DE3615375A1 - Verfahren zur verbesserung der absorptionstechnik fuer waermepump- und kaelteanlagen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Verbesserung der Leistungszahl und der Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches von Absorptionsanlagen mit oder ohne Zusatzverdichter für Wärmepump- und Kältezwecke.

Stand der Technik

Absorptionsanlagen für Wärmepump- und Kältezwecke sowie ihre Berechnungsgrundlagen sind bereits in der Literatur (1); (2); (3f) ausgiebig beschrieben worden. Sie haben jedoch in der Praxis gegenüber Kompressionsanlagen bisher keine größere wirtschaftliche Bedeutung erlangt. Nur in speziellen Anwendungsbereichen konnten sie Eingang finden. Der Grund hierfür liegt einerseits in dem prinzipiell und auch praktisch ungünstigeren thermodynamischen Wirkungsgrad (Leistungszahl) gegenüber Kompressionsanlagen und andererseits in dem manchmal ebenfalls nicht ausreichenden Arbeitstemperaturbereich. Der Vergleich mit der idealen Carnot-Grenzkurve für die Leistungszahl der Absorptionsanlagen zeigt, daß die Praxis dieser Anlagen noch recht weit von den theoretisch erreichbaren Werten entfernt ist. Hier besteht offenbar noch Innovationspotential, das bisher nicht ausgeschöpft wurde. Dies gilt allerdings auch für Kompressionsanlagen. Ein weiterer Grund, der sich nachteilig im Vergleich mit Kompressionsanlagen auswirkt, ist die Problematik der Stoffgemische. Die z. Z. zur Verfügung stehenden technisch geeigneten Arbeitsstoffe werden wegen ihrer Giftigkeit und ihres oft recht hohen Dampfdruckes für eine Breitenanwendung noch als zu risikoreich angesehen. Hier laufen zahlreiche Untersuchungen zwecks Ermittlung geeigneter Stoffgemische, von denen ausserdem auch eine Steigerung der Leistungszahl erhofft wird. Jedoch ist anscheinend die Steigerung der Leistungszahl mehr ein apparativ-konstruktives Innovationsproblem als eines der Arbeitsstoffe.

Beschreibung der Erfindung A. Überblick

In dem Bestreben dem Absorptionsprinzip einen breiteren Anwendungsbereich in der Wärmepump- und Kältetechnik zu erschließen, sind die Steigerung der Leistungszahl und die Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches wie oben dargestellt zwei nützliche, wenn auch nicht neue Zielsetzungen.

Die vorliegende Erfindung möchte hierzu eine Reihe von weitergehenden Verfahren als bisher anbieten, die als Instrumentarium gewertet werden sollen, aus dem heraus vorteilhaft neue Maschinenkonzepte für Wärmepump- und Kälteanlagen zusammengestellt werden können. Da jedes dieser Verfahren zusätzlichen apparativen Aufwand gegenüber dem Stand der Technik erfordert, wird an Hand einer Kosten/Nutzen-Betrachtung von Fall zu Fall abzuwägen sein, welches dieser Verfahren und in welcher Kombination sinnvoll in das betreffende Wärmepump- und Kälteanlagenkonzept einbezogen werden kann. Die Überlegungen der Erfindung gehen in folgende drei Richtungen:

a. Verbesserung des Verfahrens der überlappenden Temperaturen:

Ein Ansatzpunkt der erfindungsgemäßen Überlegungen zur Steigerung der Leistungszahl und Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches ist zunächst das bereits von Altenkirch angegebene "Verfahren der überlappenden Temperaturen zwischen Absorber und Generator" (4)(5)(6), das aber offenbar mangels besonderer technischer oder wirtschaftlicher Effizienz der vorgeschlagenen Ausführungsformen sich bisher nicht eingeführt hat. Es wurde auch in dem recht umfassenden Grundlagenbericht über Wärmepumpen (7) nicht mehr erwähnt und ist daher auch hier in den Angaben zum Stand der Technik nicht aufgeführt worden.

Die nähere Betrachtung der Altenkirch'schen Idee und der hierzu offenbarten Ausführungsform hat jedoch gezeigt, daß letzteres durch eine Reihe von Maßnahmen gemäß der Erfindung und ihrer Ansprüche anscheinend noch recht wirksam verbessert werden können. Diese Maßnahmen gliedern sich in

• ∘ Maßnahmen zur Aufweitung des Temperaturüberlappungsbereiches und
• ∘ Maßnahmen für einen wirkungsvolleren Fluß der Wärmeenergie vom Absorber zum Generator

Beides soll weiter unten im Einzelnen genauer dargelegt werden.

b. Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik:

Ein weiterer Ansatzpunkt der erfindungsgemäßen, Überlegungen zur Verbesserung von Leistungszahl und Arbeitstemperaturbereich ist der Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik, der auch unter der Bezeichnung "Zusatzverdichter" im Zusammenhang mit der Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches in der Literatur und Praxis der Absorptionsanlagen bereits bekannt geworden ist (8) (9). Es hat sich bei der näheren Betrachtung dieses Gedankens gezeigt, daß über eine Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches hinaus

• ∘ durch Kombination dieser Verdichtungstechnik mit dem Verfahren der überlappenden Temperaturen gemäß der Erfindung und ihrer Ansprüche noch Freiräume für neue Maschinenkonzepte insbesondere zu höheren Leistungszahlen erschlossen werden können, die naturgemäß über die Carnot- Grenzkurve für die Leistungszahl von reinen Absorptionsanlagen hinausgehen und daß außerdem
• ∘ die Absorptionstechnik mit Kompressoren in Kombination mit Verbrennungskraftmaschinen gemäß der Erfindung und ihrer Ansprüche einige vorteilhafte Antriebskonzepte dieser Anlagen ermöglicht

Beide Punkte sollen im einzelnen weiter unten dargelegt werden.

c. Verbesserung der Luftkollektortechnik:

