schaltung gemäß Fig. 9a enthält.

In allen Einrichtungen gemäß der Erfindung arbeiten die Absorptionsmaschinenteile und die Druckmaschinenteile mit dem gleichen Arbeitsfluid und die Absorptionsmittelkreis-'5 laufe sowie die Druckmaschinenkreisläufe kommunizieren über Austauscheinheiten miteinander.

Wie schon in der Hauptanmeldung erläutert, erhält man für

eine vorgegebene Anordnung ("Schaltung") der Austauschen
^ζυ einheiten, Kompressoren und Absorptxonsmittelkreisläufe durch Wahl der Zirkulationsrichtungen des Arbeitsfluids in den verschiedenen Elementarkreisläufen unterschiedliche Typen von Einrichtungen· Jeder dieser Typen kann durch Variation der Arbeitsmitteldurchsätze in den verschiedenen Elementarkreisläufen in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden, dabei ist jedoch nichv ausgeschlossen, daß eine Einrichtung eines bestimmten Typs für einen Betrieb in nur einer einzigen Betriebsart ausgelegt ist. Andererseits ist auch ein Wechsel der Betriebsart durch

Änderung von Arbeitsfluiddurchsätzen möglich.

In dem Diagramm in Fig. 1 ist ebenso wie in allen anderen Diagrammen längs der Ordinate der · Logarithmus des des Druckes ρ aufgetragen. Längs der Abszisse ist der Reziprokwert 1/T der absoluten Temperatur T so aufgetragen, daß 1/T nach rechts kleiner und damit die Temperatur T selbst größer wird, wenn man längs der Abszisse nach rechts fortschreitet. Diese Art der Darstellung des ^so~ •genannten Lösungsfeldes hat den Vorteil, daß die in Fig.1 gestrichelten.Dampfdruckkurven über größere Temperatur-, _n bereiche" zu geraden Linien werden

In Fig. 1 ist schematisch ein einstufiger Druckmaschinenteil 10 dargestellt, der zwei Austauscheinheiten A und B sowie eine Druckmaschine K enthält, die durch als Striche dargestellte Arbeitsfluidleitungen verbunden sind. Die ._v Austauscheinheiten A und B sind in dem Diagramm an Stellen eingezeichnet, die den Druck- und Temperaturbereichen entsprechen, in denen diese Austauscheinheiten arbeiten. Die Druckmaschine K ist immer rechts von den Austauscheinheiten dargestellt, die Position der Darstellung hat keine Beziehung zur Druck- und Temperaturachse.

Der Druckmaschinenteil 10 ist in Fig. 2 etwas genauer dargestellt. Die Leitung, die die Austauscheinheiten A und B verbindet, enthält eine Druckänderungsvorrichtung

12. Wenn das Arbeitsfluid in Uhrzeigerrichtung zirkuliert, ist die Druckänderungsvorrichtung 12 eine Flüssigkeitspumpe oder dgl. und die Druckmaschine ist eine Arbeitsmaschine, in der das dann in der Austauscheinheit A verdampfte Arbeitsfluid unter Erzeugung mechanischer Arbeit entspannt wird. Wenn das Arbeitsfluid in Gegenuhrzeigerrichtung zirkuliert, ist die Druckänderungsvorrichtung 12 eine Drossel oder eine andere Entspannungsvorrichtung, wie eine Turbine, die Druckmaschine K ist dann ein Kompressor und der Druckmaschinenteil 10 arbeitet dann als Kompressor-Wärmepumpe oder Kompressor-Kältemaschine.

In Fig. 1 ist noch ein Druckmaschinenteil· 14 eines zweiten Typs dargestellt, der Austauscheinheiten A¹ und B¹ sowie eine Druckmaschine K enthält. Der Druckmaschinenteil· 14 unterscheidet sich, wie in Fig. 3 genauer dargestellt ς ist, dadurch, daß die Austauscheinheiten A¹ und B' durch einen Absorptionsmittelkreislauf 16 verbunden sind, in dem ein Absorptionsmittel, im allgemeinen eine Lösung, zirkuliert. Der Absorptionsmittelkreislauf 16 enthält eine Leitung 16a, die eine Pumpe 18 enthält und eine Leitung 16b, die eine Drossel 20 enthält. Im Prinzip arbeitet der Druckmaschinenteil gemäß Fig. 3 wie der gemäß Fig. 2 mit der Ausnahme, daß das Arbeitsfluid nicht in im wesentiichen reiner Form, sondern in einem JAbsorptionsmittel absorbiert von der Austauscheinheit A¹ zur Austauscheinheit B' strömt bzw. in umgekehrter Richtung gefördert wird.

Fig. 4 zeigt das Prinzip eines Absorbermaschinenteiles der vier Austauscheinheiten A", B", C", D" enthält. Die Austauscheinheiten A", C" sind durch einen Absorptionsmittelkreislauf 16 verbunden. Die Austauscheinheiten A" und B" und die Austauscheinheiten D", C" sind jeweils durch eine Arbeitsfluidleitung verbunden und die Austausdxeinheiten B", D" sind entweder durch eine Arbeitsfluidleitung 22, oder durch einen zweiten Absorptionsmittelkreislauf 16', der durch eine zusätzlich, gestrichelt gezeichnete Leitung angedeutet ist, verbunden. In der Hauptanmeldung wurde bereits erwähnt, daß man jedes Paar von Austauscheinheiten, die durch einen Absorp tionsmittelkreisiauf oder durch eine Arbeitsfluidleitung, die durch einen Absorptionsmittelkreislauf ersetzt werden könnte, gekoppelt sind, wie die Austauscheinheiten A"-C" oder B"-D", im Lösungsfeld gemeinsam längs der Temperaturachse verschoben werden können. Wenn der Absorbermaschinenteil· gemäß Fig. 4 Teil· einer Einrichtung der hier interessierenden Art ist, bei der Wärmeumsatz in den Austauscheinheiten B" und C" entgegengesetztes Vorzeichen hat und diese Austauscheinheiten im gleichen Temperaturbereich arbeiten, kann zwi-

sehen ihnen ein "innerer" Wärmeaustausch durchgeführt werden, was durch einen Wärmetauscher-Kreislauf 24 versinnbildlicht ist.

c Die anhand der Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Anlagenteile sind bekannt und in der Hauptanmeldung eingehend
erläutert. Hier wurde auf sie nochmals eingegangen, da
sie als "Elementarkreise" der vorliegenden Einrichtungen angesehen werden können und sich die Beschreibung der
•jQ vorliegenden Verfahren und Einrichtungen erheblich erleichtert, wenn man nur auf diese verschiedenen Typen
von Elementarzellen Bezug zu nehmen braucht.

In der Hauptanmeldung sind schon Kombinationen der "Elementaifcreise" 10 (Fig. 2) oder 14 (Fig. 3) mit einon Absorbermaschinenteil-Elementarkreis 26 (Fig. 4) beschrieben. Wie erwähnt, werden im folgenden die Lehren der
Hauptanmeldung verallgemeinert und es werden neue , vorteilhafte Kombinationen der beschriebenen Elementarkreise angegeben.

In Fig. 5, auf die im folgenden Bezug genommen wird, sind die jeweiligen Elementarkreise bzw. die aus ihnen aufgebauten Einrichtungen stark schematisch dargestellt. Austauscheinheiten sind durch ein kleines Quadrat, Druckmaschinen durch einen kleinen Kreis, Arbeitsfluidleitungen durch eine Linie, und Absorptionsmittelkreisläufe
durch eine Doppellinie symbolisch dargestellt. Wenn ent * weder eine einfache Arbeitsfluidleitung oder ein Absorptionsmittelkreislauf verwendet werden kann, ist dies durch zwei parallele Linien, von denen die eine ausgezogen und die andere gestrichelt dargestellt ist, versinnbildlicht.

