DE3207244A1

DE3207244A1 - Sorptionswaermepumpe

Info

Publication number: DE3207244A1
Application number: DE19823207244
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr.-Ing. 5630 Remscheid Kantner; Hans-Joachim 5650 Solingen Mehlau
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1981-03-14
Filing date: 1982-02-25
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE8107911U1; EP0073778A1; WO1982003268A1; JPS58500375A

Description

ν · Jon. Vaillant GmbH u. Co

DE 90k

2 4.02. 82

Sorptionswärmepumpe

Die folgende Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind bereits eine Vielzahl von Sorptionswärmepumpen bekanntgeworden., die einen von einem mit einem fluiden Brennstoff gefeuerten Brenner beheizten Austreiber aufweisen, in den eine Speiseleitung für eine Lösungsmittel-/Kältemittellösung mündet und von dem Kältemittel in dampfförmiger Form abgezogen werden kann, um zu einem Kondensator geführt zu werden. Weiterhin ist eine Austrittsleitung für arme Lösung vorgesehen.

Bei solchen Konstruktionen beziehungsweise Anlagen, muß also der gesamte Kältemitteldampf in den Kondensator geführt wer-

den, beziehungsweise er wird vom Kondensator nach Verflüssigung über das Expansionsventil in den Verdampfer gefördert. Nun kann es aber

vorkommen, beispielsweise aufgrund geringer Temperaturen der den Verdampfer speisenden Umweltenergiequelle, wie Umgebunga-

luft oder Oberflächenwasser, daß der Verdampfer nicht imstande ist, das gesamte ihm über das Expansionsventil zugeführte flüssige Kältemittel zu verdampfen. Die Folge davon ist ein Vollaufen des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel, so daß das gekühlte, flüssige Kältemittel schlußendlich in den Absorber gelangt. Damit i-st ein Wärmepumpenbetrieb unmöglich geworden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das
Zusammenspiel der Bauteile Austreiber und Kondensator zu optimieren, so daß einerseits ein möglichst optimaler Betrieb, andererseits möglichst geringe Gestehungskosten bei der Errichtung dieser beiden Bauteile auftreten.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit dem kennzeichnenden
Merkmal des Hauptanspruchs.

Der sich hieraus ergebende technische Vorteil ist im wesentlichen darin zu sehen, daß im gesamten Bereich Austreiber/Kondensator der gleiche Druck herrscht, so daß bei statisch höherer Anordnung des Kondensators gegenüber dem Austreiber
ein Rückfluß"nicht benötigten Kältemittelkondensats in den
Austreiber möglich ist, ohne daß hierzu eigene Antriebsenergie, beispielsweise durch Beaufschlagen einer Pumpe, notwendig ist.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildüngen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert .

Die Zeichnung zeigt eine Baueinheit zwischen Austreiber und Kondensator in einer schematischen Querschnittsdarstellung.

Die Kombination eines Austreibers oder Kochers 1 und eines Kondensators 2 ist in einem gemeinsamen Gehäuse 5 untergebracht, wobei der Kondensator oberhalb des Austreibers vorgesehen ist, der von einem von einer Brennstoffzuführleitung 4 gespeisten Ölbrenner 5 beheizt ist, und aus dem eine Leitung für arme Lösung 6 herausführt. Innerhalb des Austreibers 1 stellt sich bis zu einem Pegelstand 7 arme' Lösung im unteren Bereich 8 ein. Oberhalb des Austreibers 1 erstreckt sich in einem Bereich 9, zwischen Austreiber und Kondensator gelegen, ein Rektifikationsbereich, der im wesentlichen aus einzelnen Überlaufböden 10 besteht. Diese Überlaufböden 10 weisen zentrale Öffnungen 11 auf, die von einem Deckel 12 unter Freilassung von Ringspalten 13 abgedeckt sind. Die Deckel 12 weisen herabgezogene Ränder 14 auf, die Ränder der zentralen Öffnungen 11 sind mit hochgestellten Randbereichen 15 versehen. Die Abmessungen sind dabei so gehalten, daß der Randbereich 15 um einen Abstand 16 höher reicht als der Rand 14· In einem seitlichen Bereich jedes Überlaufbodens 10 ist

. 9.

ein überlaufrohr 17 vorgesehen, das in einem Abstand 18 oberhalb des Überlaufbodens beginnt, durch den Überlaufboden hin-

durch führt und in einem Abstand 19 oberhalb des tieferen Überlaufbodens endet. Der Abstand 19 ist hierbei so gehalten, daß er kleiner ist als die Höhe des Randbereichs 15, er ist aber kleiner gehalten als der Bereich, der unterhalb des Randes 14 bis zum tieferen Boden herrscht. Somit verbinden die einzelnen Überlaufrohre 17 jeweils die Oberseiten zweier unmittelbar übereinanderliegender Überlaufboden.

