DE3204902A1

DE3204902A1 - Einrichtung zum nutzbarmachen von waermeenergie

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Publication number: DE3204902A1
Application number: DE19823204902
Authority: DE
Inventors: Georg Prof.Dr. 8000 München Alefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1983-08-25

Description

.'^:.Λ::. 320430.2

12. Februar 1982
11199 Dr.v.B/Schä

Professor Dr. Georg Alefeld
Josef-Raps-Str.3, 8000 München 40

Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie

Zusatz zu Patent (-anmeldung P) 31 11 552

die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , insbesondere betrifft sie eine. Generalisierung der Lehren des Hauptpatentes (derzeit noch Patentanmeldung P 31 11 552.7).

'die vorliegenden Einrichtungen umfassen sowohl Absorbermaschinen als auch die Kombination von Absorbermaschinen mit Arbeitsmaschinen, d.h. Kompressions- oder Expansionsmaschinen. Unter dem Begriff "Absorbermaschine" soll eine Einrichtung zum Umwandeln der Temperaturniveaus von Wärmeenergien mit Hilfe thermochemischer Absorptionsprozesse verstanden werden. Dieser Begriff soll sowohl Wärmepumpen und Kältemaschinen umfassen (also Einrichtungen, denen Wärmeenergie bei einem hohen Temperaturniveau zugeführt wird, um Wärmeenergie von einem niedrigen Temperaturniveau

auf ein mittleres Temperaturniveau zu heben), als auch sogenannte Wärmetransformatoren (also Einrichtungen, denen Wärmeenergie in einem mittleren Temperaturbereich zugeführt wird, um Wärmeenergie bei einem hohen Temperaturniveau zu erzeugen·, wabei zusätzlich Abwärme . bei einem niedrigen Temperaturniveau entsteht).

Unter "Austa-uscheinheit" soll im folgenden eine Komponente eine Einrichtung zur Nutzbarmachung von Wärmeenergie verstanden,.j,.werden, in der durch Zu- oder Abfuhr" Von-Wärme der Wärmeinhalt eines die betreffende Einheit durchströmenden Arbeitsmittels (und gegebenenfalls Absorptionsmittels geändert wird, wobei sich gleichzeitig der Phasenzustand des Arbeitsmittels ändert. Typische Funktionen einer Austauscheinheit sind die eines Austreibers, eines Kondensators, eines Verdampfers, eines Absorbers, eines Resorbers oder eines Desorbers. Diese Komponenten, sollen im folgenden als "Hauptkomponenten" bezeichnet werden, während Pumpen, Wärmeaustauscher, spezielle Bypässe., Lösungskühler, Rektifikatoren, Drosseln, Ventile, Sammelgefäße usw. als "Nebenkomponenten" definiert werden. Durch diese Definition soll weder eine technische noch eine wirtschaftliche Bewertung der betreffenden Komponenten ausgesprochen' -■· werden·.

Bei dem Bemühen um vorteilhafte Konstruktionen ("Schaltungen") von Einrichtungen zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie wurde erkannt, daß durch die Anwendung gewisser Regeln, die für ein bestimmtes Ziel in Frage" kommenden Grundschaltungen aufgefunden werden können. Im folgenden werden diese Regeln angegeben und durch Analyse der in den jeweiligen Einrichtungen ablaufenden thermodynamischen Vorgängen begründet. Hierzu muß eine gewisse Abstraktion vorgenommen werden.

Bei der schematischen Darstellung der Prozesse bzw. Schaltungen wird eine Form gewählt, aus der nicht nur die Anzahl und die Verbindungen der Komponenten entnommen werden können, sondern bei der die relative Lage der Komponenten in einem In p" ■-» 1 /T-Diagramm der relative Betriebsdruck und die relative Betriebstemperatur der Komponenten der Einrichtung (mit Ausnahme von Arbeitsmaschinen ersichtlich ist. Die Symbolik dieser Darstellung, die eine Mischung aus Anlageschema und Prozeßschema

10im In ρ -> 1/T-Diagramm darstellt, erlaubt eine einfache und rasche Anwendung der in den folgenden Regeln enthaltenen Konstruktionsvorschriften, insbesondere des Superpositionsprinzips.

Durch die vorliegende Erfindung sollen unter Anwendung der Regeln, die sich aus dem Hauptpatent sowie aus den darauf aufbauenden deutschen Patentanmeldungen P 31 16 788.8, P 31 24 007.0 und P 31 32 461.4 ergeben, weitere vorteilhafte Einrichtungen zur Nutzbarmachung von Wärmeenergie angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Durch ■ die vorliegende Erfindung werden Einrichtungen zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie angegeben, die für viele Anwendungszwecke besondere Vorteile -mit sich bringen.

Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung und die generellen Regeln für den Entwurf von Einrichtungen der hier interessierenden Art unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elementaren Absorberkreises;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elementaren Arbeitsmaschinenkreises;

Fig. 3a und Fig. 3b schematische Darstellungen von Absorbermaschinen mit jeweils sieben Austauscheinheiten und zwei unabhängigen Kreisläufen;

Fig.. 4a und 4b schematische Darstellungen von zwei * weiteren Absorbermaschinen mit jeweils sieben Austauscheinheiten und zwei unabhängigen Kreislaufen;

Fig. 5a und 5b sowie Fig. 6a und 6b jeweils schematische Darstellungen von Absorbermaschinen mit jeweils acht Austauscheinheiten und zwei unabhängigen Kreisläufen;

Fig. 7 -schematische Darstellung von zwei weiteren Absorbermaschinen mit jeweils acht Austauschein-., heiten und zwei unabhängigen Kreisläufen;

• ·-·--- 32J349D.2

-ΙΟΊ ■ Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Absorbermaschine mit zwei unabhängigen Kreisläufen auf gleichen
Druckniveaus;

Fig. 9 ein graphische' Darstellung der Betriebsbereiche der Absorbermaschinen gemäß Fig. 8; auf die Figuren 8
und 9 wird bei der Klassifizierung der vorliegenden Einrichtungen Bezug genommen;

Fig. 10a und b schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung;

Fig. 11a bis 20a schematische Darstellungen weiterer
Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 11b bis Fig. 20b und Fig. 11c bis Fig. 20c jeweils

Fig. 9 entsprechende Darstellungen der Betriebsbereiche der in den Figuren 11a bis 20a dargestellten Einrichtungen.

Fig. 21 Schaltungen von Absorbermaschinen mit drei
unabhängigen Kreisen;

Fig. 22 Betriebsbereichdiagramme für Einrichtungen mit Schaltungen gem. Fig. 21;

Fig. 23 zweistufige Absorberschaltungen, die durch Vereinigen je einer Austauscheinheit von zwei elementaren Absorberkreisläufen entstehen;

Fig. 24a bis k spezielle zweistufige Schaltungen mit innerem Wärmetausch;

Fig. 25 Schaltungen mit zusätzlichen, relativ kleiner Austauscheinheit zum Ausgleich der Wärmebilanz;

"1 . Fig. 26 zweistufige Schaltungen, die durch Vereinigen je einer Austauscheinheit eines elementaren Absorberkreises und eines elementaren Druck- oder Arbeitsmaschinenkreises entstehen; - ■

Fig. 27a, b und 28a, b und c spezielle Absorber-Arbeitsmaschinenkreislauf schaltungen;

Fig. 29 die Absorber-Kompressorschaltung gem._,Fig. . 28a mit zusätzlicher kleiner Austauscheinheit zum Ausgleich der Wärmebilanz;

Fig. 30a bis e Absorberschaltungen zur Erläuterung einer möglichen Abwandlung der Schaltungen gem. Fig. 11a bis 20a;

Fig. 31 und 32a bis d Beispiele spezieller Schaltungen für dreistufige Einrichtungen;

Fig. 33a bis e und Fig. 34 Schaltungen und ein Diagramm zur Erläuterung von einrichtungen, die nicht Gegenstand der Erfindung sind.

