DE3149005A1

DE3149005A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer monovalent alternativen absorptionsheizanlage

Info

Publication number: DE3149005A1
Application number: DE19813149005
Authority: DE
Inventors: Franz 5040 Brühl Gruber
Original assignee: Buderus AG
Current assignee: Buderus AG
Priority date: 1981-12-10
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1983-06-16

Description

(S 437) S 81/88

Hm/fl 10.12.81

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage, die oberhalb einer vorgegebenen Umgebungstemperatur im Wärmepumpenbetrieb und bei tieferen Temperaturen im Direktheizbetrieb arbeitet, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel bei hohem Druck aus einem kältemittelreichen Lösungsmittel ausgetrieben, verflüssigt, auf niedrigen Druck entspannt, durch Wärmezufuhr verdampft und von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird, sowie einem Heizmittelkreislauf, in dem ein Heizmittel durch Wärmetausch mit kondensierendem Kältemittel und durch Aufnahme von Absorptionswärme erwärmt wird.

Absorptionswärmepumpen mit z.B. Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel sowie Außenluft als Wärmequelle können nur ganzjährig betrieben werden, wenn durch sie Niedertemperatur-Heizungssysteme beheizt werden. Beim Betrieb einer Absorptionswärmepumpe als Raum- und/oder Brauchwasserheizung ist aber die Vorlauftemperatur des Wassers in Abhängigkeit von der Außentemperatur auf ca.

65⁰C begrenzt. Sollen höhere Vorlauftemperaturen erzielt

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werden, ist ein Direktheizbetrieb erforderlich.

Ferner sind Abmessungen, Gewicht und Herstellungskosten von Absorptions-Wärmepumpen sehr stark von der Temperatur abhängig, bei der die Umschaltung von Wärmepump- auf Direktheizbetrieb erfolgt. Wird die Umschalttemperatur der Absorptionswärmpumpe für ein Heizungssystem mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 70⁰C und einer Rücklauftemperatur von 5O⁰C je nach Klimazone zwischen ca. 2°C bis 5°C gewählt, werden durch den Wärmepumpenbetrieb ca. 90% der erforderlichen Jahresheizarbeit abgedeckt. Die Apparate für den eigentlichen Wärmepumpenteil der Absorptionswärmepumpe brauchen dann nur auf ca. 60% der Nennheizleistung bemessen werden.

Bisherigen Verfahren, die ein Umschalten von Wärmepumpenbetrieb auf Direktheizbetrieb ermöglichen, haften verschiedene Nachteile an: Bei einem Verfahren wird das von Kältemittel befreite Lösungsmittel während des Wärmepumpenbetriebs in Wärmetausch mit der vom Absorber kommenden an Kältemittel reichen Lösung gebracht, während des Direktheizbetriebes jedoch nicht. Für den Funktionswechsel sind folglich Umschaltventile in den Leitungen für heißes Lösungsmittel, das eine Temperatur von 160⁰C bis 180⁰C besitzen kann, erforderlich. Derartige Ventile sind zur Zeit jedoch nicht auf dem Markt. Da sie ferner vom Lösungsmittel, das mehr oder weniger Kältemittel enthält, und durch dessen hohe Temperaturen stark beansprucht werden, wären diese Umschaltventile auch sehr teuer.

Bei einem anderen Verfahren sind für den Direktheizbetrieb zusätzliche Wärmetauscher sowie Umschaltventile für das Heizmittel notwendig, durch die zusätzliche Herstellungskosten verursacht werden.

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Bei bekannten Verfahren ist es schließlich von Nachteil, daß der Druck im Absorber bei Direktheizbetrieb und mit hohen Heizmitteltemperaturen über dem Sättigungsdruck des Kältemittels im Verdampfer liegen kann. In diesem Fall kondensiert Kältemittel im Verdampfer. Dies hat zur Folge, daß der Lösungsmittelkreislauf immer kältemittelärmer wird. Durch die Konzentrationsänderungen der Lösungsmittelströme ändern sich auch die Betriebsdrücke, was regelungstechnisch nur schwer,zu beherrschen ist. Von Nachteil ist ferner, daß bei der Kondensation von Kältemittel im Verdampfer während des Direktheizbetriebes Wärme an die Umwelt abgeführt wird, wodurch die Heizziffer verschlechtert wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein regelungstechnisch einfaches Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das auch bei Direktheizbetrieb eine gute Heizziffer besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Umschalten auf sowie während des Direktheizbetriebes Kältemittel aus dem bei Wärmepumpenbetrieb unter hohem Druck stehenden Teil der Absorptionsheizanlage in einer Menge abgezogen wird, die ausreicht, den Druck in diesem Teil der Absorptionsheizanlage auf einen Wert unterhalb des Druckes abzusenken, bei dem das Kältemittel im Wärmetausch mit Heizmittel gerade noch kondensiert, und abgezogenes Kältemittel entspannt und in dampfförmigem Zustand von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird.

