DE3541377A1 - Absorptions-waermepumpe - Google Patents

Description

Absorptionswärmepumpe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Absorptionswärmepumpe und insbesondere auf eine solche, die Wasser als Kühlmittel und eine wässrige Lithiumbromid-Lösung als Absorptionsmittel verwendet.

Eine Absorptionswärmepumpe, bei der üJasser und eine wässrige Lithiumbromid-Lösung verwendet werden, ist beispielsweise in der japanischen Patent-Dffenlegungsschrift 55-63364 beschrieben. Diese Wärmepumpe besteht im wesentlichen aus einem Verdampfer, einem Absorber, einem Regenerator und einem Kondensor. Im Verdampfer wird Wasser (Kühlmittel) mittels einer Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren verdampft, durch welche ein erstes Heizmedium geführt ist. Der Wasserdampf wird in dem Absorber von einer wässrigen Lösung von Lithiumbromid (Absorptionsmittel) absorbiert, wobei ein Wärmeträgerfluid, das durch den Absorber geführt wird, durch die bei der Absorption erzeugte Absorptionswärme erhitzt wird". Im Regenerator wird das verdünnte Absorptionsmittel, . das von dem Absorber durch einen Wärmetauscher zugeführt wird, von einem zweiten Heizmedium erhitzt, so daß das

2G absorbierte Wasser aus dem Absorptionsmittel verdampft wird. Das durch den Regnerationsprozeß erhaltene konzentrierte Absorptionsmittel wird durch den vorgenannten Wärmetauscher hindurch in den Absorber zurückgeführt, in welchem es zur Wasserdampfabsorption wieder verwendet wird. Im Kondensor wird der von dem Regenerator zugeführte Wasserdampf zwecks Kondensation durch eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrohren abgekühlt, durch welche ein Kühlmittel strömt.

Bei dieser bekannten Wärmepumpe wird die Verdampfung von Wasser im Verdampfer indirekt durch die Wärmeübertragungs-3G rohre bewirkt, durch welche das erste Heizmedium geschickt

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wird. Um dabei die Gechwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen dem Wasser und dem Heizmedium zu verbessern, ist es notwendig, die üJärmeübertragungsfläche durch Vergrößerung der Anzahl der UJärmeübertragungsrohre zu erhöhen, was zu erhöhten Kosten führt. Ein weiteres Problem bei solchen Wärmepumpen besteht darin, daß selbst bei Vergrößerung der Anzahl der Wärmeübertragungsrohre die Ausgangstemperatur des Heizmediums höher sein muß als die Temperatur des erzeugten Wasserdampfes, so daß die volle Ausnutzung der Wärme des Heizmediums ausgeschlossen ist, trotz einer nutzbaren Temperaturdifferenz zwischen dem Heizmedium und dem Wasserdampf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Absorptionswärmepumpe zu schaffen, die kostenmäßige Vorteile bietet und einen hohen Arbeitswirkungsgrad hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch^ 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag wird das Kühlmittel in der Verdampfereinheit durch Entspannungsverdampfung (flash-2D evaporation) verdampft, indem die Eigenwärme desselben ausgenutzt wird, wodurch die Anordnung von Wärmeübertragungsrohren mit den vorher beschriebenen Nachteilen vermieden wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Wärmeträgerfluid, das durch die Absorbereinheit strömt, nach Verlassen derselben durch die Kondensoreinheit geleitet· und durch die Kondensationswärme, die in der Kondensoreinhe.it erzeugt u.ird, wiedererhitzt. In diesem Fall dient das Wärmeträgerfluid auch als Kühlmedium für die Kondensation, wobei es sowohl die Absorptionswärme in der Absarbereinheit als auch die Kondensationsuiärme in der Kondensareinheit aufnimmt.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführung der Erfindung besteht das Heizmedium, das durch die Regenerationseinheit strömt, aus der gleichen Substanz wie das Kühlmittel, und es wird nach l/erlassen der Regenerationseinheit in der Verdampfungseinheit als Kühlmittel entspannungswerdampft. Diese Anordnung ist geeignet zur Schaffung einer mit hohen Temperaturen arbeitenden Wärmepumpe, da das Heizmedium nach V/erlassen der Regenerationseinheit noch eine ausreichend hohe Temperatur hat.

1D Die Kondensation des Kühlmitteldampfes in der Kondensoreinheit kann vorteilhaft dadurch bewirkt werden, daß der Kühlmitteldampf mit einer durch Sprühen zugeführten Flüssigkeit der gleichen Substanz in direkten Kontakt gebracht wird. Gegenüber der bekannten Wärmepumpe, bei der die Kondensation indirekt mit Hilfe einer großen Anzahl von LJärmeübertragungsrohren durchgeführt wird, ist die vorgeschlagene Anordnung einfach in ihrer Konstruktion, kostengünstig und sie kann in ihren Abmessungen verringert uierden.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung ,in Verbindung mit der Zeichnung.

, Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm einer Absorptionswärmepumpe entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm einer Absorptions-Wärmepumpe entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1, die eine IMiedertemperatur-Absorptions-Wärmepumpe zeigt, ist mit 1 ein Verdampfer mit einer Entspannungs-Verdampfungseinrichtung mit 2 bezeichnet. Der Entspannungs-3D Verdämpfungseinrichtung 2 wird durch eine Leitung k Wasser mit beispielsweise kO C als Kühlmittel durch ein Druckreduzierventil 3 zugeführt, wobei ein Teil des Wassers verdampft wird, wenn es die Entspannungs-Verdampfungsvorrichtung 2 verläßt. Der unverdampft bleibende Teil des Wassers,

dBSBEn Temperatur beispielsweise auf 28 G gesunken ist, wird durch eins Pumps 5 weggefördert (die strichpunktiert dargestellten Teile sind unberücksichtigt zu lassen). Die Temperatur des Wasserdampfes 6, der in dem Verdampfer 1 erzeugt wurde, beträgt beispielsweise 28⁰C, und der Druck in dem Verdampfer 1 beträgt z.B. 28 mmHg.

In einem Absorber 7 wird der von dem Verdampfer 1 zugeführte Wasserdampf 6 von einem Absorptionsmittel absorbiert, das aus einer Lithiumbromid-Lösung besteht. Die bei der

1D Absorption entstehende Absarptionswärme wird dazu benutzt, ein Wärmeträgerfluid 8, das eine Eingangstemperatur von beispielsweise 58^DC hat, in dem Absorber 7 auf z.B. 62^GC zu erhitzen. Der Druck innerhalb des Absorbers' 7 beträgt ebenfalls etwa 28 mmHg. Das verdünnte Absorptionsmittel 9, das aus der Absorption des Wasserdampfes 6 entstanden ist, uird mittels einer Pumpe 10 mit einer Temperatur von z.B. 65 C aus dem Absorber 7 abgepumpt und dann durch einen Wärmetauscher 11 geführt, in welchem das verdünnte Absorptionsmittel 9 auf z.B. 1DD C erhitzt wird, und darauf ,einem Regenerator 12 zugeführt. Die Vorerwärmung des Absorptionsmittels 9 vor dem Eintritt in den Regenerator ' dient dazu, die notwendige Wärmezufuhr im Regenerator 12 zu verringern.

Der Regenerator 12 wird von einem Heizmedium 13 durchströmt, dessen Wärme dazu dient, den absorbierten Wassergehalt des verdünnten Absorptionsmittels 9 zu verdampfen. Das durch den Regenerationsprozeß konzentrierte Absorptionsmittel ^k wird durch eine Pumpe 15 von dem Regenerator 12 abgesaugt, wobei es eine Ausgangstemperatur von z.B. 115 C 3D hat. Es durchströmt den vorgenannten Wärmetauscher 11, in welchem seine Temperatur auf z.B. 8D C absinkt, und wird schließlich wieder in den Absorber 7 zurückgeführt, in welchem es für den Absorptionsprozeß wiederverwendet wird.

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Der Druck innerhalb des Regenerators 12 beträgt 22D mmHg, und die Temperatur das in diesem erzeugten Wasserdampfes ist 115^DC. Die Eingangs- und Ausgangstemperaturen des Heizmediums 13 betragen beispielsweise 125^DC bzw. 120^DC.

Der Wasserdampf 16 mit 115⁰C aus dem Regenerator 12 dient dazu, das Wärmeträgerfluid B, das beim Durchgang durch den Absorber 7 bereits auf 62 C erhitzt wurde, in einem Kondensor 17 weiter auf z.B. 65^DC zu erhitzen, während der Wasserdampf 16 selbst bei einer Temperatur von 68^DC zu Wasser kon-

1D densiert. Der Druck in dem Kondensor 17 beträgt ebenfalls etwa 22D mmHg. Das Kondensat 18 wird dem Verdampfer 1 als Wärmequelle mittels einer Pumpe 19 zugeführt. Das Wärmeträgerfluid 8 wird nach Durchströmen des Kondensors 17 einem nicht dargestellten äußeren Verbraucher, beispielsweise' einem Heizsystem mit direktem Wärmetausch, zugeführt.