Im Interesse einer einfachen Klassifizierung der Typen
der vorliegenden Einrichtungen und deren Betriebszustände als Vereinfachungen vereinbart werden,

daß die Menge des Arbeitsmittels, das eine Phasenänderung erleidet, und die Wärmeleistung der betreffenden Austauscheinheit zueinander proportional sind, so daß dieselbe Größe, wie z.B. m oder n, sowohl für die pro Zeiteinheit umgesetzte Wärmemenge 0 als auch die pro Zeiteinheit umgesetzte Menge an Arbeitsmittel verwendet werden kann. Als weitere Annahme wird zunächts vorausgesetzt, daß die relativen Druckabfälle in Leitungen und Austauscheinheiten vernachlässigbar sind. Es sei jedoch betont, daß die Gültigkeit der wichtigsten der später gezogenen Schlüsse von diesen Näherungsannahmen unabhängig sind.

Definition:

Unter einem "vollständigen Kreislauf" soll eine solche Verbindung von Austauscheinheiten oder Austauscheinheiten und mindestens einer Arbeitsmaschine verstanden werden, die ohne weitere Hauptkomponenten schon einen stationären Betrieb erlaubt und bei der die umgesetzten Wärmen und gegebenenfalls Arbeiten durch die Angabe von Betrag und Richtung eines einzigen Arbeitsmittelstromes bestimmt sind. Im einfachsten Falle besteht ein vollständiger Kreislauf entweder aus einem einstufigen Absorbermaschinenkreislauf gemäß Fig. 1 oder einem einstufigen

: -13-

JJ

1. Arbeitsmaschinenkreislauf gemäß Fig. 2. Die Kreise gemäß Fig. 1 und 2 sollen als "elementare Kreise" bezeichnet werden. Wenn bei dem elementaren Kreis gemäß Fig. -1 die Temperaturniveaus T und T' zusammen-

^ fallen, soll dieser' Kreis als "primitiver elementarer Absorberkreis" bezeichnet werden.

Für den Entwurf von Einrichtungen der vorliegenden Art gelten die folgenden Regeln: .

Kegel 1:

Jede Zusammenschaltung von Austauscheinheiten oder von Austauscheinheiten und Arbeitsmaschinen muß sich auf vollständige Kreisläufe zurückführen lassen. Eine Austauscheinheit oder Arbeitsmaschine kann beliebig vielen vollständigen Kreisläufen angehören (Superpositionsprinzip) . ■

Regel 2:

In jeder Schaltung gibt es eine bestimmte maximale Anzahl von vollständigen Kreisläufen, in denen der ., Arbeitsmittelstrom nach Betrag und Richtung beliebig, also" unabhängig von den anderen vollständigen Kreisläufen gewählt werden kann. Die maximale Zahl der vollständigen Kreisläufe, in denen der Arbeitsmittelstrom nach Betrag und Richtung gewählt werden kann ("unabhängige Kreisläufe") ist nach der folgenden Formel berechenbar:
1 plus Anzahl der Verbindungen zwischen Austauscheinheiten auf verschiedenen Druckniveaus abzüglich Anzahl der miteinander verbundenen Druckniveaus (-"Knotenpunktsgleichchung") .<?■-. .

. Regel 3:

a) Durch spezielle Wahl der Verhältnisse der Beträge von Arbeitsmittelströmen und deren Richtungen kann ein partieller oder sogar ein vollständiger innerer Wärmeaustausch zwischen zwei oder mehr Austauscheinheiten ermöglicht werden (die verschiedenen vollständigen Kreisläufen angehören müssen, aus denen die Schaltung ■gern.Regel 1 zusammengesetzt gedacht werden kann).

b) Eine Austauscheinheit oder Arbeitsmaschine kann

dann aus einer konzipierten Schaltung entfernt werden, wenn die Arbeitsmittelströme der vollständigen Kreisläufe, denen diese Komponente angehört, so gewählt werden, daß sich die jeweiligen Funktionen dieser Komponente in den jeweiligen Kreisläufen quantitativ auf- __ heben und somit der betreffenden Komponente keine Wärme bzw. Arbeit zu- oder abgeführt werden muß.

Zu den obigen Regeln sind noch einige · Bemerkungen angebracht:

Vollständige Kreisläufe dürfen so gelegt werden, daß die Verbindung zwischen zwei Austauscheinheiten durch eine oder mehrere andere Austauscheinheiten hindurchgeht,

²^ ohne daß diese letzterwähnten Austauscheinheiten mitgezählt werden. Technisch kann es nämlich zur Erzielung besonderer Effekte, wie z.B. Erwärmung, Abkühlung oder Rektifikation eines Fluidstromes wünschenswert sein, diesen durch eine Austauscheinheit, die zu einem anderen vollständigen Kreis gehört, hindurchzuführen. Will man andererseits den dabei entstehenden Druckabfall vermeiden, so kann die sich zwischen den funktionsmäßig verbundenen Austauscheinheiten befindende - Austauscheinheit (oder Austauscheinheiten) ein Bypass (Umwegleitung) geführt werden.

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¹ ι

Bei der Bestimmung der Zahl der unabhängig wählbaren • Arbeitsmittelströme nach der Knotenpunktsgleichung in Regel 2 zählt eine Arbeitsmittelleitung mit Drossel, •Pumpe, Kompressions- oder Expansionsmaschine, aber auch ein kompletter Lösungsmittelkreislauf, jeweils als eine Verbindung. ' -.

Nach Regel 1 läßt sich eine Schaltung durch Hinzufügen eines elementaren Kreislaufes, der bis zu drei Austauscheinheiten mit einem vollständigen Kreislauf der _sSchaltung gemeinsam haben kann in ihrer Funktion erweitern. Umgekehrt läßt sich jede Schaltung aus elementaren Kreisen aufbauen. Die Anwendung der Regel 3b) ermöglicht dann die Reduzierung der Anzahl der Austauscheinheiten

T 5 und Arbeitsmaschinen auf die für den jeweiligen Zweck maximal erforderliche Zahl. Wird dieses Verfahren zum Aufbau einer Schaltung angewandt, so kann in den Regeln 1 . bis 3 der Begriff "unabhängiger Kreislauf" durch den spezielleren, aber einfacheren Begriff "elementarer Kreislauf" ersetzt werden. Die maximale Anzahl der unabhängig wählbaren Arbeitsmittelströme (Regel 2) findet man dann dadurch, daß man die Zahl der elementaren Kreisläufe bestimmt, aus denen die Schaltung durch sukzessives Hinzufügen von elementaren Kreisläufen aufgebaut ' werden kann. Diese Abzählverfahren ist dann eindeutig, wenn für jeden neu hinzugefügten Kreislauf 'mindestens eine Austauscheinheit oder Arbeitsmaschine mit einer entsprechenden Komponente der schon existierenden Schaltung zusammenfällt und mindestens eine Komponente eine neue Funktion übernimmt.

Die Regel 3a) erfordert für einen vollständigen inneren Wärmeaustausch, daß die Nettowärme null ist, d.h. daß den betreffenden, im inneren Wärmeaustausch stehenden Austauscheinheiten Wärme weder zu- noch abgeführt werden muß.Aufgrund dieser Bedingung werden die Größen der Arbeitsmittelströme bestimmt /Q (n,m) = Q (n,m)y .
Die Regel 3b) erfordert nur, daß der resultierende Strom an gasförmigem Arbeitsmittel gleich null ist (n = m). ·

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Eine Reihe vorteilhafter Schaltungen, wie sie durch • Anwendung der obigen Regeln gefunden werden können, sind im Hauptpatent und den anderen oben erwähnten deutschen Patentanmeldungen beschrieben. Im folgenden sollen nun noch einige zusätzliche Schaltungen explizit angegeben werden, die sich -durch einen minimalen Aufwand an Komponenten auszeichnen und trotzdem bei bestimmten Anwendungen sehr hohe Wirkungsgrade zu erzielen gestatten.

