DE3200436A1

DE3200436A1 - Verfahren zum betreiben einer absorptionswaermepumpe und waermepumpe zur druchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3200436A1
Application number: DE3200436A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr.-Ing. Dr. 6330 Wetzlar Noak
Original assignee: Buderus AG
Current assignee: Buderus AG
Priority date: 1982-01-09
Filing date: 1982-01-09
Publication date: 1983-07-21

Description

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BUDERUS AKTIENGESELLSCHAFT
TP/F/St/PG 15-176 ■ ' - 5 -

Verfahren zum Betreiben einer Absorptionswärmepumpe und Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens

Herkömmlich bekannte Absorptionswärmepumpen arbeiten kontinuierlich, d.h. es ist ein kontinuierlicher Kreislauf eines·
Kältemittels durch die einzelnen Aggregate vorhanden. Das
bedingt den Einsatz einer Druckerhöhungspumpe, einer sogenannten Lösungsmittelpumpe. Diese Pumpen sind technisch
schwer zu realisieren, da sie bei einer großen Druckhöhe
(ca. 30 bar) nur ein kleines Volumen (einige 100 l/h) zu
fördern haben. Die Pumpen sind daher teuer und wenig betriebssicher.

Die bekannten kontinuierlich arbeitenden Absorptionswärmepumpen haben ferner einen recht komplizierten Aufbau, da eine
Vielzahl von Komponenten zusammengeschaltet werden muß. Ein
besonders aufwendiges Bauteil ist dabei der sogenannte
Rektifikator, in"dem die Trennung des Kältemittels (vorzugs- j weise Ammoniak) vom Lösungsmittel (vorzugsweise Wasserdampf) \"i durchgeführt wird. j

~ I Es soll ein Verfahren zum Betreiben einer Absorptionswärme- j pumpe sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete 1 Wärmepumpe geschaffen werden, welche eine aufwendige -\ Konstruktion ausschließen und die Verwendung einer Lösungs- j mittelpumpe und eines Rektifikators unnötig machen. Insbe- j sondere soll eine Möglichkeit geschaffen werden, diese \ Wärmepumpe bei nachlassender Heizleistung, z.B. infolge ^

absinkender Außentemperatur, auf Direktheizbetrieb unter Einsatz des Brenners umzuschalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch .die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Maßnahmen bestimmt.

Durch das bewußte Aufteilen des Betriebes in vier zeitlich getrennte Phasen, von denen die vierte Phase wieder mit der ersten Phase identisch ist, jedoch auch eine Sondermaßnahme erlaubt, ist es möglich, in der ersten Phase die freiwerdende Kondensationswärme, in der zweiten Phase die Wärme des Lösungsmittels und in der dritten Phase die Absorptionswärme zu Heizzwecken zu nutzen. Darüber hinaus kann in der folgenden Phase, sofern von der Sondermaßnahme Gebrauch gemacht wird, die vom Brenner dem Lösungsmittel zugeführte Fremdenergie direkt zu Heizzwecken genutzt werden. Diese letztgenannte Heizmethode kann auch auf Wunsch angewandt werden, etwa bei extrem niedrigen Außentemperaturen durch ein bewußt herbeigeführtes Verarmen des Lösungsmittels an Kältemittel.

Nähere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Wärmepumpe sind am einfachsten anhand einer Zeichnung zu erläutern. Die beigefügte Zeichnung stellt in einer einzigen Figur ein Ausführungsbeispiel in Form einer schematischen Darstellung einer Wärmepumpe dar.

Die Wärmepumpe besteht im wesentlichen aus einem Behälter zur Aufnahme des mit Kältemittel angereicherten Lösungsmittels, einem seitlich unterhalb des Behälters 1 angeordneten, durch einen Brenner 2 beheizten Austreiber 3, einem seitlich oberhalb des Behälter? 1 angeordneten Kondensator mit einem darunter liegenden Verdampfer 5 -

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und einem dem unteren Bereich des Behälters 1 zugeordneten Wärmeaustauscher 6. Durch die spezielle Zuordnung der Teile ist ein Naturumlauf des Lösungsmittels durch Schwerkraft während der einzelnen Phasen möglich. Denkbar wäre auch der Einsatz einer reversiblen Umwälzpumpe zur Erzeugung eines ^: Umlaufes, die jedoch nicht dargestellt ist.