In Abänderung der beschriebenen Anordnung kann das in dem Verdampfer 1 gesammelte Wasser in einem geschlossenen Kreislauf von der Pumpe 5 durch einen Abgaskühler 2G zwecks wiederholter Entspannungsverdampfung in den Verdampfer 1 zurückgeführt werden. Der Kühler 20 und der.diesbezügliche Kreislauf sind strichpunktiert dargestellt. Bei dieser Abwandlung ist es möglich, das Eintreten von nicht kondensierbaren Gasen, wie z.B. Luft, welche Vakuumleckagen und eine Verringerung des Wirkungsgrades zur Folge haben könnten, in das Kühlsystem zu vermeiden, da ein vollständig geschlossener Kreislauf für das Kühlmittel (Wasser) vorhanden ist. Es sei darauf hingewiesen, daß das flüssige Lithiumbromid (Absorptionsmittel) in der Gegenwart von Luft korrosiv wird, und auch aus diesem Grunde muß das Eintreten von Luft verhindert werden.

Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, die eine Hochtemperatur-Absorptions-üJärmepumpe darstellt, welche wie die Anlage gemäß Fig. 1 einen Verdampfer 21, einen Absorber 27,

einen Wärmetauscher 31, einen Regenerator 32 und einen Kondensor 37 aufweist. Der Verdampfer 21 enthält eine Entspannungs-Verdampfungsvorrichtung 22, die durch ein Druckmittelreduzierventil 23 mit heißem Wasser 2k von z.B. B5^DC versorgt wird, wobei ein Teil des Wassers 2k verdampft, wenn es die Verdampfungsvorrichtung 22 verläßt. Der unverdampft bleibende Anteil des Wassers 2k, dessen Temperatur auf z.B. BD C abgesunken ist, wird mittels einer Pumpe 25 nach außen abgeführt (die strichpunktiert dargestellten Teile sind unberücksichtigt zu lassen). Die Temperatur des in dem Verdampfer 26 erzeugten Wasserdampfes 26 beträgt 80 C und der Druck innerhalb des Verdampfers 21 beträgt 360 mmHg.

In dem Absorber 27 wird der van dem Uerdampfer 21 kommende Wasserdampf 26 von einem aus einer wässrigen Lithiumbromid-Lösung gebildeten Absorptionsmittel absorbiert, und ein durch den Absorber 27 geführter Strom eines Wärmeträgerfluids 28, das eine Eingangstemperatur von z.B. 90^DC hat, wird durch die bei der Absorption entstehende Absorptionswärme auf 1-25⁰C erhitzt. Der Druck innerhalb des Absorbers 27 beträgt ebenfalls etwa 360 mmHg. Das Wärmeträgerfluid 28 wird dann • einem nicht dargestellten äußeren Verbrauchersystem zugeführt. Das verdünnte Absorptionsmittel 29, das sich durch die Wasserdampf-Absorption ergab, wird mittels einer Pumpe 3D v°ⁿ dem Absorber 27 mit einer Ausgangstemperatur von z.B. 13O⁰C abgepumpt und dann durch einen Wärmetauscher 31 geführt, wobei seine Temperatur auf z.B. 85 C verringert wird, und schließlich dem Regenerator 33 zugeführt.

Heizwasser 33 mit einer Einlaßtemperatur von z.B. 90 C wird durch den Regenerator 32 geführt, so daß der absorbierte Wassergehalt des verdünnten Absorptionsmittels 29 durch die Wärme des Heizwassers 33 verdampft wird. Das durch die Regeneration erzeugte konzentrierte Absorptionsmittel 3k verläßt den Regenerator 32 mit einer Ausgangstemperatur von

z.B. 8D⁰C und idird dann durch den vorgenannten Wärmetauscher 31 gEführt, in lüelchEm seine TEmpEratur auf z.B. 125^DC erhöht und damit an die Arbeitstemperatur des Absorbers 27 angepaßt wird, in den es nun zurückgeführt wird zuiecks Wiederverwendung für den Absorptionsprozeß. Der Druck in dem Regenerator 32 beträgt 32 mmHg und die Temperatur des in diesem entstehendem Wasserdampfes 36 ist 8D⁰C. Das Heizwasser 33 hat auch nach Durchströmen des Regenerators 32 noch eine hohe Temperatur von z.B.

1D 85°C. Als solches wird das Wasser 33, wenn es ausreichend rein ist, als Kühlmittel (Hochtemperaturuasser) 24 in den Uerdampfer 21 zwecks Entspannungswerdampfung zurückgeführt. Wenn das Wasser 33 eine unzureichende Reinheit aufweist, kann es dem Uerdampfer 21 als Wärmequelle zur Unterstützung der Entspannungsverdampfung zugeführt werden.