In den Figuren 3 bis 7 sind besonders vorteilhafte Schaltungen von Absorbermaschinen dargestellt, bei denen durch Anwendung der Regeln 3a) und 3b) mit minimalem Aufwand an Komponenten hohe Wirkungsgrade erreicht werden können. Diese Schaltungen enthalten jeweils zwei unabhängige Kreise, so daß es auch hier prinzipiell vier Typen von Absorbermaschinen ergibt, die den vier möglichen Kombinationen der Umlaufrichtungen des Arbeitsmittels in den beiden unabhängigen Kreisen entsprechen.Die Austauscheinheiten der Schaltungen sind ferner so angeordnet, daß sich nur vier wesentliche Temperaturbereiche ergeben. Für jede Schaltung gibt es dann acht Betriebsbereiche, wie im Hauptpatent und den oben erwähnten älteren Anmeldungen beschrieben und in Tabelle 1 dargestellt ist.

TABELLE 1

Vorzeichen der Nettowärmeumsätze der Absorbermaschine Fig. 8 bei den Temperaturen T„ bis T in den Betriebsbereichen 1 ^Jbis 8 gemäß Fig. 9

	i	2	3	4	S	6	7	S
0»	+	+			-	-	-	-
	+	-	-	-	-	+	+	+
<?.	-	-	+		+	+	-	-
<?„		+	+	-	-	-	-	+

Bei anderer Anordnung der Austauscheinheiten ergeben sich mehr wesentliche Temperaturbereiche und andere Betriebsbereiche.

Die bei fünf Temperaturbereichen möglichen Betriebszustände 'sind in Tabelle 2 (Zeilenbezeichnung in der ersten Spalte) dargestellt.

Die Betriebszustände gem. Tabelle 1 sind bereits früher (P 31 11 552.7) anhand der in Fig. 8 dargestellten S.chaltung erläutert worden und sind außerdem in Fig. 9 als Diagramm, in dem die Arbeitsmittelströme m und η längs der Abszisse bzw. Ordinate aufgetragen sind, erläutert.

Auch die Betriebszustände gem. Tabelle 2 sind anhand der in Fig. 21a dargestellten vorgeschlagenen Schaltung erläutert worden und sind in den Fig. 22a und b graphisch dargestellt.

TABELLE 2

Vorzeichen der Värmeumsätze in den Temperaturbereichen Tq bis T.

in- den jeweiligen Betriebsbereichen 1 bis 22 der
Schaltungen gem. Fig. 21

	1	I	+	4	S	6	7	I	*	IO	Il	12	+	U	15	16	17	+	1»	20	21	V.	o.	I
O.	+	+	-	+	+	+	+	+	+	+								-					r
Qi	+	+	+	+									-			+	+		-1-	(-	+ -
Q,	+	-	+.	-	-	+	+	+·	-	-	+	-	•t-	+		-		-			-
Qx	-	-	+	+	+	-	-	-	+	+	+	-		-	-	+		-	-
Q*	+	+		-		-	+		+ -	+	-	-			+·	-	-	-	-

-|. Die Schaltung gemäß Fig. 21a ist besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Austauscheinheit, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten, ein innerer Wärmeaustausch durchgeführt wird, was in einem, zwei oder drei Tempera-

c turbereichen erfolgen kann.

Die Schaltung gem. Fig. 21b ist nicht Gegenstand der Erfindung, wenn alle drei elementaren Kreise auf dem .Prinzip einer Wärmepumpe arbeiten (Arbeitsmittelstrom in Gegenüberzeigerrrichtung). Im Betriebsreich 2 lassen sich mit den Absorbermaschinen gemäß Fig. 3 und 4 für Wärmeerzeugung jeweils Leistungsziffern zwischen 2 und 4 erzielen und bei den Absorbermaschirien gemäß Fig. 5 und 6 Leistungsziffern bis zu 5.

Die Leistungsziffer 4 wird bei der Absorbermaschine gemäß fig. 3a dadurch erzielt, daß im Temperaturbereich Tp ein vollständiger innerer Wärmeaustausch durchgeführt wird. Für Fig. 3b) gilt das entsprechende, hier kann mit relativ niedrigen Werten der Antriebstemperatur T. und zweifacher Austreibung in diesem Termperaturbereich sowie innerem Wärmeaustausch im Temperaturbereich Tp eine hohe Temperaturdifferenz überbrückt und daher Kälteleistung bei einem im Vergleich zur Umgebungs-

pctemperatur T niedrigen Wert der Temperatur "T_Q erzeugt
werden.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3a wird die Absorptionswärme, die im Kreislauf η bei T_? frei wird, als Antriebswärme für den Kreis m verwendet. Bei einer Schaltung gemäß Fig. 3b hebt der Kreis η die im· Kreis m bei T_ frei werdende Kondensationswärme auf ein höheres Temperatürniveau.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 3a läßt sich durch Variation der" Verhältnisse von η zu m die Nutzwärmetemperatur zwischen T.und T„ variieren, wobei sich eine Leistungsziffer zwischen 4 und 2 ergibt.

Mit den in Fig. 4a und . 4b dargestellten Schaltungen können die gleichen Wirkungen erzielt werden wie mit den Schaltungen gemäß Fig. 3a bzw. 3b, jedoch mittels eine Absorptionsmittel-Arbeitsmittel-Systems, dessen Lösungsfeld schmäler ist und bei dem größere Druckverhältnisse angewendet werden können, also z.B mittels
H_O/LiBr -HpO. währnd die Schaltungen gem. Fig. 3 besser für

das System NH„/ HpO geeignet sind.

In den Figuren 5a und 6a sind jeweils zwei Schaltungen mit je .acht- Hauptkomponenten dargestellt, bei denen sich "für
η = m und Wärmeaustausch bei T_ Wirkungsgrade zwischen 3
und 5 ergeben. Im Vergleich zu den Schaltungen gemäß

Fig. 3a und 3b ist jeweils nur eine weitere Austauscheinheit und ein weiterer Lösungskreislauf erforderlich, um
diese Wirkungsgraderhöhung zu erzielen. Die Schaltung

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gemäß Fig. 5a ■ mit dem bemerkenswert hohen Wirkungsgrad kann z.B. als Klimaanlage mit folgenden Betriebsdaten, die für das Arbeitsmittelsystem NH„/HpO gelten, realisiert werden: p_o = 12 bar, ρ = 6 bar, p_n = 2bar·, τ = 160 bis 18O°C;T = 90 bis 125°C; T₁ = 30 bis 40⁰C; T_n = 0 bis 8⁰C. Die Schaltung gemäß Fig.6a ist wieder besser für das System HpO/LiBr ' H_p0.geeignet, wobei die Temperaturen analog liegen.

In Fig. 5a und 6a ist jeweils noch eine Komponente bei T' gestrichelt eingezeichnet. Es handelt sich hier um einen Verdampfer, der unabhängig von den bei T_ arbeitenden Verdampfern Kälte erzeugen kann.

Mit den Schaltungen gemäß Fig. 5b und 6b können für η = m mit sehr kleinen Differenzen zwischen der Temperatur Tp. der Antriebswärme und der Temperatur T. der Abwärme und relativ niedrigen Betriebsdrücken tiefe Temperaturen T_n erreicht werden.