Es können eine Vielzahl von Überlaufböden vorhanden sein, je nachdem, welcher Reinheitsgrad einerseits an armer Lösung', andererseits an Kältemitteldampf gewünscht wird. Wesentlich ist, daß an einem mittleren Bereich eine Zufuhrleitung für reiche Lösung 20 vorgesehen ist, so daß dem Innenraum 21 des Gehäuses 3 reiche Lösung, beispielsweise mittels einer Lösungsmittelpumpe, zugeführt wird. Das Höhenniveau des Anschlusses der Leitung 20 kann hierbei variiert werden, indem beipielsweise oberhalb mehrerer Überlaufboden 10 Anschlußmöglichkeiten für die Leitung 20 vorgesehen sind, die jeweils durch Ventile absperrbar sind. Hierbei kann dann das eine oder andere Ventil ausgewählt werden. Die Auswahl-des Ventils, an dem die Zufuhr reicher Lösung vorgenommen wird, ist dabei abhängig von dem jeweiligen Konzentrationsgrad der reichen Lösung. Je ärmer die reiche Lösung an Kältemitteldampf ist, je geringer also der Konzentrationsgrad ist, um so tiefer wird das Niveau des Einlaufs gewählt. Es wäre daher möglich, auf jedem Überlaufboden einen Konzentrationsmessor zur Pest-

Stellung des Konzentrationsgehaltes der reichen Lösung an Kältemitteldampf vorzusehen und die Zufuhrleitung 20 jeweils auf dem Niveau desjenigen Überlaufbodens durch Öffnen des zugehörigen Ventils münden zu lassen, das dem tatsächlichen Konzentrationsgrad am meisten entspricht.

Oberhalb des obersten Überlaufbodens ist eine Kondensatauffangvorrichtung 22 vorgesehen, die unmittelbar unterhalb einer Wärmetauscherrohrschlange 23 vorgesehen ist, die den Bereich des Kondensators 2 innerhalb des Gehäuses 3 markiert. Die Wärmetauscherrohrschlange ist an eine Zufuhrleitung 24 und an eine Abfuhrloitung 25 angeschlossen, durch die ein aufzuheizendes Medium geführt ist. Dieses aufzuheizende Medium stellt vorzugsweise den Verbraucher der Sorptionswärmepumpe dar, beispielsweise eine Heizungsanlage. Aufgefangenes Kondensat der Auffangvorrichtung 22 kann mittels Gefalle über-eine Kondensatleitung 26 zu einem Dreiwegeventil 27 abgeführt werden, das von einem-Stellglied 28 beherrscht ist, dem kontinuierlich wirkende Stellsignale über eine Stelleitung 29 von einem nicht dargestellten Regler zugeführt werden können. Vom Dreiwegeventil geht eine Kondensatleitung 30 zu einem Expansionsventil und zum Verdampfen der· Wärmepumpe ab, während eine Kondensatrückführleitung 31 mit Gefalle zum Innenraum 21 des Gehäuses 3 zurückführt, und zwar auf ein Niveau oberhalb des"obersten Überlaufbodens 10.

Die Punktion der eben beschriebenen Baueinheit Austreiber/Kondensator ist folgende:

m · ♦ · β ι

• · · 1

t ι

m *

«■·■ mm λ .

Im Betrieb der zugehörigen Wärmepumpenanlago ist der Brenner 5 durch über die Brennstoff-Zufuhrleitung 4 zugeführtes Öl geprüft. Damit wird die Unterseite des Gehäuses 3 "beheizt,