, Ebenfalls nicht dargestellt sind die Druckänderungsvorrichtungen, Pumpen und Drosseln in den verschiedenen Leitungen, auf die bei der Erläuterung der Figuren 2 bis 4 hingewiesen wurde. Ebenfalls nicht dargestellt sind Wärmetauscher zwischen Gas und Flüssigkeit, armer und reieher Lösung sowie Verbindungen zwischen Lösungskreisläufen oder Bypässe. Die Arbeitfluiddurchsätze in den verschiedenen Leitungen sind durch kleine lateinische Buchstaben n, m,... bezeichnet.

Die verschiedenen Einrichtungen, die sich durch Kombination von zwei oder mehr Druckmaschinenteil-Elementarkreise des anhand von Fig. 2 und 3 erläuterten Typs oder durch Kombination einer oder mehrerer solcher Druckmaschinen-

, ς teil-Elementarkreise mit einer oder mehreren Absorbermaschinenteil-Elementarkreise 26 (Fig. 4) realisieren lassen, können durch Angabe der Anzahl der wesentlichen Druckbereiche und Temperaturbereiche, in denen die verschiedenen Austauscheinheiten der betreffenden Einrichtung arbeiten,

on prinzipiell typisiert werden. Diese prinzipiellen Einrichtungen (Grundschaltungen) lassen sich jedoch in der in der Hauptanmeldung beschriebenen Weise abwandeln, wobei man dann Variationen erhält, bei denen die jeweiligen Austauscheinheiten in anderen Temperatur- und gegebenenfalls Druck-

oc bereichen arbeiten können. Nicht alle der im folgenden Schema aufgeführten Einrichtungen sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da die systematische Darstellung auch einige bekannte Einrichtungen umfaßt. Alle Einrichtungen der hier interessierenden Art enthalten mindestens eine Druckmaschine. Einrichtungen, die sich durch ausschließliche Kombination von Absorbermaschinenteil-Elementarkreisen ergeben, sind in der deutschen Patentanmeldung P 31 11 552.7 vorgeschlagen.

Fig.5a zeigt den einfachsten Fall, nämlich eine Einrichtung, deren Austauscheinheiten in zwei wesentlichen Temperaturbereichen T_Q, T. und zwei wesentlichen Druckbereichen p_n, P₁ arbeiten. Für eine solche Einrichtung gibt es zwei Typen, je nachdem ob das Arbeitsfluid in Uhrzeigerrichtung oder in Gegenuhrzeigerrichtung zirkuliert. Zirkuliert das Arbeitsfluid in Uhrzeigerrichtung ("rechtsdrehend" = "r"), so handelt es sich um eine bekannte Kraftmaschine, z.B. ein Dampfturbinenkraftwerk, zirkuliert das Arbeitsfluid in Gegenuhrzeigerrichtung, so handelt es sich um eine bekannte Kompressor-Wärmepumpe oder,was im Prinzip das gleiche ist,Kompressor-Kältemaschine.

Fig. 5b kann, wenn die Druckmaschinen Kompressoren sind, als eine Kombination zweier Kompressorwärmepumpen angesehen werden, die mit dem gleichen Arbeitsfluid arbeiten und von denen mindestens eine mit einem Absorptionsmittelkreislauf arbeitet. Beide pumpen Wärme von T_Q nach T.. Die beiden Kreisläufe ABK₁ und CDK- sind hinsichtlich der Wahl der Arbeitsfluiddurchsätze m bzw. 1 unabhängig! Für m = 1 können K₁ und K₂ durch einen einzigen Kompressor K (Fig. 5c) ersetzt werden, der mit dem Kompressionsverhältnis p₂/P_n arbeitet. Das in der Austauscheinheit

B verdampfte Arbeitsfluid wird in der Austauscheinheit C absorbiert. Die Kombination A-B-C-D-K gemäß Fig. 5c stellt eine Kompressorwärmepumpe dar, die auf Kälteleistung bezogen ungefähr den doppelten Wirkungsgrad hat wie eine Wärmepumpe, die nur zwei Austauscheinheiten A und D'und einen Kompressor mit dem gleichen Kompressionsverhältnis P₂/P_o enthält.

Bei Verwendung einer arbeitsleistenden Druckmaschine ermöglichen die Einrichtungen gemäß Fig. 5b und 5c mittels einer Expansionsmaschine K, die von p« auf p_n expandiert, die kleine Temperaturdifferenz T. bis T_Q zur Arbeitsleistung auszunutzen, während bei Verwendung von nur zwei Austauscheinheiten ^Ä utrö ^D hierfür eine Temperaturdifferenz T₁-T' erforderlich wäre.

Fig. 5d zeigt eine Einrichtung, die drei "aufeinandergesetzte" Druckmaschinenteil-Elementarkreise enthält. Sind die Zirkulationsrichtungen und die Arbeitsmitteldurchsätze in den drei Elementarkreisen gleich, also ist 1 = m = n, so ergibt sich analog zu Fig. 5c die in Fig. 5e dargestellte vereinfachte Einrichtung, die nur

eine Druckmaschine enthält. Bei Betrieb als Kältemaschine hat die Einrichtung gemäß Fig. 5e etwa den dreifachen Kältewirkungsgrad wie eine konventionelle Kompressor-Kältemaschine, die mit dem gleichen Druckverhältnis P₃Zp₀ arbeitet.

Bei Einrichtungen, deren Austauscheinheiten in nur zwei wesentlichen Temperaturniveaus arbeiten, werden diejenigen bevorzugt, bei denen das Arbeitsfluid in allen Elementar_in zellen in der gleichen Richtung, also rechtsdrehend oder linksdrehend, umläuft.

Figur 5f zeigt das Schema einer Einrichtung, die aus einer Kombination einem Absorbermaschinenteil-Elementarkreis

ic 26 (Fig. 4) mit einem Druckmaschinenteil-Elementarkreis 10 oder 14 (Fig. 2 oder 3) besteht und deren Austauscheinheiten in drei wesentlichen Temperaturbereichen und zwei wesentlichen Druckbereichen arbeiten. Einrichtungen dieser Art sind Gegenstand der Hauptanmeldung, es gibt

«λ vier Typen, die sich durch unterschiedliche Kombinationen von Zirkulationsrichtungen in den beiden Elementarkreisen unterscheiden.

Das Schema einer Einrichtung, deren Austauscheinheiten in drei Temperaturbereichen und mit drei Druckbereichen arbeiten, ist in Fig. 5g dargestellt. Eine solche Einrichtung enthält vier verschiedene Arbeitsfluidkreisläufe, bei denen die Zirkulationsrichtung (rechtsdrehend oder linksdrehend) des Arbeitsfluids im Prinzip unabhängig 4
wählbar ist, so daß sich 2 =16 unterschiedliche Typen ergeben, die selbstverständlich nicht alle die gleiche praktische Bedeutung haben.

Fig. 5h zeigt eine Einrichtung, deren Austauscheinheiten in drei verschiedenen Temperaturbereichen und in vier verschiedenen Druckbereichen arbeiten. Eine solche Einrichtung enthält sechs unabhängige Arbeitsfluidkreise, so daß sich

-j_{e nac}h wahl der Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids maximal 2 = 64 unterschiedliche Typen ergeben.

Fig. 5i zeigt das Schema einer Einrichtung, deren Aus- c tauscheinheiten in vier verschiedenen Temperaturbereichen und in drei verschiedenen Druckbereichen arbeiten, so daß auch hier 2 = 64 unterschiedliche Typen existieren.

In Fig. 5k ist schließlich eine Einrichtung dargestellt, in deren Austauscheinheiten in vier verschiedenen wesentlichen Temperaturbereichen und in vier verschiedenen wesentlichen Druckbereichen arbeiten. Diese Einrichtung enthält neun Arbeitsfluidkreisläufe entsprechend den neun in ihr enthaltenen Elementarkreise», so daß theoretisch

2 =512 verschiedene Typen existieren, je nachdem wie die Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids in den einzelnen Kreisläufen gewählt wird.