Um die Leistungefähigkeit der oben angegebenen Regeln zu zeigen, sind in Fig. 7 noch zwei ungewöhnliche Schaltungen mit jeweils acht Austauscheinheiten, vier Temperaturbereichen und drei bzw. vier Druckbereichen dargestellt. Auch diese Schaltungen enthalten jeweils zwei unabhängige Kreise, so daß es im Prinzip vier Typen von Absorbermaschinen mit je acht Betriebszuständen gibt. Mit m> 0, η ·< 0 stellen die Schaltungen gemäß Fig. 7a und 7b Wärmepumpen-Transformatoren dar, die sowohl Nutzkälte tiefer Temperatur T_n als auch Nutzwärme hoher Temperatur T„ aus Antriebswärme, dren Temperaturniveau T_? relativ nahe bei der Abwärmetemperatur T liegt, liefern.

Man kann aufgrund der obigen Regeln bei vorgegebener

-21-

Anzahl der Temperaturniveaus ( die die Anzahl der • möglichen Betriebsbereiche und die speziellen Betriebszustände an den Grenzen der Betriebsbereiche eindeutig bestimmt) immer Schaltungen angeben, mit der die gestellte Aufgabe gelöst werden kann. Der technische - Aufwand, d.h. die: Anzahl der erforderlichen Komponenten zur Realisierung eines Betriebszustandes kann dabei von Schaltung zu Schaltung verschieden groß sein.

Regeln 1 bis 3 gewährleisten jedoch nicht automatisch die Gewinnung aller prinzipiellen möglichen Schaltungen und es ist daher im allgemeinen nicht sicher, ob man diejenige Schaltung gefunden hat, die die gestellte Aufgabe mit dem kleinsten technischen Aufwand zu lösen gestattet.

Im folgenden wird als Regel 4 eine Lehre angegeben, die· die Darstellung und damit die Überprüfung aller prinzipiell möglichen Schaltungen garantiert. Statt der Anzahl der Temperaturniveaus seien jetzt die Schaltungen nach der Anzahl der Austauscheinheiten und, soweit vorhanden^ Arbeitsmaschinen geordnet. Die Schaltungen werden als aus elementaren Absorberoder Arbeitsmaschinenkreisen zusammengesetzt gedacht. Für die Formulierung der Regel 4 seien noch die folgenden Begriffe definiert.

Stufigkeit:

Die Stufigkeit einer Schaltung ist die Anzahl der unabhängigen elementaren Kreise, aus denen die betreffende Schaltung aufgebaut ist.

Klasse:

Eine Klassifizierung der Schaltungen der vorliegenden Art ist aufgrund der Tatsache möglich, daß bei der Zusammenschaltung zweier Kreise zur Bildung einer

mehrstufigen Einrichtung, jede Austauscheinheit des ersten Kreises mit jeder Austauscheinheit des zweiten Kreises nicht nur wärmemäßig, sondern auch stoffmäßig verbunden werden kann, so daß die beiden Austauscheinheiten zu einer einzigen zusammengefaßt werden können.

Die beiden zusammengeschälteten Kreise müssen dann selbstverständlich das gleiche Arbeitsmittel enthalten. Die Absorptionsmittel müssen nur in den Lösungskreisläufen, die mit der vereinigten Austauscheinheit kommunizieren, gleich sein. Man kann zwei Kreise auchrur wärmemäßig koppeln, in diesem Fall entfällt die Regel 3b. Bei der Zusammenschaltung zweier elementarer Absor.berkreise (die jeweils vier Austauscheinheiten enthalten) zur Bildung einer zweistufigen Einrichtung gibt es also 4 · 4 = 16 Kombinationen = 16 Klassen von Schaltungen mit maximal sieben Austauscheinheiten, also maximal sieben Temperaturniveaus und maximal drei Druckniveaus.

Einige dieser Klassen sind einander äquivalent, d.h. die Kombinationen A.B. = A-B-, wobei A und b die beiden Kreise und i bzw. j die Nummer der gemeinsamen Austauscheinheit bedeuten, so daß sich nur 10 wesentlich verschiedene Klassen ergeben.

Es ergibt sich also die folgende Definition einer Klasse von Schaltungen: Die Schaltungen einer Klasse sind hinsichtlich der Verbindungen für die zwischen den Austauscheinheiten und eventuellen Arbeitsmaschinen zirkulierenden Arbeitsmittelströme topologisch identisch.

Die Betriebsparameter Temperatur, Druck und Konzentrationen des Arbeitsmittels im Absorptionsmittel in den jeweiligen Austauscheinheiten sind zwar zum Teil voneinander abhängig, können jedoch sonst innerhalb gewisser, durch die Wahl des Arbeitsmittelsystems bestimmter Grenzen beliebige Wert annehmen. Die Elemente einer Klasse sind durch diese Werte charakterisiert.

Fig. 23 zeigt die sechzehn Klassen sowie Beispiele von Elementen dieser Klassen, die sich durch die oben erwähnte Variation der Betriebsparameter ergeben. Der Kreis A ist in allen Darstellungen gleich dargestellt (siehe Fig. 23 rechts oben) und die Austauscheinheiten der beiden Kreise sind in der beim Kreis A dargestellten Weise numeriert.

Nicht Gegenstand der Erfindung sind Klasse 2, 3 linke Schaltung und Klasse 3, 2 rechte Schaltung,' jeweils ohne inneren Wärmetausch.

Absorbermaschinentyp: In jeder der sechzehn Klassen von zweistufigen Absorbermaschinen gibt es vier Typen von Absorbermaschinen entsprechend den vier Vorzei-

chenkombinationen (++), (+-),. (-+)., (—) der Arbeitsmittelströme in den beiden miteinanderverbundenen unabhängigen Kreisläufen. Für die Schaltungen jeder Klasse gibt es eine unterschiedliche Anzahl von Betriebsbereichen und speziellen Betriebszuständen, für deren Charakterisierung und Klassifizierung die Vorzeichen in Tabeilen entsprechend den Tabellen 1 und 2^vdienen.
Besonders vorteilhaft sind im allgemeinen Betriebszustände, bei denen ein teilweiser oder vollständiger innerer Wärmetausch zwischen Austauscheinheiten, die verschiedenen* elementaren Kreisen angehören, stattfindet. Die Anzahl der Temperaturbereiche, bei denen der Einrichtung von außen Wärme zu- oder abgeführt wird, läßt sich bei einigen Klassen bis auf drei reduzieren. Die Anzahl der Druckbereiche ist immer drei.

In allen sechzehn Klassen gibt es je eine Unterklasse mit sechs Austauscheinheiten und damit maximal sechs Temperatur- und drei Druckniveaus. Diese Unterklassen zeichnen sich dadurch aus, daß bei Anwendung der Regel

c 3b) eine Schaltung entsteht, bei der die Austauscheinheit, die ursprünglich beiden Kreisen angehörte, nicht mehr vorhanden ist. Für die zweistufigen Absorbermaschinen mit Schaltungen dieser Unterklasse gibt es also noch einen einzigen unabhängigen Arbeitsmittelstrom, also ^nur noch zwei Typen. Durch Verschieben von Austauscheinheiten parallel zur Temperaturachse oder längs der Dampfdruckkurven läßt sich die Anzahl der Temperaturniveaus für einige Schaltungen von 6 bis auf 3 reduzieren.

Die Unterklassen werden nur in Kombination mit innerem Wärmetausch zwischen mindestens eine Paar von Austauscheinheiten, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten, als Erfindung beansprucht. Beispiele besonders zweckmäßiger Schaltungen dieser Art sind in fig. 24a bis k schematisch dargestellt. Die Wellenlinien symbolisieren einen inneren Wärmetausch zwischen den sie verbindenden Austauscheinheiten. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf den Wärmepumpentyp, für die entgegengesetzte Richtung des Arbeitsmittelstromes gilt analoges.