* so daß die hierin vorhandene Lösung 8 gekocht wird. Hierbei bildet sich oberhalb des Flüssigkeitspegels 7 ein Gemisch aus Kältemitteldampf und dampfförmigem Lösungsmittel. Bevorzugt findet als Kältemittel NH3 Verwendung, als Lösungsmittel wird Wasser benutzt. Hierbei hat NH3 einen erheblich niedrigeren Siedepunkt als Wasser. Beim Kochen der Lösung 8 wird also bevorzugt Kältemitteldampf frei, der aber dampfförmiges Lösungsmittel mi-treißt. Das Gemisch beider Dämpfe gelangt durch die unterste zentrale Öffnung 11 auf ein Niveau oberhalb des untersten Überlaufbodens 10. Da der Randbereich 15 inRichtung der Symmetrieachse 52 des zylinderförmigen Gehäuses 3 in Richtung dieser Achse höher liegt als der Rand 14, muß im Bereich des Ringspaltes 13 das Dampfgemisch durch die dort anstehende Lösung hindurchtreten. Diese Lösung steht deswegen oberhalb eines jeden Überlaufbodens 10, da reiche Lösung über die Leitung 20 zugeführt wird. Gleichermaßen wird über die nicht dargestellte Lösungsmittelpumpe im unteren Bereich unterhalb des Pegels 7 arme Lösung über die Leitung"6 abgeführt . Da durch den Kochvorgang laufend mehr Kältemitteldampf aus der Lösung 8 ausgetrieben wird als Wasser, verarmt die Lösung, so daß man gegenüber der aus der Leitung 20 zugeführ— ten Lösung von armer Lösung sprechen kann. Beim Durchperlen des Dampfes durch die jeweiligen Niveaus an Flüssigkeit oberhalb eines jeden Überlaufbodens 10 wird aufgrund der nach

oben innerhalb des Gehäuses 3 von Überlaufboden zu Überlaufboden fallenden Temperatur durch die dort anstehende Lösung bevorzugt dampfförmiges Lösungsmittel niedergeschlagen, während aufgrund der herrschenden fallenden Temperaturen Kältemitteldampf bevorzugt nicht kondensiert wird. Daraus folgt, daß von Stufe zu Stufe beziehungsweise von Überlaufboden zu Überlaufboden mit wachsender Entfernung vom Pegel 7 der Konzentrationsgrad der an der Oberseite der Überlaufböden' 10 anstehenden Flüssigkeiten an Kältemitteldampf steigt. Während zum Beipiel das Verhältnis von Kaltemitteldampf zu Lösungsmittel nach Verlassen des Pegels 7 etwa 65 % zu 35 $ beträgt, lautet dieses Verhältnis nach Passieren des ersten Überlaufbodens 80 ^ zu 20 ^. Oberhalb des letzten Bodens ist ein Konzentrationsgrad von nahezu 97 # zu gunsten des Kältemitteldampfes erreichbar. Hieraus folgt, daß sich der Kältemitteldampf vom Pegel 7 weg nach oben durch die einzelnen Überlaufböden bewegt und hierbei an Reinheit zunimmt. Treibende Kraft für das Bewegen nach oben ist das nachdrückende ausgetriebene Dampfgemisch.

Wie beschrieben, kondensiert auf den einzelnen Böden vorzugsweise Lösungsmittel aus, so daß das Niveau an Flüssigkeit auf den einzelnen Böden steigt, bis der Abstand 18 jeweils überschritten ist. Nach Überschreiten des Abstandes 18 fließt Lösungsmittel vom oberen Boden jeweils zum unteren Boden. Im stationären Betrieb findet also ein stetiger Aufwärtsstrom von Kältemitteldampf statt, dem ein stetig abwärts sich bewegender Strom von Lösung entgegengerichtet ist. Während der

Reinheitsgrad des Kältemitteldampfes vom Austreiber weg zunimmt, nimmt der Reinheitsgrad an Lösungsmittel in Richtung

auf den Austreiber zu.

Nach Verlassen des obersten Überlaufbodens and Passieren d«u Ringspaltes zwischen Kondensatauffangvorrichtung 22 und dein Innenmantel des Gehäuses 3 gelangt das dampfförmige Kältemittel in den Bereich des Kondensators 2. Aufgrund der Kühlwirkung der Rohrschlange 23 kondensiert das Kältemittel und tropft in die Kondensatauffangvorrichtung 22, von der es aufgrund statischen Gefälles über die Kondensatleitung 26 abgeführt wird. Je nach der gerade gewählten, vom Status der Anlage, vom Verbraucherverhalten sowie von der Temperatur der Umweltquelle abhängigen Zwischenstellung des Stellgliedes 28 wird ein mehr oder weniger großer Teil des flüssigen Kondensats über die Leitung 31 auf den obersten Überlaufboden zurückgeführt. Der andere Teil gelangt über die Leitung 30 über das Expansionsventil in den Verdampfer, wird dort verdampft, wird im Bereich des nicht dargestellten Absorbers mit der aus der Leitung 6 abgeführten armen Lösung zusammengebracht, absorbiert und mittels der Lösungsmittelpumpe über die Leitung 20 dem Innenraum 21 der Baueinheit wieder zugeführt .