Aufgrund der obigen Erklärungen ist leicht einzusehen, daß sich die vorliegenden Einrichtungen durch Hinzufügen weiterer Temperaturbereiche und/oder Druckbereiche beliebig erweitern lassen. Ist t die Anzahl der Temperaturbereiche und ρ die Anzahl der Druckbereiche, so gibt es jeweils 2 ' verschiedene Typen.

Bezüglich der schematischen Darstellungen in Fig. 5 sei erwähnt, daß die in einem vorgegebenen Temperatur- oder Druckbereich arbeitenden Austauscheinheiten in der Praxis nicht mit genau den gleichen Temperaturen bzw; Drücken arbeiten, da in den Verbindungsleitungen, Wärmetauschern und dgl., immer gewisse Druckabfälle auftreten. Ferner muß selbstverständlich zwischen Austauscheinheiten, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten und zwischen denen innerer Wärmetausch stattfinden soll, wie zwischen den Austauscheinheiten B" und C" in Fig. 4, eine gewisse Temperaturdifferenz innerhalb des betreffenden Temperatarbereiches, z.B. T₁Ui-¹FIg. 4, vorhanden sein, damit das

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' für den Wärmetausch erforderliche Wärmegefälle vorhanden ist.

Das durch die Austauscheinheiten gebildete Netz oder Gitter im p/T-Diagramm ist in der Praxis auch nicht rechtwinklig, da erstens die Dampfdruckkurven nicht parallel verlaufen (siehe Fig. 1). Außerdem brauchen die Intervalle zwischen den reziproken Temperaturen und die Druckverhältnisse Pi/Pn' P9/P1 ^usw· ⁿi^cnt gleich zu sein.

Bei den in Fig. 5b, 5d und 5g bis 5k dargestellten Einrichtungen ist für jedes Paar benachbarter Druckbereiche eine Druckmaschine vorgesehen, die mit den Austauscheinheiten benachbarter Druckbereiche verbunden ist. Diese Schaltung '** ist für drei Druckbereiche in Fig. 6a dargestellt, hier ist für jedes Druckintervall zwischen zwei benachbarten Druckbereichen eine in diesem Intervall arbeitende Druckmaschine vorgesehen. Die in Fig. 6a dargestellte Schaltung läßt sich abwandeln, wie es in Fig. 6b und in Fig. 6c dargestellt ist. Man kann also auch die eine Druckmaschine in einem Druckintervall, also zwischen p„ und P₁ oder P₁ und P₀ arbeiten lassen und die andere Druckmaschine über zwei Druckintervalle, also zwischen p~ und p„. Die drei Schaltungen in Fig. 6 sind typenmäßig äquivalent, die eine oder

die andere kann jedoch in der Praxis bevorzugt werden, wenn eine bestimmte Einrichtung mit bestimmten vorhandenen Druckmaschinen realisiert werden soll.

Es war oben bereits erwähnt worden, daß jedes Paar in ver-

schiedenen Druckbereichen arbeitender Austauscheinheiten, die durch einen Absorptionsmittelkreislauf oder eine Arbeitsfluidleitung mit Druckänderungsvorrichtungen gekoppelt sind, gemeinsam längs der Temperaturachse verschoben werden kann, Dies sei anhand von Fig. 7a und 7b nochmals erläutert: Fig. 7a entspricht Fig. 5c. Verschiebt man das Austauscheinheitenpaar A, B von der in Fig. 7a darge-

stellten Lage längs der Temperaturachse ( Abszisse) in die in Fig. 7b dargestellte Position A¹, B¹, so ergeben sich vier wesentliche Temperaturbereiche, die Einrichtung arbeitet aber im Prinzip genau so wie die gemäß Fig. 7a, nur daß die Nutzwärme bzw. Abwärme in anderen Temperaturbereichen erzeugt werden und die Antriebswärme auch in einem anderen Temperaturbereich zugeführt werden kann als bei der Einrichtung gemäß Fig. 7a. Eine andere Möglichkeit der Modifikation der Einrichtung gemäß Fig. 7a ist in den Figuren 7c bis 7d dargestellt. Hier sind die Abstände der Druckbereiche, in dem die Austauscheinheiten arbeiten, nicht gleich. Wenn man also die Temperaturintervalle und/ oder Druckverhältnisse verschieden groß wählt, ergeben sich weitere Freiheitsgrade für die Konstruktion der vorliegende! Einrichtungen. ."

Im folgenden sollen nun spezielle "Einrichtungen der vorstehend all·- gemein erläuterten Art, also spezielle Schaltungen von Austauscheinheiten und Druckmaschinen erläutert werden, wobei angestrebt wird, ein bestimmtes Ergebnis mit einem möglichst geringen technischen Aufwand zu erreichen.

Für die anschließende Klassifizierung der Einrichtungen und ihrer Betriebsarten sollen die folgenden Näherungen und Vereinfachungen vereinbart werden, um die Erläuterung und das Verständnis zu erleichtern:

Die in den einzelnen Austauscheinheiten umgesetzten Wärmemengen sollen den dort umgesetzten Arbeitsfluidmengen proportional sein. Dies ist eine relativ grobe Näherung, weil

a) die Abhängigkeit der Lösungswärme vom Sättigungsgrad des Absorptionsmittels vernachlässigt wird,

b) die spezifische Wärmekapazität des Arbeitsfluids nicht

berücksichtigt wird und damit die vom Arbeitsfluid ge-

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leistete oder entnommene Arbeit.

Angaben, wie z.B. daß der Arbeitsinitteldurchsatz m = dem Arbeitsmitteldurchsatz η ist, stellen daher nur eine ungefähre Angabe für eine spezielle Betriebsart dar, bei der ein vollständiger innerer Wärmetausch angestrebt wird. Wenn jedoch die Gleichheit der Arbeitsini tteldurchsätze zu

einem Wegfall einer Austauscheinheit führt,· müssen natürlich die betreffenden Arbeitsmitteldurchsätze exakt ent-

'« gegengesetzt gleich sein.

Die erwähnten Wirkungsgrade bzw. Wirkungsgradänderungen dienen in erster Linie zur Klassifizierung der Betriebszustände der Einrichtungen und stimmen mit den wirklichen Wirkungsgraden im praktischen Betrieb der betreffenden Einrichtung im allgemeinen nur größenordnungsmäßig überein. Im Falle von Einrichtungen, die als Kältemaschinen oder Klimaanlagen dienen, werden die Wirkungsgradangaben auf den Wirkungsgrad η einer "einfachen" konventionellen Kompressorkältemaschine (entsprechend Fig. 5a) bezogen, bei der der Kompressor das gleiche Kompressionsverhältnis hat wie der Kompressor in der betreffenden Einrichtung.

Wärmemengen werden mit dem Buchstaben Q bezeichnet, wobei der Index entweder den Temperaturbereich oder die Austauscheinheit angibt, in denen der betreffende Wärmeumsatz stattfindet. Die einer Druckmaschine zugeführte oder entnommene Arbeit wird mit W bezeichnet. Ein positives Vorzeichen Q bzw. W bedeutet Energiezufuhr zur Einrichtung, ein negatives Vorzeichen Energieentnahme. Für einen Kompressor ist also W größer als Null, für eine Expansionsmaschine ist W kleiner als Null.

Aus systematischen Gründen sollen als erstes nochmals Einrichtungen des in Fig. 5f dargestellten, in der Hauptanmeldung vorgeschlagenen Typs betrachtet werden. Eine

j solche Einrichtung ist in Fig. 8a genauer dargestellt, wo bei die Richtung der Pfeile an den Arbeitsfluidleitungen einem positiven Vorzeichen von m bzw. η entsprechen. Eine nähere Betrachtung der Einrichtung gemäß Fig. 8a zeigt, ι- daß es für die Wärmemengen Q bis Q₂ die in den Temperaturbereichen T_fi bis T_ zugeführt bzw. entnommen werden, die Vorzeichen-Kombinationen gibt, die in der Tabelle in Fig. 8b aufgeführt sind. Mit W ist die der Druckmaschine K zugeführte Arbeit (W > 0) bzw. entnommene Arbeit IQ (W < 0) bezeichnet.