In der Schaltung gem. 24a wird bei A Antriebswärme zugeführt, bei C Kühlleistung erbracht, bei D Abwärme •abgegeben und bei F Nutzwärme hoher Temperatur abgegeben. Für das Arbeitsmittelsystem NH /HO sind die Temperaturen beispielsweise etwa

^TA	= 1	50	-	18O°C
^TF	= 1	00	⁰C
^TD	=	30	⁰C
^Tc	=	5	⁰C

In analoger Weise können die Schaltungen gem. Fig. 24c, i und k betrieben werden.

Bei der Schaltung gem. Fig. 24c wird Betriebswärme bei A zugeführt, Wärme bei C aufgenommen und Nutzwärme bei D und F abgegeben. Im Vergleich zu einer einstufigen-Wärmepumpe mit den gleichen Betriebstemperaturen- ist der Druck im Austreiber A erheblieh niedriger und kann parktisch bis auf den Druck im Verdampfer C reduziert werden.

Die Schaltung gem. Fig. 24f stellt eine der Schaltung gem. Fig. 24c analoge Wärmepumpe dar, jedoch liegt hier der Druck im Austreiber A unter dem im Verdampfer C. die gestrichelte Darstellung zeigt, daß durch
"Verschieben" der Austauscheinheit A, B, E, F in die gestrichelte Lage im In p/ (-1/T) - Diagramm der. Druck im Austreiber A¹ praktisch gleich dem Druck im Verdampfer C gemacht werden kann. B¹ und C bleiben verschiedene Komponenten.

Die Schaltung gem. Fig. 24g kann z.B. verwendet werden, um mit dem Arbeitsmittelsystem H₂ O/LiBr-Lösung Kälteleistung bei E bei einer Temperatur unter dem Gefrierpunkt von Wasser zu erzeugen.

Die Schaltung gem. Fig. 24b hat bei Verwendung des Arbeitsmittelsystems H₂ O/LiBr-Lösung den Vorteil, daß der Druck im Austreiber A höher liegt, als bei einer einstufigen Wärmepumpe und gleichen Temperaturbereichen .

Wenn bei den Schaltungen gem. Fig. 24 ein vollständiger innerer Wärmeaustausch erwünscht, aber aufgrund der vorgegebenen Betriebsparameter schwierig zu erreichen ist, wird eine zusätzliche Austauscheinheit zum Ausgleich der Wärmebilanz vorgegeben. Diese zusätzliche Austauseheinheit braucht nur klein im Vergleich zu den in Fig. 24 dargestellten Austauscheinheiten zu sein und wird an der Stelle der weggelassenen Austauscheinheit vorgesehen, so daß sich wieder zwei unabhängige Kreisläufe

ergeben. Hier gibt es jeweils drei Möglichkeiten, die in Fig. 25a, b und c für die Schaltungen gem. Fiq. 24a, b und c gestrichelt dargestellt sind.

In zwölf der sechzehn Klassen gibt es weitere Unterklassen, die dadurch charakterisiert sind, daß durch spezielle Wahl der Drücke oder der Temperaturabstände bei der Zusammenschaltung der elementaren Kreise nicht nur eine, sondern zwei Austauscheinheiten zusammenfallen, so daß Schaltungen mit sechs Austauscheinheiten, also maximal 6Temperaturniveaus und maximal drei Druckniveaus entstehen. In dieser Unterklasse sind jedoch noch immer zwei Arbeitsmittelströme unabhängig wählbar.

Besonders vorteilhaft sind die Schaltungen mit zwei Druckniveaus. Durch Verschieben der Paare von durch einen Absorptionsmittelkreislauf oder eine Druckänderungsvorrichtung miteinander gekoppelten, auf verschiedenen Druckniveaus arbeitenden Austauscheinheiten und durch Anwendung der Regel 3a) kann die Anzahl der Temperaturniveaus auf 3 erniedrigt werden (siehe z.B. Fig. 8).

Kombiniert man einen elementaren Absorberkreis mit einem elementaren Arbeitsmaschinenkreis, so ergeben sich 4 ' 2 = 8 Klassen von verschiedenen Schaltungen mit jeweils maximal fünf Austauscheinheiten, also maximal ' fünf Temperaturniveaus und drei Druckniveaus,s. Figur In jeder Klasse gibt es vier Typen von Einrichtungen. In allen acht Klassen kann durch Anwendung der Regel 3b) jeweils eine Unterklasse mit vier Austauscheinheiten und damit maximal vier Temperaturniveaus und drei

OQ Druckniveaus gefunden werden. Für die Schaltungen dieser Unterklassen gibt es nur noch einen unabhängigen Arbeitsmittelstrom, also nur noch zwei Typen von Ma-

schinen, nämlich Wärmepumpen und Kraftwerke (von denen nur die gem. Fig. 27 und 28 Gegenstand der Erfindung sind).

Bei' Verwendung eines Kompressors als Arbeitsmaschine stellt Fig. 27a eine Wärmepumpe dar, bei der in zwei Austauscheinheiten B und D Kälteleistung erbracht und in den anderen beiden Austauscheinheiten a und C Wärmeleistung erzeugt wird. fig. 27b stellt eine Wärmepumpe dar, bei der in A Nutzwärme abgegeben, • in D Kälteleistung erzeugt, in c Abwärme abgegeben und in B Antriebswärme zugeführt wird; Bei Verwendung einer Expansionsmaschine sind die Vorzeichen der Arbeitsmittel- und Wärmeströme umgekehrt.

Aus Gründen der Systematik sind in Fig. 28a bis c drei Schaltungen mit vier Austauscheinheiten und innerem Wärmeaustausch dargestellt, wie sie in der Patentan-. meldung P 32 32 461 .4 schon vorgeschlagen worden sind.

Bei den Schaltungen gem. Fig. 28 kann ein vollständiger innerer Wärmetausch immer erreicht werden, wenn man die' Wärmebilanz durch eine zusätzliche "kleine" Austauscheinheit ausgleicht, wie oben anhand der Fig. 25 erläutert worden ist und wie in Fig. 29 gestrichelt für di^fe Schaltung gem. Fig. 28a beispielsweise dargestellt ist.

In vier der acht Klassen gibt es eine weitere Unterklasse die dadurch charakterisiert ist, daß die beiden zusammengeschalteten elementaren Kreise infolge einer speziellen Wahl der» n-nücke zwei Austauscheinheiten gemeinsam haben, so daß Schaltungen mit vier Austauscheinheiten, also zwei Druckniveaus und maximal Temperaturniveaus entstehen. Durch Verschieben der Austauscheinheiten

längs der Temperaturachse und durch Anwendung der Regel 3a) läßt sich die Anzahl der Temperaturniveaus bis auf zwei reduzieren, siehe P 31 16 788.8, Fig. 3.

Alle Schaltungen mit fünf Austauscheiheiten können so betrieben werden, daß nur drei Temperaturniv.eaus auftreten; bei einigen Schaltungen ist eine Reduzierung auf zwei nach außen in Erscheinung tretende Temperaturniveaus möglich. Die Zahl der Druckniveaus ist hier immer gleich 3.

Erweitert man eine zweistufige Absorbermaschinenschaltung um einen weiteren elementaren Absorberkreislauf, so entstehen im allgemeinsten Falle 4 ' 4 · 7 "4 = 448 Klassen von dreistufigen Absorbermaschinen mit maximal 10 Austauscheinheiten , also maximal zehn Temperaturniveaus und maximal vier Druckniveaus. Es gibt Unterklassen mit acht Austauscheinheiten, da der dritte elementare Absorberkreis bis zu drei Austauscheinheiten mit der erweiterten zweistufigen Schaltung gemeinsam haben kann. Auch die Temperaturbereiche lassen sich bis auf drei reduzieren. Bei vier Stufen ergeben sich 17920 Klassen von Schaltungen.