In den Kondensor 37 wird Wasser 39 mit z.B. 24⁰C durch Sprühdüsen 38 eingesprüht, und der Wasserdampf 36 vom Regenerator 32 wird durch direkten Kontakt mit dem eingesprühten Wasser 39 wirksam kondensiert. Das kondensierte Wasser 40 mit z.B. 3O⁰C, wird mittels einer Pumpe 41 abgeführt (der in strichpunktierten Linien dargestellte Teil • bleibt unberücksichtigt).

In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels von Fig. 2 kann kondensiertes Wasser 4D, das im Kondensor 37 gesammelt wurde, in geschlossenem Kreislauf von der Pumpe 41 durch einen indirekten Kühler, beispielsweise einen luftgekühlten Wärmetauscher 42 mit Gebläse 43, geführt und in den Kondensor 37 zum Kondensieren zurückgefördert werden, wie in strichpunktierten Linien dargestellt. In einer

3D weiteren Abwandlung kann das kondensierte Wasser 40 von der Pumpe 41 durch den Absorber 27 als üJärmeträgerfluid 28 und durch einen nicht dargestellten Uerbraucher, z.B. ein Zentralheizsystem, gepumpt und dann als kondensierendes Wasser 39 zurück in den Kondensor 37 geführt werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die im Zusammenhang mit den beiden vorstehend beschriebenen Beispielen genannten Temperaturen nur der Erläuterung dienen und nicht in einem die Erfindung beschränkenden Sinn zu verstehen sind.

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Claims (10)

Patentansprüche

1./Absorptionswärmepumpe mit einer Verdampfereinheit (1,2) zum Entspannungs-Verdampfen eines dieser zugeführten Kühlmittels '(4), einer Absorbereinheit (7), in welcher der von der Verdampf ereinheit erhaltene Kühlmitteldampf (6) in einem flüssigen Absorptionsmittel absorbiert wird unter Erzeugung von Wärme zum Erhitzen eines Ulärrneträgerfluids (S), einer Regenerationseinheit (12) zum Konzentrieren des von der Absorbereinheit (7) erhaltenen verdünnten Absorptionsmittels durch Erhitzen desselben mit einem Heizmedium (13), um den Kühlmittelanteil zu verdampfen, so daß das Absorptionsmittel in der AbsDrbereinheit wiederverwendbar ist, und einer Kondensoreinheit (17) zum Kondensieren des von der Regenerationseinheit (12) erhaltenen Kühlmitteldampfes (16).

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeträgerfluid (8) nach dem Austritt aus der Absorbereinheit (7) durch die Kondensoreinheit (17) geführt und durch die dort entstehende Kondensationswärme wiedererhitzt wird.

Bankverbindung: Hypobank Gauting Konto-Nr. 3 750123 448 (BLZ 700 260 01)

3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Kcndensareinheit (17) uiedererhitzte Wärmeträgerfluid (8) in ein externes Heizsystem eingespeist wird.

k. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Verdampfereinheit (1,2) gesammelte flüssige Kühlmittel in einem geschlossenem Kreis durch einen Abgaskühler (2D) geführt und dann in die V/erdampfereinheit (1,2) zur wiederholten Entspannungs-Verdampfung zurückgeführt wird.

5. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmedium (13) nach dem V/erlassen der Regeneraticnseinheit (12) in der Verdampfereinheit (1,2) als Kühlmittel entspannungsverdampft uird.

6. WäΓmepμmpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der van der Regeneratianseinheit (33) erhaltene Kühlmitteldampf

(36) in der Kondensareinheit (37) durch direkten Kantakt
mit der gleichen durch Sprühen eingebrachten Flüssigkeit
(39) gekühlt uird.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Kondensareinheit (37) gesammelte flüssige Phase (^D)

'des Kühlmittels in einem geschlossenen Kreis durch einen indirekten Kühler (42,^3) geführt und in die Kondensoreinheit

(37) zuecks Kondensation des Kühlmitteldampfes zurückgeführt ujird·.

8. Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der indirekte Kühler ein luftgekühlter Wärmetauscher (k2) ist.

9. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Absorbereinheit (7;27) der Regeneratianseinheit
(12;32) zugeführte verdünnte Absorptionsmittel (9;29) und
das von der Regenerationseinheit (12;32) in die Absarbereinheit (7;27) zurückgeführte konzentrierte Absorptionsmittel (Ik]Zk) in einem Wärmetauscher (11;31) miteinander
in Lüärmetauschender Verbindung stehen.

10. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel üJasser und das Absorptionsmittel eine wässrige Lithiumbromid-Lösung ist.