Den verschiedenen Vorzeichenkombinationen vom m und η entsprechen die vier möglichen Typen der Einrichtung gemäß Fig. 8a, die in Fig. 8c graphisch dargestellt sind. Ist die Zirkulationsrichtung sowohl im Absorbermaschinenteil- Elementarkreis ABDC linksdrehend (m positiv) so arbeitet dieser Elementarkreis nach dem Prinzip einer Absorberwärmepumpe; bei rechtdrehender Zirkulationsrichtung als (Absorber-) Wärmetransformator. Bei linksdrehender Zirkulationsrichtung (n positiv) des Arbeitsfluids im Druckmaschinen-Elementarkreis ACK arbeitet dieser nach dem Prinzip einer Kompressorwärmepumpe; bei entgegengesetzter Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids nach dem Prinzip einer Clausius—Rankine-Prozess-Wärmekraftmaschine.

25

Da die Austauscheinheiten B und C bei der Einrichtung gemäß Fig. 8a im gleichen Temperaturbereich T₁ arbeiten, zwischen diesen Einheiten ein innerer Wärmetausch

durchgeführt werden und im Falle, daß Q_ und Q„ dem Betrag nach gleich sind und entgegengesetzte Vorzeichen haben,

OU

wird Q zu Null. In Fig. 8d sind in einem der Fig. 8c ähnlichen Diagramm alle möglichen Betriebsarten dargestellt. Besonders interessant sind dabei im allgemeinen Betriebs zustände entsprechend den Grenzen zwischen zwei Sektoren, „j- Die Energieumsätze lassen sich durch die folgenden Näherungsgleichungen durch die Arbeitsfluidumsätze ausdrücken.

= m-n	^U2	= U	m =	η
= n-2m	Q₁	= O	m =	n/2
= m	^Q0	= O	m =	O

Q_A = m-n

Q_B = -m

Q_c = n-m

= m

Q_D m

W = η

Es existieren folgende Spezialfalle:

η = 0: reiner Absorberbetrieb als Wärmepumpe oder Wärmetransformator ; die Druckmaschine ist außer Betrieb;

m = 0: reiner Druckmaschinenbetrieb, d.h. die Einrichtung .- arbeitet als Kompressorwärmepumpe oder Expansionsmaschine mit den Komponenten ACK zwischen T₁ und T„;

m = n: reiner Druckmaschinenbetrieb mit den Komponenten
B, D, K zwischen T_Q oder T₁ (Q₂ = 0);

Q_a = -Qr, (innerer Wärmetausch) : Die Einrichtung arbeitet

als Kompressorwärmepumpe bzw. Expansionsmaschine mit
dem relativ großen Temperaturbereich T_Q bis T₂ und dem
relativ kleinen Druckintervall P₁ bis p«, (Q = 0).

Eine Einrichtung mit einer Arbeitsweise entsprechend dem

Sektor 1 in Fig. 8d bis in die Nähe der Grenze Q₂ = 0 ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da sie aus
der Veröffentlichung "Gesundheitsingenieur" 76./ 1955 Heft 9/10 S. 129-137 bekannt ist. Als besonders vorteilhaft

werden die Betriebsarten gemäß den Sektoren 2, 3 (ohne m= 0) _r und 5 bis 8 (ohne η = 0) angesehen. Ein Absorberteil-Elementarkreis und ein Kompressorteil-Elementarkreis lassen sich jedoch auch noch auf andere Weise als in Fig.

8a kombinieren, wobei man dann weitere,

neue Einrichtungen erhält, wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 9 erläutert werden soll. Mit den Einrichtungen gemäß Fig. 9 lassen sich im Prinzip die gleichen Aufgaben lösen wie mit der anhand von Fig. 8 erläuterten Einrichtung. Bei den Einrichtungen gemäß Fig. 9 können jedoch Arbeitsfluide und/oder Druckmaschinen mit 4nderen Eigenschaften verwendet werden als bei der Einrichtung gemäß Fig. 8, was bei manchen Anwendungszwecken Vorteile mit sich bringen kann.

Die Vorzeichen und die ungefähre Größe der in den einzelnen Austauschexnheiten bzw. Temperaturbereichen umgesetzten Wärmemengen (die ja, wie oben ausgeführt, wenigstens annähernd proportional den Arbeitsmxtteldurchsätzen sind), können der folgenden Tabelle entnommen werden:

Tabelle 2

9a

Einrichtung gemäß Figur 9c 9e 9g

10a

25 Q,

^QA	m	m	m	m-n	m
⁰B	n-m	-m	-m	-m	-m
^QC	-m	-m	-m-n	-m	-m-n
Q₀	m	m+n	m	m	m+n
Q_E	-n	-n	η	η	-n Q_F = +n

30 Q₂ m-n

n-2m

m-n -2m

m
-2m-n

m-n
-2m

m-n -2m-n

0 m m+n m+n m+n m+2n

Austauscheinheiten, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten, können mit Mitteln zum inneren Wärmetausch (siehe 24 in Fig. 4) versehen sein.

Die der Druckmaschine zugeführte bzw. entnommene Arbeit ist jeweils ungefähr proportional zu n.

Im folgenden sollen die Betriebsarten und Betriebszustände näher erläutert werden, die durch die mit 1 bis 8 bezeichneten Sektoren in den Figuren 8d sowie 9b, 9d, 9f und 9h als Funktion von m und η graphisch dargestellt sind. Zur Vereinfachung soll von "Absorberwärmepumpe", "Kompressorwärmepumpe¹¹, "Wärmetransformator" und "Nutzarbeit" gesprochen werden, wenn die Funktionen der miteinander zusammengeschalteten Elementarzellen beschrieben werden, also der auf dem Prinzip einer Wärmepumpe arbeitenden Elementarkreis ABCD der Einrichtung gemäß Fig. 9a beim Betrieb im ersten Quadranten usw.

Betriebszustand 1: Die Absorberwärmepumpe überwiegt. Die Antriebswärme wird bei A zugeführt, die Nutzwärme wird im Temperaturbereich T und die Nutzkälte im Temperaturbereich Τ_ entnommen.
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Betriebszustand 2: Die Kompressorwärmepumpe überwiegt. Nutzwärmeentnahme bei T„ u.T.; Nutzkälteentnahme bei T_Q.

Betriebszustand 3: Nutzwärme beiT„, Nutzkälte bei T- und T₁..

Betriebszustand 4: Die Einrichtung arbeitet als eine Kombination von Wärmetransformator und Kompressionswärmepumpe. Abwärme wird bei T„ an die Umgebung abgegeben, Wärmezufuhr bei T₁, Nutzwärme bei T„.

Betriebszustand 5: Die Einrichtung arbeitet als Wärmetransformator und liefert zusätzlich mechanische Nutzarbeit. Abwärme bei T-, Wärmezufuhr bei T₁, Nutzwärme bei

Betriebszustand 6: Die Einrichtung arbeitet als Wärmetransformator und liefert mechanische Nutzarbeit. Abwärme bei T_Q, Wärmezufuhr bei T. und T„.

Betriebszustand 7: Abwärme tritt bei T_fi auf. Außerdem Wärr meabgabe bei T₁ (Abwärme, evtl. Nutzwärme). Wärmezufuhr bei T„, die Einrichtung liefert mechanische Nutzarbeit.

Betriebszustand 8r Wärmezufuhr bei T_; Wärmeabgabe bei T₁; Nutzkälte bei T«. Diese Einrichtung liefert also je nach Bedarf Nutzkälte und/oder Nutzwärme sowie mechanische Arbeit.