Erweitert man eine zweistufige Absorbermaschinenschaltung durch einen elementaren Arbeitsmaschinenkreis,' so entstehen 4.4.7.2,.= 224 Klassen von weiteren dreistufigen Maschinen. Erweitert man eine zweistufige Schaltung aus einem Absorberkreis und einem Arbeitsmaschinenkreis durch einen elementaren Absorberkreis, so entstehen 4 . 2 · 5 · 4 = 160 Klassen von dreistufigen Maschinen, die nur zum Teil in den oben erwähnten 224 Klassen enthalten sind.Die drei- und mehrstufigen Schaltungen werden weiter unten noch näher erläutert. Das oben beschriebene Verfahren zur Gewinnung von Schaltungen für die vorliegenden Einrichtungen zur

-]■ Nutzbarmachung von Wärmeenergie kann also folgendermaßen
als Regel formuliert werden:

Regel A: .

Man erhält alle Klassen von zweistufigen Einrichtungen 5 oder, Maschinen, indem zwei elementare Kreisläufe zusammengeschaltet werden, daß sie eine oder zwei Austauscheinheiten gemeinsam haben. Man erhält alle Klassen von (n+1)- stufigen Maschinen ■ (n > 2), indem jede n-

Q- *

stufige Maschine mit einem weiteren elementaren Absorber-

^O oder Arbeitsmaschinenkrei.slauf so zusammengeschaltet wird, daß sie eine oder zwei oder im Falle der Erweiterung durch einen Absorberkreislauf auch drei Austauscheinheiten gemeinsam haben. Man erhält dabei manche Schaltungen mehrfach sowie auch Schaltung mit weniger als (n+1)

Stufen, ⁵

-.-■"•of .

Die Betriebsbereiche und Betriebszustände der"' Maschinen jeder Klasse lassen sich dadurch ermitteln, daß die Betriebsparameter Druck, Temperatur, Arbeitsmitteldurchsatz und Absorptionsmitteldurchsatz der Austauscheinheiten variiert werden. Es wird dabei vorausgesetzt,., d.aß die elementaren Kreisläufe, aus denen sich die. jeweilige mehrstufige Einheit zusammensetzen läßt, an jeder gemeinsamen Austauscheinheit nicht nur wärmemäßig, sondern auch hinsichtlich des Arbeitsmittelstromes miteinander gekoppelt sind. Absorptionsmittelkreisläufe, die keine Austauscheinheit . gemeinsam haben, können verschiedene Absorptionsmittel enthalten. ■

Bei vielen vorgeschlagenen zweistufigen Schaltungen, z. B. den Schaltungen gemäß Fig. 9 der deutschen Patentanmeldung P 31 32 461.4, sind die Abstände T₀- T₁ und T₁ - T_ auf der reziproken Temperaturskala annähernd gleich groß. Anhand der Figuren 10a und 10b soll· nun beispielsweise gezeigt'werden, wie durch Hinzufügen zweier weiterer Austauscheinheiten und eines Absorptionsmittelkreislaufes (Lösungsmittelkreislaufes) diese Temperaturabstände gezielt verändert werden und ungleich gemacht werden könne, ohne daß sich die Anzahl der wesentlichen Temperaturniveaus über 3 erhöht. Bei diesen neuen Schaltungen gemäß Fig. 10, bei denen der Absorberteil zweistufig ist, gibt es daher genau die gleichen Betriebszustände, wie bei den Schaltungen

.,-gemäß Fig. 9a bis 9g der deutschen Patentanmeldung P 31 32 461.4. Bei den Schaltungen gemäß Fig. 10a und 10b kann, wie dargestellt, zwischen zwei auf unterschiedlichen Druckniveaus arbeitende Autauscheinheiten jeweils eine Arbeitsmaschine geschaltet werden.

In den Figuren 11a bis 20a sind Schaltungsanordnungen aus Fig. 26 (mit Betriebszustandsdiagrammen) dargestellt, die jeweils fünf Austauscheinheiten und eine Arbeitsmaschine enthalten. Bei diesen Schaltungen sind die in ihnen enthaltenen elementaren Kreisläufe parallel zur 1/T-Achse bzw. parallel zur Inp-Achse gestreckt oder gestaucht, was im Prinzip immer möglich ist, soweit es die Eigenschaften des Lösungsfeldes des Arbeitsmittelsystems erlauben.

In den Figuren 11a bis 20a sind jeweils zwei Varianten der Schaltung dargestellt, die sich durch die Anordnung der Arbeitsmaschine unterscheiden. In den Figuren 11b bis 20b sind die Betriebszustände der jeweiligen Schaltung mit der ausgezogen gezeichneten Arbeitsmaschine

ßd dargestellt, während die Figuren 11c bis 20c die Betriebszustände für die jeweilige Schaltung mit der gestrichelt dargestellten Verbindung der Arbeitsmaschine zeigen.Die in den Fig. 11b und 20c dargestellten

^ Betriebsbereiche und Betriebszustände können aus Tabelle 2 entnommen werden, wobei jetzt die rechte Spalte als
Zeilenbezeichnung gilt. . .

"Die Schaltungen gemäß Fig. 11a bis 14a zeigen beispielsweise, wie die Drücke, Temperaturen und Konzentrationen in den Austauscheinheiten ohne Änderung der topologischen Verhältnisse nur durch Streckung des Absorptions- * 3

mittelkreislaufes verändert werden können. Diese »Streckting,' wurde hier so gewählt, daß si'ch nur vier -jQ wesentliche Temperaturbereiche ergeben. Bei den Schaltungen, gemäß Fig. 11a und T 2a ist ein vollständiger Wärmetausch zwischen den Austauscheinheiten, die im Temperaturbereich T₃ bzw. T_Q arbeiten, möglich. In

diesem Falle ist dann der Arbeitsmittelumsatz in der Austauscheinheit B bzw. C klein ■ oder sogar 0.

Die Schaltung gemäß Fig. 13a kann als Wärmepumpe mit innerem Wärmeaustausch zwischen C und E betrieben werden, wobei D eine kleine Austauscheinheit zur exakten Erfüllung der Bedingung Q₂ = 0 dient.Für die Schaltung. gemäß Fig. 14a gilt entsprechendes.

• Dig.'Schalturfgen gemäß Fig. 15a können, ahn— «' - lieh wie die gemäß Fig. 12a, Wärme von T_p nach T pumpen bei innerem Wärmetausch zwischen E und C bei T . In diesem Falle dient jedoch der kleine Kondensator oder Verdampfer D zur Erfüllung der Bedingung Q_£= ~Q_C·

Bei den Schaltungen gemäß Fig. 16a wird die Wärmebilanz bei T₂ nicht wie bei der Schaltung gemäß Figl. 9a der Patentanmeldung P 31 ' 32 461.4 durch eine temperaturmäßig tiefer liegende, sondern durch eine temperaturmäßig höher liegende Austauscheinheit ausgeglichen⁵. Es gibt also bei dem Verfahren der "Brüden-Kompression" zwei Möglichkeiten, die Wärmebilanz zwischen Kondensator und Austreiber auszugleichen.

Bei jeder der zwanzig Schaltungen gemäß Fig. 11a

bis 20a gibt es einen Betriebszustand, bei dem' nur

vier aktive Austauscheinheiten benötigt werden. Die

beiden Kreisläufen gemeinsame Austauscheinheit ist

in diesem Betriebszustand inaktiv.