Ein letzter Ansatzpunkt der erfindungsgemäßen Überlegungen betrifft die Verbesserung der Leistungszahl insbesondere bei Heizwärmepumpen, die mit Brennern oder Verbrennungskraftmaschinen betrieben werden und mit einem Luftkollektor als Wärmequelle arbeiten. Diese Kollektoren vereisen bekanntlich bereits bei Umgebungstemperaturen von etwa +5°C und darunter. Mit dicker werdender Eis- und Reifschicht verschlechtert sich der Wärmeübergang von der Umgebungsluft zum Kollektor und damit auch die Leistungszahl. Es bedarf daher einer Abtauregelung, deren Abtauwärme i. a. der Nutzwärme der Anlage entnommen wird und somit auch wieder die Leistungsbilanz der Anlage verschlechtert und die Leistungszahl vermindert. Insgesamt kann die Verschlechterung anscheinend 10% erreichen. Für solche Fälle möchte die vorliegende Erfindung zwei Vorschläge einbringen, die zumindest bei brenn- und treibstoffbetriebenen Anlagen die Leistungszahl nicht belasten. Die Vorschläge beziehen sich auf eine

• ∘ spezielle Nutzung der restlichen Abwärme der Anlage für die Enteisung und eine
• ∘ besondere Gestaltung des Luftkollektors, um die Enteisungswärme möglichst gering zu halten.

Beide Vorschläge werden weiter unten noch näher erläutert.

B. Spezielle Erläuterungen

a. Überlappende Temperaturen, Verbesserung des Verfahrens

Eine wirkungsvolle Anwendung dieses Verfahren bedeutet zunächst, daß

• ∘ ein möglichst großer Temperaturüberlappungsbereich zwischen Generator und Absorber in allen Betriebsfällen hergestellt wird, d. h. daß die normale maximale Absorptionstemperatur der armen Lösung im Absorber unter dem jeweiligen Absorberdruck möglichst hoch und die minimale Desorptionstemperatur der reichen Lösung im Generator unter dem jeweiligen Generatordruck möglichst niedrig liegen soll und daß
• ∘ in diesem Überlappungsbereich ein möglichst guter Wärmeaustausch vom Absorber zum Generator erfolgt, um dadurch die äussere Wärmezufuhr zu reduzieren und so die Leistungszahl zu verbessern. D. h. nicht nur einen guten Wärmekontakt zwischen Absorber und Generator herstellen, sondern auch einen möglichst günstigen Ausgleich in der Wärmebilanz im Überlappungsbereich von Wärmeerzeugung im Absorber und Wärmebedarf im Generator bewirken.

Die bisherige Art der Konzeptionierung geht im allgemeinen wir folgt vor:

• ∘ Die maximale Absorptionstemperatur der armen Lösung im Absorber wird auf die jeweils vorgegebene Vorlauftemperatur des Wärmeabgabekreises festgelegt. Die minimale Desorptionstemperatur der reichen Lösung wird dagegen im Endeffekt durch die Rücklauftemperatur des Wärmeabgabekreises bestimmt
• ∘ Bei der Wärmeauskopplung wird im Interesse möglichst geringer Irreversibilitäten die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur möglichst klein gehalten

Diese Praxis ergibt gar keine oder nur geringe Überlappungsbereiche.

Die erfindungsgemäße Art der Konzeptionierung weicht von der bisherigen Praxis wie folgt ab:

• ∘ Temperaturüberhöhung:
  Die maximale Absorptionstemperatur der armen Lösung wird ohne Rücksicht auf die Vorlauftemperatur des Wärmeabgabekreises so hoch als möglich gelegt. Dies geschieht durch weitgehende Entgasung der armen Lösung im Generator. D. h. die maximale Generatortemperatur wird zu diesem Zweck in allen Betriebsfällen bezgl. Zersetzung, Rekristallisation oder bereits weitgehend erreichter Entgasung so hoch als zulässig oder noch sinnvoll gelegt.
• ∘ Unterkühlung:
  Die minimale Desorptionstemperatur der reichen Lösung wird durch möglichst weitgehend Anreicherung der reichen Lösung im Absorber so niedrig als möglich gelegt. Geschieht dies im einfachsten Fall in der bisherigen Weise durch Abkühlung der reichen Lösung im Absorber bis auf die Rücklauftemperatur der Wärmeabgabeseite der Anlage, so wird die Lösung meist nicht voll ausgenutzt. Wirkungsvoller ist demgegenüber eine weitergehende Abkühlung (d. h. Unterkühlung unter die Rücklauftemperatur des Wärmeabgabekreises) mittels einer äusseren Kühlfläche bis auf die Umgebungstemperatur. Eine noch weitergehende Anreicherung kann bei Bedarf durch Abkühlung mittels Verdampferkälte bis in den Bereich der Verdampfertemperatur erfolgen.
• ∘ Bypasstechnik:
  die Wärmeübertragung vom Absorber zum Generator bedarf für eine wirkungsvolle Energieübertragung einer besonderen Ausgestaltung. Dies hängt einerseits mit der mehr oder weniger großen Temperaturspanne des Überlappungsbereiches bei dieser Art der Konzipierung zusammen, andererseits mit den Nichtlinearitäten und Unterschieden der Energiekennlinien für Absorption und Desorption. So erfordert die Desorption im Generator normalerweise auf gleiche Temperaturintervalle bezogen mehr Energie als von der Absorption im Absorber in diesen Intervallen erzeugt wird. Dieses Defizit kann natürlich durch eine Zusatzheizung oder Wärme von der Generatorbeheizung her aufgefüllt werden. Diese Maßnahmen sind jedoch bzgl. der Leistungszahl nicht unbedingt effizient. Wirkungsvoller sind Angleichungen über den Lösungskreislauf in Form von einer oder mehrerer Querverbindungen, die zwischen Absorber und Generator im Lösungskreislauf vorzugsweise im Überlappungsbereich hergestellt werden. Sie sollen vorzugsweise Punkte gleicher Lösungskonzentration in Absorber und Generator verbinden und i. a. Löung vom Absorber in den Generator pumpen. Dabei können die Lösungsflüsse so dimensioniert werden, daß im Absorber ausserhalb des Überlappungsbereiches weniger Wärme als vorher erzeugt wird, im Überlappungsbereich jedoch mehr. Dies kann soweit geschehen, daß die Energiekennlinie von Absorption und Desorption je nach Anzahl der Querverbindungen mehr oder weniger gut zur Deckung gebracht werden können. Mehr Einzelheiten sollen weiter unten anhand der Ausführungsbeispiele erläutert werden.
• ∘ Wärmeübertragung über den Lösungskreislauf:
  Eine weitere Möglichkeit Wärme vom Absorber zum Generator zu übertragen bietet bei der erfindungsgemäßen Konzeptionierung der Lösungkreislauf. Bei der bisherigen Art der Konzeptionierung stellte der Lösungskreislauf eine mehr oder weniger große innere Verlustquelle für die Leistungszahl dar. Wegen der geringen Entgasungsbreite waren die Massenströme der Lösung vom und zum Generator quantitativ nur relativ wenig verschieden, jedoch die Temperaturen u. a. wegen der meist fehlenden Überlappung stark unterschiedlich. Die Folge war derart, daß die Wärme vom Generator zum Absorber als Verlustwärme abfloß, ohne dem Wärmepumpprozeß dienlich zu sein. Diese Verlustquelle wird beim Stand der Technik durch Zwischenschaltung eines Wärmetauschers (Rekuperator) im Lösungskreislauf zwischen Generator und Absorber gemindert, kann aber nicht beseitigt werden.
  Die erfindungsgemäße Konzeptionierung führt zunächst durch oben dargelegte Maßnahmen zu großen Entgasungsbreiten und damit zu stark unterschiedlichen Massenströmen im Lösungskreislauf derart, daß der Massenstrom zum Generator wesentlich größer ist, als der Abfluß vom Generator zum Absorber. Da ausserdem eine Temperaturüberlappung zwischen Generator und Absorber hergestellt wurde, können immer mittels des an sich bekannten Prinzips der Lösungsrückführung in Generator und Absorber die Lösungsströme vom und zum Generator auf fast gleiche Temperatur gebracht werden. Die Folge ist, daß der Lösungsstrom zum Generator infolge seines größeren Massendurchsatzes mehr Wärme in den Generator trägt, als über den Lösungsabfluß herausfließt.

b. Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik.

Zwecks Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches wurden bisher schon Zusatzverdichter zwischen Absorber und Verdampfer oder zwischen Generator und Kondensator vorgeschlagen und praktiziert (8) (9). Wird diese Zusatzverdichtertechnik (vorzugsweise zwischen Absorber und Verdampfer) mit dem Verfahren der Temperaturüberlappung gemäß dem Vorschlag der Erfindung kombiniert, so entstehen Maschinenkonzepte, die in ihrer idealen Leistungszahl naturgemäß zwischen der Carnot- Grenzkurve für die reine Absorptionstechnik und derjenigen für die reine Kompressionstechnik angesiedelt sind. Sie sind in der Lage auch größere Temperaturspannen zwischen Verdampfer und Kondensator, wie sie z. B. bei den sog. Substitutionsanlagen dee Heizwärmepumpen auftreten, mit relativ guter Leistungszahl monovalent zu verarbeiten. Dieses kann nach dem Stand der Technik weder von reinen Absorptions- noch von reinen Kompressionsanlagen im Einstufen-Betrieb erreicht werden. Der Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik entsprechend den erfindungsgemäßen Überlegungen geht im wesentlichen in drei Richtungen:

• ∘ Verdichter zwischen Absorber und Verdampfer in Kombination mit dem Verfahren der Temperaturüberlappung:
  Der Verdichter saugt hierbei den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer ab und drückt ihn in den Absorber. Im Absorber baut sich dann je nach installierter Verdichterleistung ein mehr oder weniger hoher Dampfdruck auf. Dieser erhöhte Dampfdruck bewirkt einerseits eine höhere maximale Absorbertemperatur und andererseits eine stärkere Anreicherung der reichen Lösung, wodurch als Folge die Mindestaustreibtemperatur des Generators herabgesetzt wird. Beides führt bei Kombination mit dem Verfahren der Temperaturüberlappung wegen der zusätzlichen Aufweitung des Überlappungsbereiches, insbesondere in Verbindung mit den unter (A. a.) genannten Maßnahmen zu einem noch stärkeren Wärmefluß vom Absorber zum Generator. Die numerische Durchrechnung zeigt, daß der Gewinn an Nutzleistung größer ist als die zugeführte Verdichterleistung, sodaß insgesamt die Leistungszahl der Anlage steigt.
• ∘ Reduktion der Verdichterleistung mittels Entspannungsgefäß:
  In manchen Betriebsfällen kann es günstig sein das im Kondensator in der flüßigen Phase anfallende Kältemittel zunächst nur über ein erstes Drosselventil bis auf den Absorberdruck, wie er durch den Verdichter erzeugt wird, in einem Entspannungsgefäß zu entspannen. Die dabei entstehende Dampfmenge wird aus diesem Gefäß unter Umgebung von Verdampfer und Verdichter direkt dem Absorber zugeführt. Das im Entspannungsgefäß anfallende, abgekühlte Kondensat wird über ein zweites Drosselventil in üblicher Weise in den Verdampfer ohne nennenswerte Dampfentwicklung entspannt. Danach erfolgt wie üblich die Verdampfung durch die zugeführte Umgebungswärme. Auf diese Weise braucht der Verdichter nur die tatsächlich durch die Umgebungswärme erzeugte Dampfmenge zu verdichten, sodaß Verdichterleistung eingespart und die Leistungszahl gesteigert wird.
• ∘ Verbrennungskraftmaschine für Verdichterantrieb in Kombination mit Generatorbeheizung:
  Der Antrieb des Verdichters kann durch Elektromotoren, Heißgasmaschinen oder auch durch Verbrennungskraftmaschinen wie Kolbenmotoren oder Turbinen für Öl, Gas oder andere Treibstoffe erfolgen. Werden Verbrennungskraftmaschinen dafür benutzt, so kann die Abwärme dieser Maschinen, d. h. die Abgas- und Kühlwärme zusammen, vorteilhaft für eine teilweise oder auch vollständige Beheizung des Generators herangezogen werden. Im Falle der vollständigen Beheizung des Generators mit Abwärme kann demgemäß der Öl- oder Gasbrenner entfallen. Dabei wird die Aufteilung der Treibstoffenergie in thermische Energie für die Beheizung des Generators und mechanische Energie für den Antrieb des Verdichters durch den Wirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine vorgegeben. Beträgt der Wirkungsgrad eines Dieselantriebes beispielsweise 40%, so werden 40% der Treibstoffenergie für den mechanischen Antrieb des Verdichters und annähernd 60% als thermische Energie für die Beheizung des Generators bereitgestellt. Die Wärmepump- oder Kälteanlage muß dann auf dieses Verhältnis dimensioniert werden. Die Ausnutzung der Treibstoffenergie ist in diesem Falle optimal.
  Es kann aber auch andererseits mit Rücksicht auf die Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine diese nur im Standby- Betrieb betrieben werden. D. h. nur in Extremsituationen, wie z. B. starken Frostperioden, springt die Maschine an und betreibt die Anlage. In der übrigen milderen Zeit, in der ohnehin weniger Energie benötigt wird, läuft die Anlage mit reduzierter Leistungszahl ohne Verdichter, und die Behandlung des Generators wird durch einen Öl- oder Gasbrenner vorgenommen.