Wenn die Druckmaschine ein Kompressor ist, gilt für die oben beschriebenen Einrichtungen gemäß Fig. 8a, 9a, 9c,9e und 9g, daß Wärmezufuhr oder Kälteerzeugung im Temperaturbereich T„ erfolgen kann und Nutzwärme im Temperaturbereich T₁ und/oder T„ entnommen werden kann, wobei sich der Wirkungsgrad beim Übergang von T₁ auf T₂ kontinuierlich anpaßt. Entnimmt man die Wärme ausschließlich im Temperaturbereich T„, so ist die Kälteleistung bei gleichbleibender Kompressorleistung die Hälfte der Kälteleistung, die man bei Wärmeentnahme im Temperaturbereich T₁ erhält. Für die Wärmeleistung liegen ähnliche Verhältnisse vor. Die Wärmeleistung kann mit steigender Nutzwärmetemperatur (übergang von T₁ auf T-) konstant gehal-

^OJ ten oder sogar gesteigert werden, indem man

die Kompressorleistung und damit den Arbeitsfluiddurch-. satz η erhöht. Dies kann dadurch geschehen, daß man dem dargestellten Kompressor einen zweiten Kompressor parallelschaltet oder einen Kompressor mit drehzahlregelbarem Antrieb verwendet.

Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Einrichtungen besteht, wie bereits erwähnt, darin, daß die Betriebszustände der vorliegenden Einrichtungen durch (unabhängige) Änderungen der Arbeitsfluiddurchsätze m und η wechselnden äußeren Bedingungen angepaßt werden können. Im folgenden sollen bestimmte einfache Betriebszustände erläutert werden, die sich durch das Verschwinden eines Wärmeumsatzes in bestimmten Temperaturbereichen auszeichnen und in den Diagrammen gemäß Fig. 8d, 9b, 9d, 9f und 9h durch Gerade zwischen zwei benachbarten Sektoren dargestellt sind. Der Abschnitt a) betrifft jeweils die Erzeugung von Nutzwärme

Die Ab

^⁰ schnitte b betreffen die Verwendung dieser Typen zur Kälteerzeugung. Die Abschnitte c betreffen Typen, die mechanische Nutzarbeit abgeben (untere Halbebene in den Diagrammen).

Q₁ = Null:

a) Wärme wird von T (z.B: Umgebungstemperatur) nach T gehoben; großer Temperaturhub!

b) Nutzkälte wird bei relativ tiefer Temperatur T erzeugt, wenn T„ die Umgebungstemperatur ist. Äiich hier ergibt sich ein vorteilhafter großer Temperaturhub.

r c) Aus Wärme, die im Temperaturbereich T₂ zugeführt wird, erfolgt die Gewinnung von mechanischer Arbeit gegenüber dem Temperaturbereich T_Q. Das Druckverhältnis_{bei der Ent}_ spannung des gasförmigen Arbeitsfluids in der Druckmaschine ist dagegen bei den Einrichtungen gemäß Fig. 8a, 9a

IQ und 9e wesentlich kleiner als es dem Temperaturintervall T -T bei Verwendung des reinen Arbeitsfluids entspricht.

Q₂ = 0:

a) Wärme wird von T_ nach T₁ gehoben.

b) Kälteerzeugung bei T_, Abwärme bei T₁, doppelter Wirkungsgrad im Vergleich zu Q₁ =0.

c) Wärme der Temperatur T. wird in !Arbeit umgewandelt mit Abwärme bei T . In den Einrichtungen gemäß Fig. 9a,9c,9e und 9g kann die Expansionsmaschine jedoch in einem anderen Druckintervall bzw. Temperaturintervall betrieben werden als eine gewöhnliche Expansionsmaschine, die mit demselben, reinen Arbeitsfluid arbeitet.

Q₀ = 0

a) Wärme wird von T^ nach T gehoben, der Kompressor kann jedoch bei den Einrichtungen gemäß Fig. 9c, 9e und 9g in einem anderen Druck- özw. Tenperaturxnrervall "betrieben wenden als- der

.Kompressor eine: konventionellen Einrichtung, die mit dem ^ougleichen einfachen Arbeitsfluid arbeitet.

b) Kälteerzeugung bei T₁, Abwärme bei T_, auch hier kann der Kompressor in einem anderen "Druck- bzw. Temperaturintervall

„c arbeiten.

c) Wärme des Temperaturbereichs T„ wird in Arbeit umgewandelt. Abwärme tritt bei T₁ auf. Bei den Einrichtungen gemäß

313246Ί

Fig. 9c, 9e und 9g kann die Druckmaschine in einem anderen Druck- bzw. Temperaturintervall betrieben werden wie die Druckmaschine einer konventionellen Einrichtung, die mit dem reinen Arbeitsfluid (also ohne Absorptionsmittelkreisläufe) arbeiten.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß die verschiedenen Typen von Einrichtungen mit veränderbarem Wirkungsgrad gefahren werden könne, je nachdem ob Wärme bei T₁ und/oder T- entnommen bzw. abgeführt wird. Dies ist besonders für Kältemaschinen bzw. Klimaanlagen von Vorteil. Bei Verwendung dar Einrichtung als Wärmepumpe steuert man die Vorlauftemperatur einer angeschlossenen Warmwasserheizanlage, indem man verschiedene Mengen von Wärme bei T₁ bzw.T„ entnimmt. Vorrichtungen die dies in zweckmäßiger Weise durchzuführen gestatten, wie Dreifach-Wärmetauscher, werden weiter unten noch beschrieben.

Die beschriebenen Einrichtungen ermöglichen es, mit einem einzigen Kompressor Kälte bei verschiedenen Temperaturen zu erzeugen _f z.B. dadurch, daß bei den EinrichtaJngen gemäß Fig. 9e: und 9g die Austauscheinheiten D und E temperaturmäßig gegeneinander verschoben sind ^

oder Kälte wird bei T_Q und

T₁ erzeugt. . · Dies ist vorteilhaft bei

Kühlschränken, Gefriertruhen, Klimaanlagen. Ferner läßt sich bei Kälteerzeugung in entsprechender Weise die Abwärme bei einem variablen Temperaturniveau (m, η variabel) oder auf zwei verschiedene Temperaturniveaus (selbst bei festem m, η ) erzeugen.

Daß die Kompressoren bzw. Expansionsmaschinen bei den vorliegenden Einrichtungen mit Druckintervallen arbeiten, die wesentlich verschieden sind von den Druckintervallen, die den Temperaturbereichen entsprechen, zwischen denen die Wärme umgesetzt wird (also von den Druckintervallen wesentlich verschieden sind, die sich bei einer Durch-

31324G1 ' · " '* " ··

führung des gleichen Prozesses mit dem gleichen Arbeitsfluid ohne Absorberkreisläufe ergeben würden), soll nun durch einige praktische Beispiele zusätzlich verdeutlicht werden.
5

Beispiel 1 :

Eine Einrichtung gemäß Fig. 9a stellt im Betriebszustand entsprechend Q~ = 0, W > 0 eine Kompressorwärmepumpe dar, bei der Wärme von T» nach T' gehoben wird, während der Kompressor statt zwischen p„ und P₁ hier zwischen p. und P₂ arbeitet. Mit HO als Arbeitsfluid und einer wässerigen Lithiumbromidlösung als Absorptionsmittel und einem Sättigungsgrad von 60 Gewichtsprozent H_O,bezogen auf das Gewicht der Lösung, ergeben sich beispielsweise folgende Werte:

	^p1	= 1	bar	bar	^T1	= 100	⁰C
20	?2	= 6	,5	bar	^T2	= 150	⁰C
	P₀	= 0	,2	^To	= 60	⁰C

Bei einer konventionellen Kompressorwärmepumpe, die mit H-O. als Arbeits-. liüid und mit dem Temperaturintervall 60 ⁰C bis 100 ⁰C arbeitet, müßte der Kompressor von 0,2 bar auf 1 bar mit großem Volumendurchsatz komprimieren, während der Kompressor der vorliegenden Wärmemaschine mit relativ kleinem Volumendurchsatz von 1 bar auf 6,5 bar komprimiert.