Auu der vorstehenden Beschreibung ist aomil erstchLlioh, daß der gesamte Innenraum 21 vom Bereich des Austreibers 1 bis zum obersten Bereich des Kondensators 2 unter dem gleichen Innendruck steht. Hierbei können je: nach zugeführter Heiz-

leistung über den Brenner 5 Drücke von 14 "bis 25 bar im Innenraum 21 auftreten. Die Temperaturen können im Bereich des Kochers 1 von 120 bis 180° variieren, während im Kondensatorbereich Temperaturen von 45 bis 60° möglich sind. Das in der Leitung 30 abgeführte Kältemittel hat eine Temperatur von 40 bia ο bwa. 50°. Im Boreich dea Rektii'ikabors 9 können Temperaturen von minimal 70 bis maximal 120° über den Bereich von oben nach unten verteilt auftreten.

Claims

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Job. Vaillant GmbH u. Co DE 904

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Ansprüche

. '; Sorptionswärmepumpe mit einem Austreiber und einem Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (1) und der Kondensator (2) gemeinsam eine Kolonne (3) bilden.
2. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austreiber (1) und der Kondensator (2) in einem gemeinsamen Gehäuse (3) angeordnet sind.
3· Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) als im Dom (.32) des gemeinsamen Gehäuses (3) untergebrachter Rohrschlangenwärmetauscher (23) ausgebildet ist

und mittels Vor- und Rücklaufleitung (24, 25) an den Verbraucher angeschlossen ist.
4· Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Kondensators (2) eine Kondensatauffangvorrichtung (22) vorgesehen ist.
5· Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Austreiber (1) und Kondensator (2) ein Rektifikator (9) vorgesehen ist. - ·
6. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rektifikator aus einer Vielzahl übereinander angeordneter Überlaufböden (10) besteht.
7. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Überlaufboden (10) mit Ausnehmungen (11) versehen sind, die von einem Deckel (12) unter Freilassung eines Spaltes (13) abgedeckt sind.
8. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 7; dadurch gekennzeichnet, daß die Überlaufböden (10) im Bereich der Ausnehmungen (11) hochgestellte Randbereiche (15) aufweisen und daß die Deckel' (12) den hoch-

- 3 —

.3.

gestellten Randbereichen (15) entgegengesetzt gerichtete Ränder (14) aufweisen.
9· Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des hochgestellten Randbereiches (15) größer ist als der Spalt, der zwischen dem Ende des Randes und dem zugehörigen Überlaufboden verbleibt.
10. Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Überlaufboden (10) mit einem Überlaufrohr (17) versehen ist, das im Abstand (18) vom Überlaufboden (10) beginnt und im Abstand vom tiefer gelegenen Überlaufboden (10) endet.
11. Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (18) des Überlaufrohres (10) vom zugehörigen Überlaufboier. grc'ier ge halmen ist s.Ls der .Vostar.i zvischer. dem Rand (14) und dem zugehörigen Überlaufboden (10).
12. Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11", dadurch gekennzeichnet, daß an die Kondensatauffangvorrichtung (22) eine Kondensatleitung (26) angeschlossen ist, die zu einem Dreiwegeventil (27) führt, und der Ein-, Auslaß des Dreiwegeventils

mit einer Kondensatrückleitung (31) versehen ist, die oberhalb des obersten Überlaufbodens (IO) in den Innenraum (21) des Gehäuses (3) mündet.
13· Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Rektifikators (9) eine Zufuhrleitung (20) für reiche Lösung mündet.
14· Sorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Überlaufböden je ein mit einem Absperrventil versehener Anschluß für die Leitung (20) vorgesehen ist.
15· Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler vorgesehen ist, dem Konzentrationsgradmeßfühler zugeordnet sind, die oberhalb der Überlaufboden (10) vorgesehen sind, und daß ein weiterer Konzentrations fühler im Bereich der Leitung (20) vorgesehen ist und daß vom Regler dasjenige Ventil geöffnet wird, das die Leitung (20) mit dem Überlaufboden (10) verbindet, dessen Lösung am nächsten in ihrem Konzentrationsgrad mit dem Konzentrationsgrad der Lösung innerhalb der Leitung (20) übereinstimmt.
16. Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis

15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatabführ-

leitung (26) mit Gefälle geführt ist.

17· Sorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16,.dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatleitung (31) vom Dreiwegeventil (27) mit Gefälle geführt ist.