In den Figuren 11b bis 20c bedeuten die Geraden ·-· Q. - Q = o, daß zwischen zwei Austauscheinheiten

1 K

(I₁ K) ein vollständiger innerer Wärmetausch stattfinden kann. In den diesen Geraden benachbarten Betriebsbereichen findet ein teilweiser Wärmeaustausch statt. Die Fig. 11b bis 20c gelten auch für reine Absorberschaltungen, wie sie in Fig. 23 dargestellt sind, und zwar jeweils für eine Absorberschaltung, die aus der zugehörigen Absorber-Kompressorschaltung gem. Fig. 11a-20a dadurch erhalten wird, daß man die Arbeitsmaschine durch ein Austauscheinheitenpaar ersetzt, das durch einen Absorptionsmittelkreislauf bzw. eine Druckänderungsvorrichtung gekoppelt ist und zwischen den gleichen Druckniveaus, wie die ersetzte Arbeitsmaschine arbeitet.

Dieses Austauscheinheitenpaar kann eine beliebige Lage bezüglich der (-1/T)-Achse haben. In Fig. 30a b und c sind drei reine Absorberschaltungen dargestellt, die aus der ausgezogen gezeichneten Schaltung in fig. 12a dadurch erhalten werden, daß man die Arbeitsmaschine W durch ein Austauscheinheitenpaar M, N ersetzt, dessen Anordnung längs der (-1/T)-Achse sich in den Fig. 30a, b und c unterscheidet.

In Fig. 30d und e ist die Arbeitsmaschine W¹ in fig. 12a jeweils durch ein Austauscheinheitenpaar M¹, N¹ ersetzt.

Die Absorberteile der Schaltungen gemäß Fig. 11a bis 20a können abgewandelt werden, wie es anhand von Fig. 10 erläutert worden ist.
35

• Λ. M .*

-33-

Die allgemeinste dreistufige reine Absorberschaltung besteht aus einer zweistufigen Absorberschaltung mit sieben Austauscheinheiten und einem zusätzlichen elementaren Absorberkreislauf, der mit der zweistufigen Schaltung eine Austauscheinheit gemeinsam hat. Eine solche dreistufige Absorberschaltung hat' maximal 10 Temperaturbereiche und drei unabhängige Arbeitsmittelkreisläufe. Durch Anwendung der Regel 3b kann die Anzahl der Austauscheinheiten auf 9 oder 8 reduziert werden. Durch Anwendung der Regel 3a""³ kann bei einer Schaltung" mit /10 "bzw. 9 Austauscheinheiten zwischen mindestens 2 Paaren bzw. mindestens einem Paar von Austauscheinheiten ein vollständiger innerer Wärmetausch durchgeführt werden.

Eine weitere Unterklasse von dreistufigen Schaltungen entsteht dadurch, daß man eine zweistufige Absorberschaltung mit sieben Austauscheinheiten mit einem elementaren Absorberkreislauf so zusammenschaltet, daß die zweistufige Schaltung und der Absorberkreislauf zwei Austauscheinheiten gemeinsam haben. Diese dreistufigen Schaltungen mit 9 Austauscheinheiten haben drei unabhängige Arbeitsmittelströme oder -kreisläufe, so daß Regel 3,a zweimal oder Regel 3b * einmal oder Regel 3a und 3b je einmal angewendet werden können.

Die nächste Unterklasse besteht aus einer zweistufigen Absorberschaltung mit sieben Austauscheinheiten und einem elementaren Absorberkreislauf, der drei Austauscheinheiten mit der zweistufigen Schaltung gemeinsam hat.Diese Schaltungen haben acht Austauscheinheiten und noch zwei unabhänbgige Arbeitsmittelströme.

Wieder andere Unterklassen von dreistufigen Schaltungen erhält man, wenn man eine zweistufige Schaltung, die sechs Austauscheinheiten und zwei unabhängige Arbeitsmittelströme aufweist, mit einem zusätzlichen elementaren

_ Absorberkreislauf so zusammenschaltet, daß eine oder zwei Austauscheinheiten gemeinsam sind. Diese Schaltungen haben neun bzw. acht Austauscheinheiten und drei unabhängige Arbeitsmittelströme.

Die nächsten Unterklassen ergeben sich, wenn man eine

zweistufige Schaltung, die sechs Austauscheinheiten

und einen einzigen unabhängigen Arbeitsmittelstrom

aufweist, mit einem elementaren Absorberkreislauf

so kombiniert, daß eine oder zwei Austauscheinheiten

gemeinsam sind. Die resultierenden Schaltungen ■ haben wieder neun bzw. acht Austauscheinheiten, aber nur zwei unabhängige Arbeitsmittelströme.

Im folgenden wird nun auf die Schaltungen näher eingegangen, die sowohl Absorberkreisläufe als auch Druckoder Arbeitsmaschinenmkreisläufe enthalten. Man erhält sechs verschiedenartige dreistufige Schaltungsunterklassen je nachdem, ob man

eine zweistufige reine Absorberschaltung AA

a) durch einen elementaren Arbeitsmaschinenkreislauf W zu einer dreistufigen Schaltung AAW erweitert, oder

eine zweistufige Absorber-Arbeitsmaschinenschaltung AW durch

b) einen Arbeitsmaschinenkreislauf W zu einer dreistufigen Schaltung AAWW oder durch

c) einen Absorberkreislauf zu einer dreistufigen Schaltung AWA erweitert und dabei

1. eine Austauscheinheit oder
2. zwei Austauscheinheiten
zusammenfallen läßt.

Durch Anwendung der Regel 3b können dreistufige Absorber-Arbeitsmaschinen-Kreislauf schaltungen erhalten werden, die nur sechs Austauscheinheiten und eine Arbeitsmaschine enthalten, wie sie z.B. in Fig. 31 mit einem unabhängigen Arbeitsmittelstrom und in Fig. 10 mit zwei unabhängigen Arbeitsmittelströmen dargestellt sind.

. In Fig. 32 a bis d sind Beispiele für dreistufige Schaltungen mit sechs Austauscheinheiten, einer Arbeitsma-■10 schine und "-drei unabhängigen Arbeitsmittelströmen dargestellt. Bei diesen Schaltungen kann daher bis zu zweimal ein vollständiger innerer Wärmetausch durchgeführt werden,

In den Fig. 33a bis f sind Schaltungen dargestellt, die bei Realisierung als mehrstufige Wärmepumpen (Kältemaschinen) nicht unter dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung . fallen sollen. Die Schaltung gemäß Fig. 33d wird auch dann nicht beansprucht, wenn beide Kreisläufe als Wärmetransformator arbeiten.

Die Schaltung gemäß Fig. 34a wird nicht für eine Maschine beansprucht, bei der der Absorberkreis und der einen Kompressor ~ enthaltende Arbeitsmaschinenkreis beide als Wärmepumpe arbeiten.

Die Schaltung gemäß Fig, 34b wird nicht für Maschinen beansprucht, die für einen Betrieb in den in Fig. 34c dargestellten Betriebsbereichen 1 und 8 (einschließlieh der Grenzen) oder für einen Betrieb auf der Grenze zwischen den Bereichen 6 und 7 ausgelegt sind. Von den erfindungsgemäßen Maschinen mit einer Schaltung gemäß Fig. 34b werden die als besonders vorteilhaft angesehen, die für einen Betrieb in den Bereichen 2 und 3 sowie 5 bis 7 ausgelegt sind.

Die Schaltung gemäß 34b wird nicht beansprucht für

Maschinen, bei denen die Arbeitsmaschine eine Expansions-• maschine ist und sowohl im Temperaturbereich T₁ als auch
im Temperaturbereich T- ein vollständiger innerer Wärmetausch stattfindet.