Beispiel 2 :

Betrachtet sei wieder eine Einrichtung gemäß Fig. 9a im Betriebszustand Q₂ = 0, jedoch mit einer arbeitsleistenden Druckmaschine, also einer Expansionsmaschine. W ist _,. hier also kleiner als 0. Das Arbeitsfluid/ Absorptionsmittel-System sei das gleiche wie beim Beispiel 1.

Mit dieser Einrichtung kann man aus der Temperaturdifferenz von 100 ⁰C bis 60 °C mit einer relativ kleinen Turbine durch Entspannung von Wasserdampf zwischen 6,5 bar und 1 bar Arbeit gewinnen. T„ kann in beiden Beispielen auch niedriger als 60 ⁰C gewählt werden.

Bei den Einrichtungen gemäß Beispiel 1 und Beispiel 2 können selbstverständlich auch andere Arbeitsmittelsysteme verwendet werden, z.B. R₉„/El 81 oder R /öl. 10

Bei beiden Beispiele sind der Wärme- und Arbeitsfluidumsatz in der Austauscheinhe^t B sehr klein, da m ungefähr gleich η ist. Man kann daher die Austauscheinheit B weglassen und die Austauscheinheiten D und E durch einen Absorptionsmittelkreislauf verbinden. Bei einer solchen Einrichtung mit nur vier Austauscheinheiten, wie sie Fig. 9i zeigt, können T„ und damit die Absolutwerte von P₁ bzw. P₂ bei festem T„ und T. beliebig oberhalb T. bzw. p„ gewählt werden, wie durch die gestrichelten Kästchen angedeutet ist . Wenn die Austauscheinheit B fehlt, ist .ein vollständiger innerer Wärmetausch zwischen E und A nur bei geeigneter Wahl des Temperaturabstandes zwischen T₁ und T_Q, des Wertes von T~, des Kompressorwirkungsgrades der Ausgasungsbreiten in den Kreisläufen A-C und DE, und der Lage der p-T-Bereiche der Austauscheinheiten im Lösungsfeld erreichbar.

Die Einrichtung gemäß Fig. 9e ist z.B. dann von Vorteil, wenn die thermische Stabilität des Arbeitsfluids durch eine überhitzung beim Kompressionsvorgang gefährdet ist oder wenn p₂ für den Kompressor unbequem hoch liegt. Für Q = -Q , d.h. Q- = 0, wird beim Wärmetransformator-Wär-

D E 0
mepumpenbetrieb (zweiter Quadrant in Fig. 9f) Wärme von

T nach T₂ gehoben, ohne daß das Arbeitsfluid über T₂ überhitzt wird, da der Kompressor ja zwischen p_Q und p^ arbeitet.
35

Analoges gilt für eine Einrichtung gemäß Fig. 9e.

Bei dem Betriebszustand m = η sind der Wärme- und Arbeitsfluidumsatz in der Austauscheinheit C klein. C kann daher weggelassen werden und man erhält dann eine Einrichtung, wie sie in Fig. 9k dargestellt ist. Bei einer solchen Einrichtung können T_Q und p_Q bzw. P₁ beliebig unterhalb von T₁ bzw. p₂ gewählt werden. Wenn C fehlt, ist "im allgemeinen ein vollständiger innerer Wärxietausch zwischen D und E nicht mehr exakt realisierbar, es gelten die zu Fig. 9u gemachten Ausführungen * 'analog. _ . _ -_ -^

Im allgemeinen wirdjnan jedoch die Austauscheinheit C beibehalten, um dort die überhitzungswärme des vom Kompressor kommenden gasförmigen Arbeitsfluids zum Austreibne zu nutzen, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.

Die in Fiq. 9g dargestellte Einrichtung stellt für m = η und W > D eine Kompressorwärmepumpe dar, deren Wirkungsgrad das Doppelte des weiter oben definierten Bezugswirkungsgrades ist. Bei dieser Betriebsart kann auf die Austauscheinheit A verzichtet werden, es sei denn man will dort die Überhitzungswärme zum Austreiben nutzen, was eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrades mit sich bringt.

Wenn die Druckmaschine eine arbeitsleistende Expansionsmaschine ist (W < 0) kann A als Überhitzer dienen. 25

Bei der Einrichtung gemäß Fig. 9c kann auf die Austauscheinheit D verzichtet werden, wenn m = -n ist.

Die Austauscheinheit, die mit dem Auslaß, also der Druckseite des Kompressors verbunden ist, kann außer zur Abführung der überhitzungswärme auch als ölabscheider dienen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn als Absorptionsmittel ein für die Schmierung des Kompressors geeignetes

öl verwendet wird.
35

Auch bei den Einrichtungen, die unter Bezugnahme auf Fig. 8 und 9 beschrieben wurden, kann jedes Paar an Austauscheinheiten, die durch einen Absorptionsmittelkreislauf oder eine entsprechende Arbeitsmittelleitung verbunden sind, längs der Temperaturachse verschoben werden, wie es anhand der Fig. 7a und 7b erläutert wurde. Man kann dadurch die Anzahl der Temperaturbereiche vergrößern, bei denen ein Wärmeumsatz stattfindet, außerdem können die Druckverhältnisse p_?/p- und P₁Zp_n verschieden groß gewählt werden, wie es anhand von Fig. 7c erläutert worden ist.

Es dürfte aus den obigen Ausführungen ersichtlich sein, daß es außer den in Fig. 8 und 9 dargestellten Einrichtungs-'Schaltungen" aus einem Absorbermaschinen-Elementarkreis und einem Druckmaschinen-Elementarkreis auch noch weitere Schaltungen dieser Art gibt- Drei weitere Beispiele sind in den Fig. 10a bis 10d dargestellt. Wenn zwischen den bei T₂ arbeitenden Austauscheinheiten innerer Wärmetausch stattfindet, ergibt sich bei den Einrichtungen gemäß Fig. 10 der dreifache Kältewirkungsgrad einer einfachen Kompressorkältemaschine mit dem gleichen Kompressionsverhältnis. Der Wirkungsgrad η als Wärmepumpe

WW W

ist 3 (η₀ -1)+1 = 3ri_n -2, wobei η« der Wärmepumpenwirkungsgrad einer einfachen Kompressorwärmepumpe mit dem gleichen Druckverhältnis ist. Für die Einrichtungen gemäß Fig.10, die mit drei Temperaturbereichen und vier bzw. drei Druckbereichen arbeiten, gelten ganz ähnliche Überlegungen, wie für die anhand der Fig. 8 und 9 erläuterten Einrichtungen.

Fig. 11a zeigt eine Einrichtung, die mit drei Druckbereichen und 4 Temperaturbereichen arbeitet. Die möglichen Wärmeumsätze dieser Einrichtung sind in Tabelle *" in Fig. 11c entsprechend Fig. 8b dargestellt. Mit einer solchen Einrichtung lassen sich also Arbeit und Wärme und/ oder Kälte gleichzeitig erzeugen.

I 3ζ4υ I

] In Fig. 11b sind wieder die verschiedenen Betriebsarten diagrammatisch dargestellt. Besonders interessant ist eine Einrichtung des dem vierten Quadranten in Fig. 11b entsprechenden Typs (Betriebsarten gemäß Sektoren 5 und 6 einschließlich der Betriebsart Q₂ = 0). Bei einer solchen Einrichtung wird.Wärme bei E zugeführt, das entstehende gasförmige Arbeitsfluid in der Druckmaschine unter Arbeitsleistung entspann/ in B kondensiert, in D unter Erzeugung von Kälteleistung verdampft und in C absorbiert.