c. Verbesserte Luftkollektortechnik

Die Vereisung von Luftkollektoren insbesondere bei Heizwärmepumpen belastet die Leistungszahl über die Verschlechterung des Wärmekontaktes zur Luft und über die Abtauwärme die i. a. dem Nutzwärmekreis entnommen wird. Ein Überblick über bisher praktizierte oder angedachte Verfahren der Enteisung ist in (10) gegeben. Die Verschlechterung der Leistungszahl kann danach schätzungsweise 10% betragen. Die erfindungsgemäßen Vorschläge für solche Fälle gehen in zwei Richtungen:

• ∘ Enteisung durch gespeicherte Restabwärme der Anlage:
  Der Gedanke basiert darauf, daß z. B. bei brennstoff- oder verbrennungsmotorisch betriebenen Anlagen mit der restlichen Abwärme (z. B. Kaminwärme), die ohnehin sonst in die Umgebung entweichen würde, zunächst ein Thermotank auf ca. 50° aufgeladen wird. Dieser Thermotank, der beispielsweise eine Glycol-Lösung enthalten kann, ist Bestandteil eines Enteisungskreises. Bei einer Umgebungstemperatur unter etwa +5°C, ab der Vereisungsgefahr besteht, wird dieser Tank bei den i. a. getakteten Anlagen immer in den Betriebspausen oder wahlweise auch nur in jeder zweiten, dritten oder n-ten Betriebspause an den Luftkollektorzwischenkreis angeschlossen und dieser mit der warmen Glycol-Lösung zur Enteisung durchspült. Danach wird bei Eintritt der Betriebsphase die Verbindung wieder gelöst, der normale Betriebsfall hergestellt und der Thermotank durch die Abwärme wieder nachgeladen. Mit diesem Verfahren wird die Leistungszahl der Anlage nicht belastet.
• ∘Verbesserte Gestaltung des Luftkollektors:
  Zur Reduktion der Abtauwärme und schnelleren Enteisung kann die Gestaltung des Luftkollektors beitragen. Wird der Kollektor im wesentlichen nur aus glatten vertikalen Flächen aufgebaut und werden die verbleibenden geringfügigen horizontalen Flächen mit Wärmedämmaterial abgedeckt, so baut sich der Eis- oder Reifpanzer im wesentlichen nur an den vertikalen Flächen und mit relativ geringer Haftung auf, insbesondere wenn die vertikalen Flächen zur zusätzlichen Glättung beispielsweise noch mit einer dünnen Teflonschicht überzogen werden. Es genügt dann ein relativ kurzer Wärmestoss, um durch die dünne, sich zwischen Kollektor und Eispanzer bildende Wasserschicht die Haftung vollends aufzuheben und den Eispanzer relativ schnell durch sein Eigengewicht nach unten abgleiten und Schmelzwasser abperlen zu lassen. In einer darunter befindlichen Auffang und Abflußwanne kann dann bei Bedarf das vollständige Auftauen und Abfließen entweder durch Raumluft (inhouse- Montage) oder durch eine zusätzliche Beheizung der Wanne aus dem Thermotank erfolgen.

C. Ausführungsbeispiele 1. Absorptionsanlage ohne Zusatzverdichter

In Fig. 1 ist eine reine Absorptionsanlage für Heizzwecke gemäß den Überlegungen der Erfindung dargestellt. Der Generatorteil wurde hierbei in einen Hauptgenerator (1) und einen Hilfsgenerator (2) aufgeteilt, wobei letzterer konstruktiv in den Absorber (3) eingearbeitet worden ist, wie es auch schon von Altenkirch u. a. vorgeschlagen wurde. Der Hilfsgenerator übernimmt dabei die Dampferzeugung im Überlappungsbereich. Seine Beheizung wird hier ausschließlich durch die Wärme aus dem Absorber vorgenommen, ohne Zwischenkreis in direktem Kontakt. Der Hauptgenerator erhält seine Ausdampfenergie durch die äussere Beheizung QG der Anlage. Die scharfe Trennung in der Beheizung von Haupt- und Hilfsgenerator ist jedoch nicht zwangsläufig notwendig, sie kann auch "verschliffen" erfolgen. D. h. können z. B. auch die heißen Abgase des Hauptgenerators im Falle einer Brennstoffbeheizung zusätzlich zur Absorberwärme zum Beheizen des Hilfsgenerators (1) mit herangezogen werden oder ähnliches mehr. Zum leichteren Verständnis der Anlage sollen im folgenden Dampf- und Lösungskreislauf getrennt erläutert werden.