Es wird die Wirkungsweise während der einzelnen Phasen erläutert.

Erste Phase; Das mit Kältemittel gesättigte Lösungsmittel befindet sich in dem Behälter 1. Es fließt über ein Dreiwegeventil 7 zu einer Heizfläche 8 im Austreiber 3. Hier wird es vom Brenner 2 aufgeheizt, wobei das Kältemittel aus dem Lösungsmittel ausgetrieben wird, um gemeinsam mit diesem zurück zum oberen Bereich des Behälters 1 zu strömen. Hier erfolgt eine Trennung der Komponenten, die durch Einbauten noch unterstützt wird. Das Lösungsmittel setzt sich im Behälter 1 ab. Das gasförmige Kältemittel strömt hingegen vom oberen Bereich des Behälters 1 bei geöffnetem Ventil 10 zum : ! Kondensator 4, um hier unter Wärmeabgabe an einen eine Wärmeaustauschfläche _β11 durchströmenden Wärmeträger, Vorzugsweise Heizwasser, zu kondensieren.

Während dieser. Phase wird der Brenner 2 durch einen Thermostaten 12 in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur des Wärmeträgers ein- und ausgeschaltet. Diese Temperatur wird hinter einer im oberen Bereich des Austreibers 3 angeordneten Heizfläche 24 gemessen, in der eine Nutzung der Wärme der heißen Abgase erfolgt. Ein Druckfühler 13 überwacht den Druck im Behälter 1 bzw. im Austreiber 3 und schaltet bei Erreichen des höchst zulässigen Druckes den Brenner 2 ebenfalls aus.

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Am Ende der Phase schaltet eine Schaltuhr 14 über geeignete Schalter den Brenner 2 aus, das Dreiwegeventil 7 um und das Ventil 10 zu.

Zweite Phase: Im Naturumlauf verläßt heißes Lösungsmittel den Behälter 1 aus dem Bereich des oberen Lösungsmittelstandes und durchströmt den Wärmeaustauscher 6, wo es seine Wärme an den eine Wärmeaustauschfläche 15 durchströmenden Wärmeträger abgibt. Vom Wärmeaustauscher 6 gelangt das ausgekühlte Lösungsmittel durch einen Injektor 16 und das umgeschaltete Dreiwegeventil 7 zurück zum unteren Bereich des Behälters 1.

Während dieser Phase wird die Schaltuhr 14 durch einen Thermostaten 17 solange angehalten, bis dieser eine ausreichende Auskühlung des Lösungsmittels mißt, was zur Beendigung der · ■ zweiten Phase führt.

Am Ende der Phase öffnet die Schaltuhr 14 über geeignete Schalter zusätzlich die Ventile 18, 19 in den Leitungen ; zwischen dem Kondensator 4, dem Verdampfer 5 und dem Injektor 16. Im übrigen bleibt die Schaltung der zweiten Phase erhalten.

Dritte Phase; Jetzt kann flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator 4 über das geöffnete. Ventil 18 zum Verdampfer gelangen. Vor dem Verdampfer 5 ist ein die Verdampfung anregendes, durch eine Regeleinrichtung 20 zu steuerndes Einspritzventil 21 angeordnet. Das Kältemittel verdampft, wobei ihm durch eine wärmeres Medium, das eine Wärmeaustauschfläche 22 durchströmt, aus der Umgebung Wärme zugeführt wird. Anschließend gelangt es über das geöffnete Ventil 19 zum

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Injektor 16 und durch diesen gemeinsam mit kaltem Lösungsmittel vom Boden .des Behälters 1 nach oben zum Wärmeaustauscher 6 und weiter zum oberen Bereich des Behälters 1. Dabei wird Wärme an den die Wärmeaustauschfläche 15 durch- _N strömenden Wärmeträger abgegeben. Die umkehrung der Strömung zwischen dem Behälter 1 und dem Wärmeaustauscher 6 gegenüber der zweiten Phase wird erzielt durch die Injektionswirkung, durch die Aufwärmung des Gemisches durch Teilabsorption von Kältemittel im Lösungsmittel und durch das geringere spezifische' Gewicht des Gas- Flüssigkeits- Gemisches gegenüber der reinen Flüssigkeit.