Sinkt die Umgebungstemperatur auf die UmschaIttemperatur ab, wird erfindungsgemäß im Austreiber gebildetes, unter hohem Druck stehendes Kältemittel aus dem Hochdruckteil der Absorptionsheizanlage abgezogen, entspannt und direkt im Absorber der Absorption durch kältemittelarmes Lösungsmittel zugeführt. Da durch diese Maßnahme der Druck im

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Hochdruckteil unter den durch die gegebene Heizmitteltemperatur bestimmten Kondensationsdruck abgesenkt wird, findet im Verflüssiger keine Kondensation des Kältemittels mehr statt. Im Verdampfer findet kein Wärmetausch mehr statt, er ist außer Funktion, so daß der Druck im Verdampfer den der herrschenden Umgebungstemperatur entsprechenden Sättigungsdruck annimmt. Das gesamte, im Austreiber vom Lösungsmittel befreite Kältemittel wird nunmehr ohne den Weg über den Verdampfer zu gehen als Dampf in den Absorber eingeleitet und dort absorbiert. Dabei steigt der Druck im Absorber bedingt durch die höhere Absorptionsendtemperatur (höhere Temperatur des Heizmittels) an. Ein Überströmen von Kältemittel in den Verdampfer kann durch geeignete Absperrorgane

verhindert werden.
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Wichtig ist, daß das Kältemittel dampfförmig in den Absorber eingespeist wird. Zum einen ist die Lösungswärme von Ammoniakdampf in Wasser wesentlich größer als von flüssigem Ammoniak in Wasser. Zum anderen würde der Druck im Fall, daß das Kältemittel im Verflüssiger gegen die hohen Heizmitteltemperaturen kondensiert, schnell den Auslegungsdruck der Anlage erreichen.

Erfindungsgemäß bleibt somit der Lösungsmittelkreislauf beim Direktheizbetrieb wie beim Wärmepumpenbetrieb bestehen. Es finden keine Umschaltungen der Lösungsmittelströme statt, so daß keine Umschaltventile für das heiße Lösungsmittel erforderlich sind. Erfindungsgemäß wird das Heizmittel bei Wärmepumpenbetrieb im Absorber, im Kondensator und in einem Rücklaufkühler der Absorptionswärmepumpe, bei Direktheizbetrieb nur im Absorber und Rücklaufkühler erhitzt. Eine weitere Erhitzung des bei einer dieser beiden Betriebsarten erwärmten Heizmittels, beispielsweise durch Rauchgase, ist außerdem möglich.
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Zusätzliche Wärmetauscher für den Direktheizbetrieb sind daher beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich. Von weiterem Vorteil ist außerdem/ daß im Verdampfer auch bei Direktheizbetrieb keine Kondensation stattfinden kann, ein Abführen von Wärme an die Umgebung folglich vermieden wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens wird ausgetriebenes Kältemittel rektifiziert und unmittelbar anschließend aus dem Hochdruckteil der Absorptionsheizanlage abgezogen. Da im Verflüssiger keine Kondensation des Kältemittels stattfindet, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das ausgetriebene Kältemittel bei Direktheizbetrieb auf kürzestem Weg in den Absorber zu leiten.

Während des Direktheizbetriebes ist es außerdem von Vorteil, Einrichtungen zum Zuführen von Wärme aus der Umgebung abzuschalten.

In einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als Steuergröße, die die Umschaltung von Wärmepumpenbetrieb auf direktheizbetrieb auslöst, die Außenlufttemperatur oder die Vorlauftemperatur des Heizmittels oder der Kältemittel-Druck im Verflüssiger dient.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt einen Austreiber, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber und ist gekennzeichnet durch eine von der den Austreiber mit dem Verflüssiger verbindenden Leitung für ausgetriebenes Kältemittel abzweigende und in den Absorber mündende Kurzschlußleitung mit einer Absperrvorrichtung und einer dieser nachgeschalteten Drosselstelle.