Dampfkreislauf:

Der Dampfkreislauf beginnt im Hauptgenerator (1). Letzterer befindet sich an seinem linken, heißen Ende auf der maximalen Generatortemperatur TGmax, an seinem rechten, kühleren Ende auf der maximalen Absorbertemperatur TAmax. Der Dampf tritt überall an der Lösungsoberfläche aus. Am heißen Ende weniger angereichert (wegen der schwachen Lösungskonzentration), am kühleren Ende mehr. Beides gilt natürlich nur, solange es sich nicht um Salzlösungen handelt. Der Dampf streicht dann größtenteils entlang der Lösungsoberfläche. Wird durch geeignete Mittel für einen guten Wärmekontakt zwischen Lösung und Dampf gesorgt, so folgt er dem Temperaturgefälle von TGmax bis TAmax und regnet bei dieser Abkühlung zugleich Lösungsmittel aus. Er verläßt dann am kühlen Ende den Hauptgenerator und tritt über das Verbindungsrohr in das heiße Ende des Hilfsgenerators (2) und annähernd mit der Temperatur TAmax ein. Der Hilfsgenerator befindet sich dort ebenfalls auf dieser Temperatur. Sodann vermischt er sich mit dem Dampf des Hilfsgenerators in dessen Dampfraum. Der Dampfraumstrom streicht dabei wieder entlang der Lösungsoberfläche und folgt bei gutem Wärmekontakt dem Temperaturgefälle von TAmax nach TGmin. Bei dieser Abkühlung sind weiterhin Lösungsmittel ausgeregnet, sodaß er relativ trocken entweder auf der Temperatur TGmin den Hilfsgenerator am kühlen Ende verläßt oder aber erst an diesem Dephlegmatorstutzen, wie hier gezeichnet, annähernd mit der Vorlauftemperatur des Nutzwärmesystems austritt.

Der Dampf gelangt dann in üblicher Weise in den Kondensator (4), wo die Nutzwärme Qk erzeugt wird, und weiter als Kondensat über den Wärmetauscher (5) und das Drosselventil (6) in den Verdampfer (7), wo mittels des Verdampfungsvorgangs die Verdampfungswärme Qv der Umgebung entzogen wird. Schließlich gelangt der Dampf in den Absorber (3), wo er z. B. über ein poröses Blasrohr (8 ) längs der Lösung mit dieser vermischt und absorbiert wird. Dabei kann die Nutzwärme QA entnommen werden.

Einzelheiten zum Absorptions- und Desorptionsvorgang:

Der Absorptionsvorgang selbst erfolgt nicht gleichmässig entlang des Temperaturgefälles im Absorber, sondern ist naturgemäß bei niedrigen Temperaturen umfangreicher als bei höheren. Die Wärmeerzeugung nimmt dementsprechend mit fallender Temperatur zu und zwar nichtlinear. Auch der Desorptionsvorgang, beispielsweise im Hilfsgenerator, ist in dieser Art nichtlinear. Er erfordert bei niedrigen Temperaturen im Zusammenhang mit dem größeren Angebot an Lösung und Konzentration mehr Energie als bei höheren Temperaturen

Beide Energiekurven, für Adsorption und Desoption, laufen zwar in der Tendenz gleich, divergieren jedoch im Anstiegsverhalten mehr oder weniger stark je nach Druckunterschied zwischen Absorber und Generatorteil. Dies führt im Überlappungsbereich zu einem Defizit im Energieangebot des Absorbers gegenüber dem Energiebedarf des Hilfsgenerators wodurch z. B. das bisherige Verfahren der Temperaturüberlappung, wenn es zustandekam, nicht so recht wirksam werden konnte. Die Überlegungen der Erfindung zielen darauf ab, mit Hilfe einer Bypasstechnik Modifikationen im Lösungskreislauf vorzunehmen, die eine Angleichung zwischen Energieangebot im Absorber und Energiebedarf im Hilfsgenerator bewirken.

Die einfachste Möglichkeit hierzu wäre z. B. ein Lösungsbypass parallel zum Hilfsgenerator, der den Lösungsfluß durch den Hilfsgenerator soweit reduziert, bis der Energieabgleich stimmt. Diese Methode funktioniert zwar, ist jedoch bezgl. der Leistungszahl nicht sonderlich effizient, was im folgenden noch durchsichtig werden wird. Die nächst bessere Methode ist die in Fig. 1 dargestellte und soll in folgender Beschreibung des Lösungskreislaufes erläutert werden.

Lösungskreislauf:

Die im Hauptgenerator (1) bei TGmax möglichst weit entgaste Lösung strömt als arme Lösung der Konzentration Xa innerhalb der Lösungsrückführspirale (9) unter Wärmeabgabe durch den Hauptgenerator und verläßt diesen auf der Temperatur TAmax und unter dem Generatordruck Pg. Im Drosselventil (10) wird sie auf den Absorberdruck entspannt und gelangt dann in den Absorber (3). Hier absorbiert sie entlang des Temperaturgefälles in steigendem Maße Dampf des Kältemittels. Am Ende des Überlappungsbereiches wird bei der Temperatur TGmin ein definierter Teil der Lösung mittels einer Lösungspumpe (11) über den Bypass (12) abgezweigt, auf Generatordruck gebracht und in einer Rückführspirale bis auf die Gleichgewichtstemperatur der abgezweigten Lösungskonzentration mit dem Generatordruck erwärmt. Dann wird ein Teil dieser Lösung isotherm an der Stelle gleicher Lösungskonzentration in den Hilfsgenerator eingeleitet, während der restliche Teil der Lösung am vorderen Teil des Hilfsgenerators in dem Bypass (13) vorbeiströmt und dem Lösungsfluß zum Hauptgenerator an der Stelle (14) wieder zugemischt wird.

Der am Ende des Überlappungsbereiches in den kühleren Teil des Absorbers eintretende nicht abgezweigte, reduzierte Teil des Lösungsflusses reichert sich dort entsprechend der fortschreitenden Abkühlung wiederum nichtlinear weiter an. Um die Anreicherung möglichst weit zu treiben, ist im Anschluß an die Auskoppelspirale (15) für die Nutzwärme QA noch eine weitere Abkühlspirale (16) (Verfahren der Unterkühlung) angeordnet, in die mit an sich bekannten Mitteln z. B. ein Teil der Verdampferkälte eingespeist werden kann. Die hochangereicherte Lösung wird am kalten Ende des Absorbers mit einer Lösungspumpe (17) entnommen, auf Generatordruck gebracht und über die Lösungsrückführspirale (18) auf TGmin aufgewärmt in den Hilfsgenerator geleitet.