Am Ende der Phase liegt im Behälter bei ausreichend vorhandenem flüssigen Kältemittel wieder die Ausgangslösung vor. Die Schaltuhr 14 schaltet dann wieder alle Strömungselemente auf deren Stellung zu Beginn der ersten Phase um.

Folgende Phase: Die folgende Phase ist mit der ersten Phase zunächst identisch, d.h. der Zyklus setzt erneut ein. Von der Sondermöglichkeit wird dann Gebrauch gemacht, wenn das zirkulierende Lösungsmittel an Kältemittel verarmt, was auch bewußt herbeigeführt werden kann. Dieser Zustand ist dann vorhanden, wenn der Wärmeträger im. Bereich der Wärmeaustauschfläche 11 des Kondensators 4 nicht mehr genügend erwärmt wird. Es sinkt die vom Thermostaten 12 in der Vorlaufleitung gemessene Temperatur. Der Brenner 2 springt an und heizt das Lösungsmittel auf, da die Wärme nicht mehr zum Austreiben von Kältemittel dient. Der Temperaturanstieg des Lösungsmittels wird durch einen Thermostaten 23 im Behälter gemessen.

Bei Überschreiten einer festgelegten Temperatur.schaltet der Thermostat 23 das Dreiwegeventil 7 auf einen Durchgang vom Injektor 16 zur Heizfläche 8 des Austreibers 3 und

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und das Ventil 10 zu. Jetzt strömt das im Austreiber 3 erhitzte Lösungsmittel zum Behälter 1 und von dort durch den Wärmeaustauscher 6.und den Injektor 16 über das Dreiwegeventil 7 wieder zum Austreiber 3. Der Steuerimpuls des Thermostaten 23 für das Dreiwegeventil 7 wird dabei über einen Sonderkontakt geleitet, um Fehlschaltungen zu vermeiden.

Die Phase endet zur gleichen Zeit, um die auch die erste Phase geendet hätte.

Claims

BUDERUS AKTIENGESELLSCHAFT
TP/F/St/PG 15-176

Patentansprüche

ν 1 .^Verfahren zum Betreiben einer Absorptionswärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, daß

a) während .einer ersten Phase in einem Lösungsmittel absorbiertes Kältemittel durch Zufuhr von Fremdenergie ausgetrieben und durch Wärmeabgabe an einen Wärme-• träger kondensiert wird, daß

b) während einer zweiten Phase das Lösungsmittel durch Wärmeabgabe an den Wärmeträger abgekühlt wird, daß

c) während einer dritten Phase das kondensierte Kältemittel durch Zufuhr von Wärme aus der Umgebung verdampft und dann unter Wärmeabgabe an den Wärmeträger vom Lösungsmittel absorbiert wird und daß

d) als folgende Phase erneut die erste Phase beginnt mit der Möglichkeit, daß bei einem Verarmen des Lösungsmittels an Kältemittel die dem Lösungsmittel zugeführte Fremdenergie durch Wärmeabgabe an den Wärmeträger ab-

• geführt wird.

2. Verf.ahren nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß

a) während der ersten Phase das mit Kältemittel angereichert Lösungsmittel aus einem Behälter (1) in einen Austreiber (3) und nach dem Austreiben des Kältemittels zurück zum Behälter (1) strömt, wo das Lösungsmittel

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verbleibt, während das Kältemittel zu einem Kondensator (4) weiterströmt· und-hier kondensiert, daß

b) während der zweiten Phase das Lösungsmittel aus dem Behälter (1) durch einen Wärmeaustauscher (6) und zurück zum Behälter (1) strömt, daß

c) während der dritten Phase das flüssige· Kältemittel aus dem Kondensator (4) durch einen Verdampfer (5) zum Wärmeaustauscher (6) und von dort nach einer Absorption in dem vom Behälter (1) kommende Lösungsmittel zum Behälter (1) strömt, und daß

d) als folgende Phase erneut die erste Phase beginnt mit der Möglichkeit, daß bei einem Verarmen des Lösungsmittels an Kältemittel das Lösungsmittel aus dem.. Behälter (1) durch den Wärmeaustauscher (6) zum Austreiber (3) und von dort zurück zum Behälter (D strömt,

Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeiten einer bewußt herbeigeführten Ver. armung des Lösungsmittels an Kältemittel, etwa bei extrem niedrigen Außentemperaturen, nur die Alternative der Phase d) gefahren wird.

. Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens nach den An-

Sprüchen 1 bis 3> .

gekennzeichnet durch einen Behälter (1) zur Aufnahme des mit Kältemittel angereicherten Lösungsmittels, einen seitlich unterhalb des Behälters (1) angeordneten, durch einen -4£Brenner (2) beheizten Austreiber (3), einen seitlich oberhalb des Behälters (1) angeordneten Kondensator (4) mit einem darunter liegenden Verdampfer (5) und einem dem unteren Bereich des Behälters (D zugeordneten Wärmeaustauscher (6). COPY

5. Wärmepumpe nach Anspruch 4,
gekennzeichnet durch während der ersten Phase einen Kreislauf vom Boden des Behälters (1) über ein Dreiwegeventil (7) zu einer Heizfläche (8) im Austreiber (3) und von dort zurück zum oberen Bereich des * Behälters (1)

und eine Strömung vom oberen Bereich des Behälters (1) .· über ein geöffnetes Ventil (10) zum Kondensator (4).

6. Wärmepumpe nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch während der zweiten Phase bei umgeschaltetem Dreiwegeventil (7) und geschlossenem Ventil (10) einen Kreislauf vom oberen Bereich des Lösungsmittels im Behälter (1) zu dem Wärmeaustauscher (6) und von dort über das umgeschaltete Dreiwegeventil (7) zurück zum Boden des Behälters (1).

7. Wärmepumpe nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch während der dritten Phase unter Beibehaltung des Kreislaufes der zweiten Phase (Anspruch 6), : infolge der Wirkung eines Injektors (16) jedoch mit umgekehrter Strömungsrichtung

eine Strömung vom .Boden des Kondensators (4) über geöffnete Ventile (18,21) zum Verdampfer (5) und von dort über ein geöffnetes Ventil (19) zum Injektor (16) im Kreislauf zwischen dem Behälter (1) und dem Wärmeaustauscher (6).

8. Wärmepumpe nach Anspruch 4,

gekennzeichnet durch in der folgenden Phase erneut vorliegende Schaltung der ersten Phase (Anspruch 5) mit der Möglichkeit einer Unterbrechung dieser Schaltung bei einem Verarmen des Lösungsmittels an Kältemittel und der Einschaltung eines Kreislaufs vom oberen Bereich des Lösungsmittels im Behälter (1) zu dem Wärmeaustauscher (6)

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und von dort über das Dreiwegeventil (7) zum Austreiber (3) und zurück zum oberen Bereich des Behälters (1).

9. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 4 bis 8, gekennzeichnet . durch Wärmeaustauschflächen (11,15,24) im Kondensator (4), im Wärmeaustauscher (6) und im oberen Bereich des Austreibers (3) zum Hindurchleiten des Wärmeträgers.

10. Wärmepumpe, nach den Ansprüchen 4 bis 9» gekennzeichnet durch eine die phasenabhängige Umschaltung und Betätigung des Dreiwegeventiles (7), der Ventile (10, 18, 19) und des Brenners (2) bewirkende Schaltuhr 14.

11. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der ersten Phase ein im Vorlauf des Wärmeträgers angeordneter Thermostat (12) den Brenner (2) bei einer festgelegten Temperatur ein- und ausschaltet und daß ein im oberen Bereich des Behälters (1) angeordneter DrucKfühler (13) bei Überschreiten eines festgelegten Druckes zusätzlich die Ausschaltung des Brenners (2) bewirkt.

12. .Wärmepumpe nach"'den Ansprüchen 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß während -der zweiten Phase ein die Temperatur des Lösungsmittels im Behälter (1) messender Thermostat (17) bis zum Erreichen einer ausreichenden Abkühltemperatur die Schaltuhr (1.4) abschaltet.

13. Wärmepumpe nach den Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß während der Phase d) ein die Temperatur des Lösungsmittels im Behälter (1) messender Thermostat (23) bei Überschreitung einer festgelegten Höchsttemperatur das Dreiwegeventil'(7) betätigt und das Ventil (10)_ Copy schließt.