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Durch öffnen der Absperrvorrichtung in der Kurzschluß leitung kann auf einfache Weise von Wärmepumpenbetrieb auf Direktheizbetrieb umgeschaltet werden. Dabei ist die der Absperrvorrichtung nachgeschaltete Drosselstelle so bemessen, daß soviel Ammoniakdampf in den Absorber strömt, um den Druck im Hochdruckteil der Absorptionsheizanlage unterhalb des Druckes abzusenken, bei dem noch Kondensation im Verflüssiger stattfinden kann.

In bevorzugten Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens ist die Absperrvorrichtung in der KurzSchlußleitung ein Magnetventil und ist die Drosselstelle eine Blende, eine Düse oder ein federbelastetes Überströmventil.

Um bei Direktheizbetrieb ein überströmen von Kältemittel aus dem Absorber in den Verdampfer zu vermeiden, ist in einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der den Verdampfer mit dem Absorber verbindenden Leitung ein Rückschlagventil angeordnet und ist das dem Verdampfer vorgeschaltete Expansionsventil ein in Abhängigkeit der Temperatur und des Druckes des den Verdampfer verlassenden Kältemittels automatisch öffnendes bzw. schließendes Expansionsventil.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in einer schematischen Skizze dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden:

a) Wärmepumpenbetrieb

In einem Austreiber 6 wird ammonaikreiches Wasser bei hohem Druck, z.B. 21 ata erhitzt und Ammoniak bei 160⁰C aus dem Wasser ausgetrieben. Das ausgetriebene Ammoniak wird anschließend in einem Rektifikator 7 rektifiziert und über eine Leitung 8 einem Verflüssiger 9 zugeführt.

Flüssiges Ammoniak gelangt über eine Leitung 28 zu einem

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Expansionsventil 10, in dem das Ammoniak auf Verdampfungsdruck entspannt wird. Nachfolgend wird das Ammoniak in einen Verdampfer 11 eingeleitet. Das Expansionsventil 10 ist ein selbststeuerndes, in Abhängigkeit von Temperatur und Druck des den Verdampfer 11 verlassenden Ammoniakdampfes regelndes Ventil. Im Ausführungsbeispiel soll die für den Wärmepumpenbetrieb erforderliche Wärme der Umgebungsluft entzogen werden. Dazu wird Luft mittels eines Ventilators 12 dem Verdampfer 11 zugeführt. Der den Verdämpfer 11 über eine Leitung 13 verlassende Ammoniakdampf tritt schließlich in einen Absorber 3 ein.

Im Austreiber 6, der beispielsweise von einem Gasbrenner 14 beheizt wird, bildet sich während des Austreibens ammoniakarmes Wasser, das über eine Leitung 1, einen Wärmetauscher 15 und ein Druckminderventil 16 über eine Leitung 2 dem Absorber 3 zugeführt wird. Im Absorber 3 absorbiert das ammoniakarmes Wasser über Leitung 13 eintretenden Ammoniakdampf. Die dabei entstehende Absorptionswärme wird an einen Wärmeträger (im Ausführungsbeispiel an Heizwasser) abgegeben, der in einem Strömungsquerschnitt 17 durch den Absorber geführt wird. Das im Wärmetausch mit dem Wärmeträger abgekühlte, mit .Ammoniak angereicherte Wasser verläßt Absorber 3 über eine Leitung 4 und wird von einer Pumpe 18 in Wärmetauscher 15 eingeleitet, in dem das ammoniakreiche Wasser im Wärmetausch mit ammoniakarmem Wasser aus dem Austreiber 6 erwärmt wird. Nach diesem Wärmetausch tritt das ammoniakreiche Wasser über Leitung 5 in Austreiber 6 ein.