Wirkungsweise der Bypasstechnik:

Ein so gestalteter Lösungskreislauf läßt Dimensionierungen zu, die einerseits bewirken, daß im Absorber die Energieerzeugung vom kühleren Teil (d. h. unterhalb TGmin) mehr in den wärmeren Teil (d. h. in den Überlappungsbereich) verlagert und angeboten wird (Linearisierungseffekt) und daß andererseits im vorderen Teil des Hilfsgenerators der Energiebedarf zwar etwas angehoben, im hinteren Teil jedoch etwas abgesenkt wird (ebenfalls Linearisierungseffekt). Insgesamt gesehen wird dabei der Energiebedarf des Hilfsgenerators nur wenig reduziert, die Energieerzeugung im Überlappungsbereich des Absorbers jedoch relativ stark angehoben, sodaß ein Ausgleich der Energiebilanz auf einem höheren Niveau als mit der einfachen oben erwähnten Bypasstechnik erreicht werden kann.

Energietransport über Lösungskreislauf:

Da ausserdem noch wegen der starken Anreicherung der Lösung im kalten Teil des Absorbers und der weitgehenden Ausdampfung der Lösung am heißen Ende des Hauptgenerators die Lösungsströme vom und zum Hauptgenerator vom Durchsatz her stark unterschiedlich sind, aber wegen der Anwendung der Lösungsrückführungstechnik annähernd auf gleicher Temperatur liegen, kommt auf diesem Wege, wie bereits erwähnt, zusätzlich noch ein Wärmetransport zum Hauptgenerator zustande. Dadurch kann die äussere Energiezufuhr zum Hauptgenerator auch von dieser Seite reduziert werden.

Was die numerische Durchrechnung ergibt, führt die in Fig. 1 dargestellte Anlage schon zu einer kräftigen Steigerung der Leistungszahl gegenüber dem Status quo, bei höheren Umgebungstemperaturen mehr, bei niedrigen weniger.

Verbesserte Bypasstechnik:

Die Bypasstechnik läßt jedoch noch weitere Steigerungen der Leistungszahl zu, indem die Zahl der Bypassleitungen auf zwei oder drei erhöht wird. Fig. 1a und Fig. 1b zeigen derartige Ausführungsbeispiele, wie sie in Fig. 1 eingearbeitet werden können. Hierbei wird die Angleichung der Energiebilanz von Absorber und Hilfsgenerator im Überlappungsbereich auf wiederum etwas höheren Energieniveau vollzogen. Die Berechnung der Dimensionierungen zeigt jedoch, daß mehr als drei Bypassleitungen keine wesentliche Verbesserung mehr bringen. Die Leistungszahl der Anlage lässt sich offenbar damit schon bis auf ca. 10 Prozent an die Carnot-Grenzkurve für reine Absorptionsanlagen heranführen.

2. Absorptionsanlage mit Zusatzverdichter und Antrieb durch Verbrennungskraftmaschinen.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zum Ausbau des Kompressionsgedankens in der Absorptionstechnik gezeigt, bei dem der Verdichter (1) zwischen Absorber (2) und Verdampfer (3) eingebaut ist und bei dem der Verdichter, sowie die Lösungspumpe (4) und (5) durch eine Verbrennungskraftmaschine (6) angetrieben werden, und die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zur vollständigen Beheizung des Hauptgenerators (6) benutzt wird.

Dampf- und Lösungskreislauf sind annähernd wie in Fig. 1 aufgebaut. Wegen dieser Ähnlichkeit sollen hier die Kreisläufe nicht nochmals ausgiebig erläutert werden. Es sei lediglich auf einige Besonderheiten hingewiesen:

• ∘ Eine Unterkühlung der Lösung im Absorber mittels Verdampferkälte ist hier nicht vorgesehen, kann aber bei Bedarf zur weiteren Verbesserung benutzt werden
• ∘ Der Parallel-Bypass am vorderen, heißen Teil des Hilfsgenerators (7) ist entfallen, da die Kompressionswärme des Verdichters des Leistungsdefizit zwischen Absorber und Hilfsgenerator im oberen Teil des Überlappungsbereiches auffüllt oder sogar überkompensiert und dann in den kühleren Teil abdiffundiert.
• ∘ Zwecks Einsparung von Verdichterleistung ist hier das Verfahren der Kondensat-Vorentspannung mittels Entspannungsgefäß (8) dargestellt worden. Es befindet sich zwischen Kondensator (9) und Verdampfer (3). Seine Wirkungsweise ist bereits im Kapitel B ausreichend erläutert worden.

Bei Bedarf kann auch in dieser Anlage wahlweise eine zwei- oder dreigliedrige Bypasstechnik wie in Fig. 1a und 1b dargestellt eingebaut werden und zur weiteren Verbesserung beitragen.

Die Zusammenschaltung der Nutzwärmen QA und QK zur resultierenden Heizwärme QH kann mit an sich bekannten Mitteln und in an sich bekannter Technik erfolgen, d. h. entweder parallel oder seriell und dieses wiederum in verschiedenen Versionen, worauf hier nicht weiter eingegangen werden soll.

Verbesserte Luftkollektortechnik, Ausführungsbeispiel

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren der Enteisung eines Luftkollektors dargestellt.