Betreibt man die Einrichtung gemäß 11a so, daß m = -n ist, so kann die Austauscheinheit A entfallen. Die Austauscheinheiten C und E werden dann durch einen Absorptionsmittelkreislauf verbunden und die Austauscheinheit-B ist durch eine Arbeitsmittelleitung direkt an die Druckmaschine angeschlossen. Eine solche Einrichtung ohne A, die mit W >0 arbeitet, ist aus Abbildung 4 der DE-PS 953 378 bekannt und daher nicht Gegenstand der Erfindung.

Wenn m nicht gleich -n ist, kann die Austauscheinheit A nicht weggelassen werden und es wird dort je nach Betriebsart entweder Wärme zugeführt oder abgeleitet.

Die Einrichtung gemäß Fig. 11aiäßt sich dadurch abwandeln, daß man die Druckmaschine zwischen die Austauscheinheiten C und E schaltet. Legt man eine solche Einrichtung für m = η aus, so kann die Austauscheinheit C (und der Absorptionsmittelkreislauf zwischen C und A) entfallen, die Druckmaschine ist dann zwischen D und E geschaltet , wie gestrichelt dargestellt ist.

Fig. 12a zeigt eine weitere Einrichtung, die mit drei Druckbereichen und vier Temperaturbereichen arbeitet.

Es sind näherungsweise:

3Ί32461 35

^QA	= m	Q₃	= m
^QB	=-m	Q₂	= -2m
Qc	=-m	^Q1	= m-n
^QD	— m-n	Q₀	= η
^qe	= η

Besonders interessant ist hier der Typ, der dem dritten Quadranten (Sektoren 4 und 5) des Diagramms gemäß Fig. 12b entspricht und dort besonders die Betriebsart Q. = 0 (bei der D weggelassen werden könnte). Es handelt sich bei diesem Einrichtungstyp um einen Wärmetransformator mit arbeitsleistender Druckmaschine. Die Antriebswärme wird im Temperaturbereich T„ zugeführt, Nutzwärme entsteht im Temperaturbereich T_ und die Abwärme entsteht im Temperaturbereich T_n. Das Verhältnis von Arbeit zu Nutzwärme kann durch Änderung der Arbeitsfluxddurchsätze m und η eingestellt werden. Eine Einrichtung gemäß Fig. 12a ohne D, bei der die Druckmaschine K ein Kompressor ist, wird nicht

beansprucht. Die Druckmaschine kann auch zwischen A und E geschaltet werden, wie gestrichelt für K¹ dargestellt ist.

In Fig. 13a bis 13f sind sechs Einrichtungen dargestellt, die wie die Einrichtungen gemäß Fig. 5 und 11 der Hauptanmeldung in vier Temperaturbereichen arbeiten und wie diese mit einem einzigen Kompressor K oder K¹ oder K" der in Fig. 13b tabellarisch dargestellten Betriebsarten fähig sind. Zwischen Austauscheinheiten, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten, soll ein innerer Wärmetausch möglich sein.

Bei den Einrichtungen gemäß Fig. 13a bis 13f läßt sich der Wirkungsgrad für Kälteerzeugung um Faktoren zwischen 1 und 3 kontinuierlich varrieren, je nachdem, ob die Abwärme bei τ und/oder T- und/oder T^ entnommen wird. Für den Wirkungsgrad bei Nutzwärmeerzeugung gilt entsprechendes.

31324G1 - ~ *"

In Tabelle 6 (Fig. 13h) sind die Wärmeumsätze in den verschiedenen Austauscheinheiten A bis G der Einrichtung gemäß Fig. 13a mit K angegeben.

Die verschiedenen Betriebszustandsbereiche gemäß Tabelle 5 (Fig. 13g) sind in den Figuren 13i und 13k für W >0 bzw. W < O graphisch dargestellt.(Topologisch analoge Diagramme gelten für Fig. 13b bis 13f und die Fig. 5 und 11 der Hauptanmeldung).

Wenn η nach null geht, verschwinden die Betriebszustände 9, 10 und 11 sowie 20, 21 und 22.

Besonders interessante Betriebszustände ergeben sich für Q=O, für Q₂ = 0, für Q=O und für Q_Q = 0 sowie die

Schnittpunkte der diese Zustände darstellenden Linien:

^Q3	^U2	= O;	^Q3	~ ^Q1	= 0;	^Q3	^{= Q}0	= 0;
Q₂	^{= Q}1	= 0;	^Q2	^{= Q}o	= 0;	Q₁	^{= Q}0	= 0.

Wenn Q=O ist, kann A entfallen.

Auch die Gerade Q_n = 0 (1-Achse) und die Gerade Q„ = Q= 0 (m-Achse) sowie die Gerade Q = Q = 0 (1 = m) stellen spezielle Betriebszustände dar, bei denen bestimmte Austauscheinheiten entfallen können.

313246Ί

In Fig. 14 ist der Aufbau einer Einrichtung gemäß Fig. 9a genauer dargestellt. Gleiche Einheiten sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Einrichtung gemäß Fig. 14 ist als Kompressorwärmepumpe ausgelegt und es sind zur Leistungsregelung ein Hauptkompressor K und ein bei erhöhtem Wärmebedarf zuschaltbarer Zusatzkompressor K¹ vorgesehen. Die Austauscheinheiten B und C sowie die Austauscheinheiten A und E sind zur Durchführung eines inneren Wärmetausches jeweils baulich vereinigt und durch

TO jeweils einen Dreifach-Wärmetauscher realisiert. Mit WT1 ist ein Wärmetauscher bezeichnet, der zum Wärmetausch zwischen mit Arbeitsfluid gesättigtem Absorptionsmittel ("reiche Lösung") und relativ reinem Absorptionsmittel ("arme Lösung") dient. WT2 ist ein Wärmetauscher, der zum Wärmetausch zwischen Flüssigkeit und Gas dient. DR sind Drosseln oder andere Entspannungsvorrichtungen, M ist ein Mischgefäß zum Mischen von gasförmigem Arbeitsfluid und an Arbeitsfluid armem, entspanntem Absorptionsmittel vor der Einführung in den der Austauscheinheit C ent-

^O sprechenden Wärmetauscherkanal. V ist ein Vorratsgefäß für flüssiges ArbeitsfluidS ist ein Gefäß,in dem sich das verdampfte Arbeitsfluid vom erhitzten Absorptionsmittel aus der Austauscheinheit A (Austreiber) trennt. Den Dreifachwärmetauschern C + B bzw. A + E wird Wärme durch ein in einem Heizungskreislauf zirkulierendes Wärmeträgermedium, im allgemeinen Wasser, entnommen, und durch einen Heizkörper HK oder dgl. an einen zu heizenden Raum abgegeben. Der Heizungskreislauf enthält zwei Dreiwegeventile DV1 und DV2,mit denen das aus der Heizungsanlage zurückkommende Vorlaufwasser nach Wunsch entweder nur im Dreifachwärmetauscher C + B, in beiden Dreifachwärmetauschern oder nur im Dreifachwärmetauscher A + E erwärmt werden kann. Im ersteren Falle werden die Ventile so geschaltet, daß das Wasser aus der Rücklaufleitung RL in die Zuführungsleitung ZL1 geleitet wird, den Wärmetauscher C. + B durchströmt und dann durch das Ventil DV2

der Vorlaufleitung VL zugeführt wird. Bei höherem Wärmebedarf wird das Dreiwegeventil DV2 so umgeschaltet, daß das aus dem Wärmetauscher C + B kommende, auf die Temperatur T₁ erwärmte Wasser teilweise oder ganz durch eine Abzweigleitung AL der Eingangsseite des Wärmetauschers A + E zugeführt wird, so daß der Vorlaufleitung VL zusätzlich Wasser der Temperatur T zugeführt wird. Schließlich kann das Dreiwegeventil DV1 so eingestellt werden, daß das ganze Rücklaufwasser durch den Wärmetauscher A + E strömt und auf die Temperatur T₂ erhitzt wird; das Dreiwegeventil DV2 wird in diesem Falle so eingestellt, daß es den Durchgang von Wasser ganz sperrt.