Die Schaltung gemäß -Fig.. 34e wird nicht von Maschinen beansprucht, bei denen der Absorberkreislauf als Wärmetransformator und der einen Kompressor enthaltende Arbeitsmaschinenkreislauf als Wärmepumpe arbeitet.

Abschließend sei noch bemerkt, daß ein durch einen Absorptionsmittelkreislauf verbundenes Paar von Austauscheinheiten, bei denen in mindestens einer ein so starker Konzentrations- und Temperaturgradient herrscht, daß die Austauscheinheiten im inneren Wärmetausch stehen können, nicht als ein elementarer Absorberkreislauf, sondern als einfaches gekoppeltes Austauscheinheitenpaar, z.B. entsprechend den Austauscheinheiten A und B in Fig. 1 angesehen werden sollen.

Der Begriff "Absorber" soll wie bei den oben erwähnten älteren Anmeldungen auch Resorber umfassen.

Leerseite

Claims

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERESIA-STRASSE 22
POSTFACH 86 02 60

D-8OOO MUENCHEN 86

320ASO-2.

ZUGELASSEN BEIM
EUROPÄISCHEN PATENTAMT

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANfJATAIRES EN BREVtTS EUROPf.TNS

ItLIION 089/4 7Oi)OOiO TLLfX .'".22 63B
TELEGRAMM SOMDCZ

11199 Dr.v.B/Schä 12. Februar 1982

Professor Dr. Georg Alefeld
Josef-Raps-Strasse 3,. 8000 München 40

Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie

Zusatz zu Patent(anmeldung P) 31 11 552.7

Patentansprüche

Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie mit zwei Absorberkreisläufen, die jeweils

eine als Austreiber arbeitende Austauscheinheit, als Kondensator arbeitende Austauscheinheit, eine als Verdampfer arbeitende Austauscheinheit und eine als Absorber arbeitende Austauscheinheit enthalten,
welche durch Leitungen, die ein Arbeitsmittel und gegebenenfalls ein Arbsorptionsmittel führen, in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreisläufe

POSTSCHECK MÖNCHEN NR. 69148-800

BANKKONTO HYPOBANK MÖNCHEN (BLZ 700 200 40) KTO. 60 602S7378 SWIFT HYPO DE MM

insgesamt sieben Austauscheinheiten enthalten, von denen eine beiden Kreisläufen gemeinsam ist (Fig. 23).
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch mindestens eine Anordnung zum Wärmetausch zwischen mindestens zwei Austauscheinheiten, die in einem gemeinsamen Temperaturbereich arbeiten und verschiedenen Kreisläufen angehören.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch
mindestens zwei Anordnungen zum Wärmeaustausch zwischen zwei Austauscheinheiten, die in einem gemeinsamen Temperaturbereich arbeiten und verschiedenen Kreisläufen angehören.
4. Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Kreisläufen insgesamt sechs Austauscheinheiten enthalten, von denen zwei beiden Kreisläufen gemeinsam sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,, daß die Austauscheinheiten jeweils paarweise in drei wesentlich verschiedenen Druckbereichen arbeiten, wobei der Umlaufsinn des Arbeitsmittels in den beiden Kreisläufen gegenläufig ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils drei Austauscheinheiten in zwei wesent- lieh verschiedenen Druckniveaus arbeiten, wobei der Nettowärmeumsatz der Austauscheinheiten auf dem zweithöchsten Temperaturniveau ungleich null ist oder der Umlaufsinn des Arbeitsmittels in mindestens einem der Kreisläufe in Uhrzeigerrichtung (Wärmetransformatorbetrieb) verläuft.

• a · ·

-3-
7.Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie mit einem Absorberkreislauf, der sechs Austauscheinheiten enthält, von denen jeweils mindestens eine als Austreiber, eine als Kondensator, eine als Verdampfer und eine als Absorber arbeitet, und die alle vom gleichen Arbeitsmittelstrom durchsetzt werden, gekenn zeichnet durch eine Anordnung zum inneren Wärmetausch zwischen zwei im gleichen Temperaturbereich arbeitenden Austauscheinheiten.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekenn zeichnet durch mindestens einen dritten Absorberkreislauf, der mindestens eine Austauscheinheit mit einem der ersten beiden Absorberkreisläufe gemeinsam hat.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 gekenn zeichnet durch mindestens einen dritten Absorberkreislauf, der mindestens zwei Austauscheinheiten mit einem der ersten beiden Absorberkreisläufe gemeinsam hat.

^^w 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch mindestens einen dritten Absorberkreislauf, der mindestens drei Austauscheinheiten mit einem der ersten beiden Absorberkreisläufe gemeinsam hat.

11. Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie

mit mindestens einem Absorberkreislauf, der eine

als Austreiber arbeitende Austauscheinheit, eine

als Kondensator arbeitende Austauscheinheit, eine

als Verdampfer arbeitende Austauscheinheit und eine

als Absorber arbeitende Austauscheinheit enthält,

welche durch Leitungen, die ein Arbeitsmittel führen, in der angegebenen Reihenfolge in Reihe geschaltet sind, und mit einem Arbeitsmaschinenkreislauf, welcher in Reihe eine als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeitende Arbeitsmaschine, eine als Verdampfer arbeitende Austauscheinheit und eine als Kondensator arbeitende Austauscheinheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkreislauf und der Arbeitsmaschinenkreislauf zusammen fünf Austauscheinheiten enthalten, von denen eine beiden Kreisläufen gemeinsam sind.

U2. Einrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 , 8 bis 11 gekennzeichnet durch mindestens eine Anordnung zum Wärmetausch zwischen zwei Austauscheinheiten, die in einem gemeinsamen Temperaturbereich arbeiten und verschiedenen Kreisläufen angehören.

13. Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11_f dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkreislauf und der Arbeitsmaschinenkreislauf zwei Austauscheinheiten gemeinsam haben und daß eine Anordnung zum Wärmetausch zwischen zwei Austauscheinheiten, die in einem gemeinsamen Temperaturbereich arbeiten, vorgesehen

ist, und daß die Arbeitsmaschine ein Kompressor ist oder der Nettowärmeumsatz der im Wärmetausch stehenden Austauscheinheiten ungleich null ist.

14. Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11_f dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberkreislauf und der Arbeitsmaschinenkreislauf zusammen vier Austauscheinheiten und die Arbeitsmaschine enthalten, die alle vom gleichen Arbeitsmittelstrom durchsetzt werden und daß eine Anordnung zum inneren Wärmetausch zwischen zwei Austauscheinheiten, die im gleichen Temperaturbereich arbeiten, vorgesehen is.t(Fig. 28).

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens einen zusätzlichen Arbeitsmaschinenkreislauf, der eine als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeitende Arbeitsmaschine sowie zwei Austauscheinheiten, die als Kondensator bzwV Verdampfer arbeiten, enthält, wobei eine Austauscheinheit dem Arbeitsmaschinenkreislauf und einem Absorberkreislauf gemeinsam ist.

1 $. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet, durch einen zusätzlichen . Absorberkreislauf, der mit dem Arbeitsmaschinenkreislauf eine Austauscheinheit gemeinsam hat.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 1 S, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmaschinenkreislauf zwei Austauscheinheiten mit einem Absorberkreislauf gemeinsam hat.

1 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und
15 bis 17 . dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufsinn des Arbeitsmittels in mindestens einem Paar gekoppelter Kreisläufe gleichsinnig ist.

1.9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, und 15 bis 17, " ' dadurch gekennzeichnet, daß der _ Umlaufsinn des Arbeitsmittels mindestens einem Paar gekoppelter Kreisläufe gegensinnig ist.