Die restliche Abwärme (1) der WP-Anlage (2), egal ob letztere mit Brenner oder Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, strömt je nach Auslegung der Anlage entweder mit TAmax, TGmin oder der Rücklauftemperatur des Wärmeabgabesytems normalerweise durch den Kamin. Sie wird hier jedoch vorher durch einen Wärmetank (3) geleitet und erwärmt diesen allmählich auf eine dieser Temperaturen. Die WP-Anlage (2) ist im Betriebsfall mit ihrem Verdampfer über einen Zwischenkreislauf (4) an den Luftkollektor (5) geschaltet, wobei die Umwälzpumpe (6) den Zwischenkreislauf betreibt. In der Betriebspause der getakteten Anlage wird mittels des Umlenkventils (7) der Luftkollektor (5) an den Wärmetank (3) geschaltet, wobei die warme Tanklösung den Kollektor durchströmt und, bei hinreichender Größe des Wärmetanks, die Enteisung bewirkt. In der nachfolgenden Betriebsphase stellen dann die Umlenkventile den Ausgangszustand wieder her und der Wärmetank wird durch die Abwärme wieder nachgeladen.

Fig. 3a zeigt ein Beispiel für eine günstige Gestaltung einer Kollektorfläche im Sinne der Erfindung. Die Hauptaustauschfläche (1) steht dabei vertikal und ist glatt gestaltet, d. h. ohne Rippen und Stufungen versehen. Die geringfügige horizontale Fläche (2) ist zwecks weitgehender Vermeidung von Eisansatz mit einem Wärmedämmaterial (3) abgedeckt. Ein kurzer Wärmestoß genügt dann, um zwischen Eisschicht und vertikaler Kollektorfläche einen dünnen Flüssigkeitsfilm entstehen zu lassen, auf dem die Eisschicht nach unten abgeleitet und Wasser abperlt. Die vertikale Plattenfläche steht hier stellvertretend auch für andere vertikale Flächen, wie z. B. vertikal stehende glatte Rohre u. ä. mehr, wobei i. a. mehrere solcher Flächen zu einer größeren Einheit zusammengeschaltet werden. Wesentlich gemäß der Erfindung ist bei der Gestaltung des Kollektors, daß sich keine zusammenhängende Eisschicht zwischen horizontalen und vertikalen Flächen ausbilden kann, da sonst ein Abgleiten der vertikalen Eisschichten nach unten blockiert wird. Ferner daß nur ein Anschmelzen der Eisschicht erforderlich ist, um das Abgleiten zu bewirken und nicht unbedingt ein völliges Aufschmelzen der Eisschicht zwecks Enteisung notwendig ist.

Literatur

(1) Altenkirch: "Absorptionskältemaschinen"
VEB-Verlag Technik 1954,

(2) Niebergall: "Sorbtionskältemaschinen"
Handbuch der Kältetechnik Band 7,
Springer Verlag, Berlin 1984

3) Bosnjakovic: "Technische Thermodynamik" Teil 2
Reihe Wärmelehre und Wärmewirtschaft Band XI
Theodor Steinkopff Verlag, Dresden und Leipzig 1948

(4) in (1) S. 63

(5) in (2) S. 15 und 39 ff.

(6) Stirlin: "Verdienste Altenkirchs um die Absorptions- Kältetechnik"
Ki-extra Nr. 14, S. 9 ff., C. F. Müller Verlag 1981

(7) BMFT: "Grundsatzuntersuchungen an Wärmepumpen" Teil 2
Forschungsbericht BMFT-FB-T80-163(2) Dez. 80, S. 338-400

(8) DRP 668 922 der Fa. Borsig, Berlin

(9) in (2) S. 95 ff.

(10) in (7) S. 444-469

Claims (11)