Die Einrichtung arbeitet in einem Betriebszustand, der dem Sektor 2 in Fig. 9b entspricht. Die Dreifach-Wärme-¹^ tauscher können konzentrische oder aufeinandergeschweißte Rohrleitungen enthalten. Im übrigen dürfte der Aufbau der Einrichtung gemäß Fig. 13 keiner weiteren Erläuterung bedürfen.

Claims

PATENTANWALTS DR. DIETER V. BEZOLD DIPL. ING. PETER SCHÜTZ DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER MARIA-THERESIA-STRASSE 22 POSTFACH 86 O2 60 D-8OOO MUENCHEN 86 ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS TELEFON 089/4 70 60 06 TELEX 522 636 TELEGRAMM SOMBEZ 17. August 1981 11098 Dr.v.B/E Professor Dr. Georg Alefeld Josef-Raps-Straße 3, 8000 München 40 Verfahren und Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie (Zusatz zu P 31 16 788.8) Patentansprüche

1.j Verfahren zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie mit Hilfe

η Druckmaschinen- und/oder Absorbermaschinenkreisen, wobei ein Druckmaschinenkreis zwei Austauscheinheiten, die in verschiedenen Druckbereichen arbeiten, durch eine Druckmaschine ( Kompressor oder Expansionsmaschine) sowie durch eine Arbeitsfluidverbindung, die eine Druckänderungsvorrichtung enthält, verbunden sind, und mit diesen Verbindungen einen Arbeitsfluidkreislauf bilden, und wobei ein !Absorptionsmaschinenkreis vier Austauscheinheiten, die in zwei verschiedenen Druckbereichen arbeiten und durch zwei Arbeitsf Iodverbindungen, die jeweils eine Druckänderungsvorrichtung enthalten und von denen mindestens eine ein Absorptionsmittelkreislauf ist, in einen Arbeitsfluidkreislauf

POSTSCHECK MÖNCHEN NR. 69Ui-SOO

BANKKONTO HYPOBANK MÖNCHEN (BLZ 70020040) KTO. 6060 257378 SWIFT HYPO DE MM

• geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umsetzung der Wärme ein Druckmaschinenkreis, der mindestens zwei weitere Austauscheinheiten (C, D) und mindestens eine weiteje Arbeitsfluidverbindung enthält (Fig. 7a) oder mindestens zwei Druckmaschinenkreise, die arbeitsfluidmäßig miteinander kommunizieren (Fig. 5b) oder eine Kombination von Absorbermaschinen- und Druckmaschinenkreisen verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfluiddurchsätze (1, m, n) in mehreren Kreisen unabhängig von den Arbeitsmitteldurchsätzen in den jeweils anderen Kreisen veränderbar sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsrichtung des Arbeitsfluids in allen Druckmaschinenkreisen, der Einrichtung gleich sind.

4. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscheinheiten in einem unteren Druckbereich (p_n), einem oder mehreren mittleren Druck-

bereichen (P₁, ρ ) und einem oberen Druckbereich (p ) arbeiten, wobei im unteren und oberen Druckbereich jeweils mindestens eine Austauscheinheit (D, A) arbeitet und in den mittleren Druckbereichen jeweils mindestens zwei Austauscheinheiten (B, C; B¹, C) arbeiten, daß

die in einem mittleren Druckbereich arbeitenden Austauscheinheiten jeweils durch eine Arbeitsmittelleitung gekoppelt sind, und daß zwischen die auf benachbarten Druckbereichen arbeitenden Austauscheinheiten (z.B. A, B; C, B¹; C, D) jeweils Arbeitsfluidverbindungen, die eine Druckänderungsvorrichtungen enthalten, geschaltet sind, wobei die Arbeitsfluidverbindungen bis auf hoch-

stens eine jeweils einen Absorptionsmittelkreislauf enthalten (Fig. 5d).

5. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach An-Spruch 1 mit Druckmaschinen- und Absorbermaschinenkreisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscheinheiten in mindestens drei verschiedenen Druckniveaus (p_n, ρ , ρ ) arbeiten, daß im mittleren

^u 1 2>
Druckniveau zwei Austauscheinheiten vorgesehen sind;

IQ daß im oberen oder unteren .Druckniveau eine Austauscheinheit vorgesehen ist und daß im anderen dieser beiden Druckniveaus zwei Austauscheinheiten vorgesehen sind, wobei die Austauscheinheiten, die im gleichen Druckniveau arbeiten, durch Arbeitsfluidleitungen verbunden

]5 sind und zwischen den auf unterschiedlichem Druckniveau arbeitenden Austauscheinheiten Arbeitsfluidkreisläufe vorgesehen sind, die bis auf höchstens einen aus einem Absorptionsmittelkreislauf bestehen (Fig. 9a, 9c, 9e, 9g).

6· Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet- durch eine erste Austauscheinheit (D), die in einem ersten Druckbereich (ρ») und einem ersten Temperaturbereich (T_Q) arbeitet;

eine zweite Austauscheinheit (T), die im ersten Druckbereich und in einem zweiten Temperaturbereich (T..) der über dem ersten liegt, arbeitet und mit der ersten Austauscheinheit durch eine Arbeitsfluidleitung verbunden ist;

eine dritte Austauscheinheit (A), die in einem zweiten Druckbereich (p..) der über dem ersten Druckbereich liegt, und einem dritten Temperaturbereich (T-), der über dem zweiten Temperaturbereich (T₁) liegt arbeitet; eine vierte Austauscheinheit (E), die in einem dritten Druckbereich (p₂), der über dem zweiten Druckbereich (p.) liegt und im dritten Temperaturbereich (T-) arbeitet, einem zwischen die zweite und die dritte Austauscheinheit

(C, A) geschalteten Absorptionsmittelkreislauf; einer zwischen die erste und die vierte Austauscheinheit (D, E) geschalteten, eine Druckänderungsvorrichtung enthaltenden Arbeitsfluidverbindung,

einer zwischen die dritte und die vierte Austauscheinheit (A, E) geschalteten Einrichtung zum inneren Wärmetausch, und

einer zwischen die dritte und vierte Austauscheinheit geschalteten Druckmaschine (K, Fig. 9i).

7. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste und eine zweite Austauscheinheit (E, D), die in einem ersten bzw. zweiten Druckbereich (p_n, P₁) und in einem ersten Temperaturbereich (T.) arbeiten, einer zwischen diese Austauscheinheiten geschalteten Druckmaschine (K), einer Einrichtung zum inneren Wärmetausch zwischen diesen beiden Austauscheinheiten; einer dritten und einer vierten Austauscheinheit (W, A), die in einem dritten Druckbereich und in einem zweiten bzw. dritten Temperaturbereich arbeiten und durch eine Arbeitsfluidleitung verbunden sind, einem Absorptionsmittelkreislauf zwischen der ersten und der vierten Austauscheinheit (E, A), einer eine Druckänderungsvorrichtung enthaltenden Arbeitsfluidverbindung zwischen der zweiten und der dritten Austauscheinheit (D, B), wobei der erste Druckbereich unter dem zweiten und dieser unter dem dritten leigt, und wobei der ersten Temperaturbereich unter dem zweiten und dieser unter dem dritten liegt.

8. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im gleichen Temperaturbereich arbeitende Austauscheinheiten, zwischen denen ein innerer Wärmetausch stattfindet, durch einen Dreifach-Wärmetauscher realisiert sind.

9. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Druckmaschinenkreis, der zusätzlich mindestens eine weitere Austauscheinheit und mindestens einen zusätzlichen Absorptionsmittelkreislauf enthält.