Im Ausführungsbeispiel soll der Wärmeträger Heizwasser einer Heizanlage sein. Zum Erhitzen des Heizwassers mündet die Rücklaufleitung 19 zunächst in den Verflüssiger 9, in dem das Heizwasser in einem Strömungsquerschnitt 20 geführt und in indirekten Wärmetausch mit kondensieren-

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dem Ammoniak erhitzt wird, über eine Leitung 21, die die beiden Strömungsquerschnitte 17 und 20 verbindet, tritt das im Verflüssiger 9 erwärmte Heizwasser in Absorber 3 ein. Nach der Erhitzung im Absorber 3 wird das Heizwasser noch in einem im Kopf des Rektifikators 7 angeordneten Rücklaufkühler 22 erhitzt und schließlich der Vorlaufleitung 23 der Heizanlage zugeführt.

b) Direktheizbetrieb

Erfindungsgemäß wird zum Umschalten der Heizung auf Direktheizbetrieb der Druck im Hochdruckteil der Absorptionsheizanlage gesenkt. Dieser Hochdruckteil der Absorptionsheizanlage wird vom Niederdruckteil durch die Ventile 10, 16 und die Pumpe 18 getrennt. Erfindungsgemäß ist der Hochdruckteil über eine Kurzschlußleitung 27, die zwischen Rektifikator 7 und Verflüssiger 9 von Leitung 8 abzweigt und in Absorber 3 mündet, mit dem Niederdruckteil verbunden. Zum Umschalten auf Direktheizbetrieb sowie während des Direktheizbetriebes wird ein Magnetventil 24 in der Kurzschlußleitung 27, das während des Wärmepumpenbetriebs geschlossen ist, geöffnet. Dem Magnetventil 24 ist eine Drosselstelle 25 nachgeschaltet , die so bemessen ist, daß ausgetriebenes Ammoniak in einer Menge in den Absorber 3 strömt, die ausreicht, den Druck im Hochdruckteil der Ab-Sorptionsheizanlage auf einen Wert unterhalb des Druckes zu senken, bei dem gerade noch Kondensation im Verflüssiger stattfinden kann. Dieses Druckniveau hängt außer von der Temperatur, mit der das Heizungswasser in den Verflüssiger 9 eintritt, von dem Wärmeübergangs- und Wärmedurchgangskoeffizienten der Rohrschlange im Verflüssiger ab.

Besitzt z.B. das in den Verflüssiger eintretende Heizungswasser eine Temperatur von 50⁰C und muß aufgrund des Wärmeübergangs- und Wärmedurchgangswiderstandes ein Tempera- turgradient von 6⁰C veranschlagt werden, so ergibt sich

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eine Verflüssigungstemperatur von 56⁰C. Der zugehörige Ammoniaksättigungsdruck entspricht 24,15 kp/cm².

Mit öffnen von Magnetventil 24 wird der Ventilator 12 des Verdampfers 11 abgeschaltet. Dadurch findet im Verdampfer, 11 kein Wärmetausch mit ümgebungsluft mehr statt, er ist außer Funktion. Der Druck im Verdampfer nimmt den Sättigungsdruck entsprechend der Außenlufttemperatur an. Bei -15⁰C beispielsweise ca. 2,40 ata. Das automatische Expansionsventil 10 vor dem Verdampfer 11 schließt.

Wird der Druck im Hochdruckteil durch überblasen von Ammoniak aus Leitung 8 über Kurzschlußleitung 27 in Absorber 3 unter den Sättigungsdruck von Ammoniak bei der gegebenen Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger (im oben angeführten Beispiel etwa auf ca. 20 ata) abgesenkt, findet im Verflüssiger 9 keine Kondensation des Ammoniak mehr statt.

Das gesamte, im Austreiber 6 von der Lösung befreite Kältemittel wird nunmehr, ohne den Weg über den Verflüssiger 9 und Verdampfer 11 zu gehen, als Dampf in den Absorber 3 eingeblasen und dort absorbiert. Dabei steigt der Druck im Absorber 3 bedingt durch die höhere Absorptionsendtemperatur an (wärmeres Heizungswasser). Ein überströmen von Kältemittel in den Verdampfer 11 über Leitung 13 wird jedoch durch ein Rückschlagventil 26 in dieser Leitung oder ein anderes Absperrorgan, z.B. ein Magnetventil, verhindert.

Erfindungsgemäß findet daher eine Speicherung von Ammoniak im Verdampfer nicht statt. Außerdem bleibt der Lösungsmittelkreislauf (ammoniakarmes bzw. ammoniakreiches Wasser) bestehen, da kein Umschalten der Lösungsmittelströme erfolgt.

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mm 4.