1. Wärmepump- oder Kälteanlage unter Verwendung des Absorptionsprinzips mit oder ohne Zusatzverdichter und Verfahren zur Duchführung, insbesondere zur Verbesserung der Leistungszahl und zur Erweiterung des Arbeitstemperaturbereiches dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Verfahren der Temperaturüberlappung, jedoch in verbesserter Form gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5 oder in Kombination daraus angewendet wird und
das herkömmliche oder verbesserte Verfahren der Temperaturüberlappung mit der an sich bekannten Technik der Zusatzverdichtung im Dampfkreislauf der Absorptionsanlage, jedoch zum Zwecke der Erweiterung des Temperaturüberlappungsbereiches, kombiniert wird und daß
bei Benutzung von Zusatzverdichtern im Dampfkreislauf der Absorptionsanlage, auch wenn dies ohne Kombination mit dem Verfahren der Temperaturüberlappung geschieht, insbesondere aber wenn diese Zusatzverdichter durch Verbrennungskraftmaschinen wie Kolbenmotoren oder Turbinen angetrieben werden, die Verlustwärme dieser Aggregate zum vollständigen oder teilweisen Beheizen des Generators der Absorptionsanlage benutzt wird und daß
die restliche Abwärme einer Anlage, insbesondere wenn es sich dabei um brenn- oder treibstoffbetriebene Heizwärmepumpen mit Luftkollektoren als Wärmequelle handelt, zunächst weitgehend mit bekannten Mitteln einem Wärmespeicher zugeführt wird, aus dem dann in den Betriebspausen einer getakteten Anlage zum Zwecke der Enteisung Wärme an den Luftkollektor abgegeben wird und danach in der Betriebsphase der getakteten Anlage der Wärmespeicher wieder durch die restliche Abwärme der Anlage thermisch nachgeladen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwecks möglichst großer Wärmeübertragung vom Absorber zum Generator die Temperaturüberlappung zwischen beiden Teilen dadurch hergestellt oder vergrößert wird, daß die maximale Absorbertemperatur, d. h. die Temperatur am heißen Ende des Absorbers, möglichst hoch getrieben wird und zwar dadurch, daß einerseits diese Temperatur konstruktiv nicht durch die Vorlauftemperatur der Wärmeabgabeseite der Anlage begrenzt wird und andererseits indem die maximale Generatortemperatur, d. h. die Temperatur am heißen Ende des Generators in allen Betriebsfällen gleich oder nahe der maximal zulässigen oder noch sinnvollen Arbeitstemperatur der Lösung bezüglich Zersetzung, Rekristallisation oder einer maximal noch sinnvollen Entgasung gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein verbesserter Wärmeaustausch vom Absorber zum Generator dadurch hergestellt wird, daß die Erzeugung von Wärmeenergie im Absorber und der Bedarf von Wärmeenergie im Generator im Überlappungsbereich weitgehend angeglichen und ausserdem ein möglichst inniger Wärmekontakt zwischen Absorber und Generator im Überlappungsbereich hergestellt wird, und daß die Angleichung der unterschiedlichen nichtlinearen Energiekennlinie für Absorption und Desorption in Absorber und Generator insbesondere im Überlappungsbereich durch Querverbindungen im Lösungskreislauf erfolgt, die vorzugsweise Stellen gleicher Lösungskonzentration in Absorber und Generator verbinden und im allgemeinen Lösung vom Absorber zum Generator pumpen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, bei dem zwecks möglichst großen Wärmeflußes vom Absorber zum Generator die Temperaturüberlappung zwischen beiden Teilen dadurch hergestellt oder vergrößert wird, daß das kühle Ende des Absorbers zur Konzentrationserhöhung der Lösung und damit zur Absenkung der Mindestaustreibtemperatur des Generators noch unter die Rücklauftemperatur des Wärmeabgabekreises der Anlage abgekühlt wird, beispielsweise durch eine äussere Kühlfläche bis auf die Umgebungstemperatur oder durch Entnahme von Verdampferkälte bis in den Bereich der Verdampfertemperatur.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein verbesserter Wärmefluß vom Absorber zum Generator auch über den Lösungskreislauf selbst hergestellt wird, indem unter Benutzung des Verfahrens der Temperaturüberlappung mit einer duch Anspruch 2 und/oder Anspruch 4 hergestellten hohen Entgasungsbreite in Kombination mit dem an sich bekannten Verfahren der Lösungsrückführung in Generator und Absorber, der Wärmeenergieverlust des Generators über den Lösungsabfluß zum Absorber hin kleiner gemacht wird, als der Wärmerücktransport über den Lösungszufluß zum Generator, sodaß resultierend ein Wärmetransport vom Absorber zum Generator über den Lösungskreislauf zustandekommt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in an sich bekannter Weise ein Zusatzverdichter zwischen Absorber und Verdampfer eingebaut ist, der den Kältemitteldampf aus dem Verdampfer absaugt und in den Absorber drückt, sodaß sich dort je nach installierter Verdichterleistung ein mehr oder weniger hoher Dampfdruck gegenüber dem Verdampfer aufbaut, und wobei dieser Zusatzverdichter in Kombination mit dem Verfahren der überlappenden Temperaturen in der Anlage betrieben wird, und die Druckerhöhung im Absorber sowohl zur Erhöhung der maximalen Absorbertemperatur als auch zur stärkeren Anreicherung der reichen Lösung am kühlen Ende des Absorbers und damit zur Absenkung der Mindestaustreibtemperatur im Generator und damit wiederum zur Vergrößerung des Temperaturüberlappungsbereiches benutzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei dem zwecks Reduktion von Dephlegmatoraufwand und Dampfüberhitzung die Dampfführung im Generatorteil so gestaltet wird, daß der Dampf des Generators dessen in Richtung seines Temperaturgefälles durchströmt, sich dabei entsprechend dem Temperaturgefälle abkühlt und Lösungsmittel ausregnet und schließlich am kühlen Ende des Generators annähernd auf Mindestaustreibtemperatur weitgehend trocken und nur noch mäßig überhitzt in Richtung Kondensator oder Dephlegmator den Generator verläßt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwecks thermodynamisch günstiger Dampfeinbringung des Verdampferdampfes in die Lösung des Absorbers die Dampfeinleitung in die Lösung längs des Temperaturgefälles im Absober in vielen kleinen Schritten erfolgt, beispielsweise durch ein mehr oder weniger poröses Rohr, das als Stab oder Wendel ausgebildet sein kann.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 6, bei dem zwecks Einsparung von Verdichterleistung eine Vorentspannung und Vorverdampfung des aus dem Kondensator kommenden Kältemittelkondensats in einem Entspannungsgefäß vorgenommen wird, wobei mittels eines Drosselventils die Entspannung vom Generatordruck bis auf den durch den Verdichter gegebenen Absorberdruck erfolgt und der dabei im Entspannungsgefäß entstehende Kältemitteldampf unter Umgehung des Verdichters direkt in den Absorber gegeben wird, und das im Entspannungsgefäß anfallende Kondensat in üblicher Weise über ein Entspannungsventil zum Verdampfer weitergeleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zwecks Einsparung von Nutzenergie die Abtauwärme für einen Luftkollektor, vorzugsweise bei verbrennungsmotorisch oder brennerbetriebenen Heizwärmepumpen, der restlichen Abwärme der Anlage entnommen wird. Letztere kann in Form von Abgaswärme im Kamin, Verdichterabwärme oder auch restlicher Kühlabwärme der Verbrennungsmaschine vorliegen und wird zunächst mit bekannten Mitteln einem Wärmetank zugeführt, der die gleiche Kältelösung enthält, die auch den Luftkollektor durchströmt, wobei die Wärmeleitung jeweils in der Betriebsphase der getakteten Anlage erfolgt, und in der Betriebspause die warme Lösung des Tanks mittels Umlenkventilen in den Lösungskreislauf des Luftkollektors geschaltet wird, sodaß bei diesem die Eisschicht von innen her erwärmt wird. Spätestens mit Einsetzen der Betriebsphase stellen die Umlenkventile wieder den ursprünglichen Zustand her und die Nachladung des Wärmetanks erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 und 10, bei dem der Luftkollektor insbesondere bei Heizwärmepumpen zwecks Einsparung von Enteisungswärme mit seinen Austauschflächen weitgehend vertikal und oberflächlich möglichst glatt gestaltet ist, und die verbleibenden, geringfügigen horizontalen Flächen zwecks Vermeidung größerer Eisbildung mit Wärmedämmaterial abgedeckt sind, sodaß ein kurzer innerer Wärmestoß genügt, um den Eispanzer an den vertikalen Flächen von innen her anzuschmelzen und dann auf der dünnen, sich bildenden Wasserschicht durch sein Eigengewicht nach unten abgleiten zu lassen, ohne daß er vollständig aufgeschmolzen werden muß.