In der folgenden Tabelle sollen einige Daten des erfindungsgemäßen Prozesses angegeben werden. In dieser Tabelle sind Druck-, Temperatur- und Konzentration des Kältemittels im Lösungsmittel angegeben. Die Daten des Wärmepumpenbetriebes beziehen sich auf einen Zustand kurz vor dem gewählten Umschaltpurikt von z.B. -5⁰C. Der Druck im Absorber 3 ist identisch mit dem Kältemitteldruck im Verdampfer. Die Daten des Direktheizbetriebs geben einen Betriebszustand wieder, bei dem die Temperatur der Außenluft -15°C, die Heizwasservorlauf temperatur 7O⁰C und die Heizwasserrücklauftemperatur 50⁰C betragen soll. Die Positionen a, d geben die Lösungsmittelzustände auf der Hochdruckseite- die Positionen b, c die auf der Niederdruckseite wieder. Der Druck im Verdampfer nimmt einen Sättigungsdruck entsprechend Umgebungstemperatur an.

Tabelle

Position	Wärmepumpenbe tr i eb	T(⁰C)	0,19	P	Direktheizbetrieb	0,19
	P(ata)	160	0,19	21	T	0,19
a	21	58	0,3	9	160	0,47
b	2,3	48	0,3	9	64	0,47
C	2,3	148		21	64
d	21		108

Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich nicht nur für Heizungssysteme mit maximalen Heizungswassertemperaturen von 70°C/50°C, sondern es ist auch auf Systeme anwendbar, die eine Heizwasservorlauftemperatur von 9O⁰C und eine Heizwasserrücklauf temperatur von 70⁰C besitzen. Bei den zuletztgenannten Systemen liegt jedoch der Umschaltpunkt von Wärmepumpen- auf Direktheizung bei höheren Außentemperaturen.

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, 4h.

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Claims

(S 437) S 81/88

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Patentansprüche

15! 1.J Verfahren zum Betreiben einer monovalenten alternativen Absorptionsheizanlage, die oberhalb einer vorgegebenen Umgebungstemperatur im Wärmepumpenbetrieb und bei tieferen Temperaturen im Direktheizbetrieb arbeitet, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem Kältemittel bei hohem Druck aus einem kältemittelreichen Lösungsmittel ausgetrieben, verflüssigt, auf niedrigen Druck entspannt, durch Wärmezufuhr verdampft und von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird,sowie einem Heizmittelreislauf, in dem ein Heizmittel durch Wärmetausch mit kondensierendem Kältemittel und durch Aufnahme von Absorptionswärme erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Umschalten auf sowie während des Direktheizbetriebs Kältemittel aus dem bei Wärmepumpenbetrieb unter hohem Druck stehenden Teil der Absorptionsheizanlage in einer Menge abgezogen wird, die ausreicht, den Druck in diesem Teil der Absorptionsheizanlage auf einen Wert unterhalb des Druckes abzusenken, bei dem das Kältemittel im Wärmetausch mit Heizmittel gerade noch kondensiert, und abgezogenes Kältemittel entspannt und in dampfförmigem Zustand von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ausgetriebenes Kältemittel rektifiziert und unmittelbar anschließend aus dem Hochdruckteil abgezogen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Direktheizbetrieb Einrichtungen zum Zuführen von Wärme aus der Umgebung abgeschaltet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuergröße, die die Umschaltung vom Wärmepumpenbetrieb auf Direktheizbetrieb auslöst, die Außenlufttemperatur oder die Vorlauftemperatur des Heizmittels oder der Kältemittel-Druck im Verflüssi-

.15 ger dient.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer einen Austreiber, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Absorptionswärmepumpe, gekennzeichnet durch eine von der den Austreiber (6) mit dem Verflüssiger (9) verbindenden Leitung (8) für ausgetriebenes Kältemittel abzweigende und in den Absorber (3) mündende Kurzschlußleitung (27) mit einer Absperrvorrichtung (24) und einer dieser nachgeschalteten Drosselstelle (25) .
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrvorrichtung (24) ein Magnetventil ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (25) eine Blende oder eine Düse oder ein federbelastetes Überströmventil ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch

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gekennzeichnet, daß in der den Verdampfer (11) mit dem Absorber (3) verbindenden Leitung (13) ein ein Rückströmen von Kältemittel zum Verdampfer (11) unterbindendes Rückschlagventil (26) angeordnet ist und daß das dem Verdampfer (11) vorgeschaltete Expansionsventil (10) ein in Abhängigkeit der Temperatur und des Druckes des den Verdampfer (11) verlassenden Kältemittels automatisch öffnendes bzw. schließendes Expansionsventil ist.

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