DE4119257A1 - Hochtemperaturwaermepumpe - Google Patents
HochtemperaturwaermepumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Verdichter
und einem Lösungskreislauf gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Bei der industriellen Wärmerückgewinnung durch Wärmepumpen
werden in vielen Bereichen Nutzungstemperaturen von wenigstens
100°C benötigt. Typische Einsatzbereiche sind industrielle
Prozesse, bei denen Abwärme bei Temperaturen von etwa 25° bis
100°C anfällt und Dampf bei Temperaturen von etwa 100 bis
160°C genutzt wird. Beispiele solcher industrieller Prozesse
sind Trocknungs-, Verdampfungs- oder Destillationsprozesse in
der Papier-, Brauerei- und Nahrungsmittelindustrie.
Um hohe Nutzungstemperaturen zu erreichen, sind Wärmetransfor
matoren bekannt, die aus einer mit einer Wärmekraftmaschine
kombinierten Wärmepumpe aufgebaut sind. Ferner können mehr
stufige Kompressionswärmepumpen mit mehreren in Reihe ge
schalteten mechanischen Verdichtern oder Sorptionswärmepumpen
mit mehreren in Reihe geschalteten und mit je einem Lösungs
kreislauf versehenen Thermoverdichter eingesetzt werden (Wär
mepumpen, H. Kirn, C.F. Müller, Bd. 1, 6. Auflage, 1983, Sei
ten 148 bis 154, 66 bis 74 bzw. 142 und 143). Jedoch sind bei
Wärmetransformatoren und mehrstufigen Wärmepumpenanlagen ein
hoher baulicher Aufwand und eine aufwendige Regelung erfor
derlich.
Die bei einer Kompressionswärmepumpe mit Kolbenverdichter üb
licherweise als Kältemittel verwendeten halogenierten Kohlen
wasserstoffe (FCKWs) sind bei Kondensationstemperaturen von
mehr als 70°C und den damit verbundenen Verdichtungsendtempe
raturen von über 120°C thermisch instabil und deshalb für den
Hochtemperaturbereich ungeeignet. Außerdem sind diese Kälte
mittel wegen ihres hohen Ozonabbaupotentials ODP des Schutzes
der Erdatmosphäre wegen nur noch befristet zu verwenden und
sollten deshalb durch umweltfreundlichere Kältemittel ersetzt
werden (Reassessment of the Montreal Protocol 1989 des United
Nation Environment Program). Ein umweltfreundliches und ther
misch stabiles sowie auch in bezug auf seine Verfügbarkeit
und thermodynamischen Eigenschaften vorteilhaftes Kältemittel
ist Wasser H2O. Vorteile sind seine große theoretische Lei
stungszahl, seine günstige Lage der Dampfdruckkurve hinsicht
lich der kritischen Temperatur und des Kondensationsdruckes
und seine guten Wärmeübertragungseigenschaften. Ein Problem
beim Einsatz von Wasser als Kältemittel besteht darin, einen
geeigneten, möglichst einfachen Verdichter für die Verdichtung
des Wasserdampfes zu finden. Erstens überhitzt sich bei der
Verdichtung der Wasserdampf am Ausgang des Verdichters auf das
3- bis 5fache der Kondensationstemperatur und es ist daher
eine Kühlung des Verdichters erforderlich. Zweitens benötigt
man wegen der geringen Dichte des Wasserdampfes ein hohes
Saugvermögen zum Abführen hoher Wasserdampfvolumenströme.
Drittens schließlich löst sich Wasser nicht mit Schmierölen,
so daß sich auch für die Verdichterschmierung Probleme erge
ben.
Ein bekannter, einfacher und für die Verdichtung von Wasser
dampf geeigneter Verdichter ist ein Flüssigringverdichter. In
einem zylindrischen, exzentrisch zu einer Welle gelegenen und
teilweise mit Betriebsflüssigkeit gefüllten Gehäuse ist auf
der Welle ein Schaufelrad angeordnet. Die Betriebsflüssigkeit
bildet bei Rotation des Schaufelrades aufgrund der Zentrifu
galkraft einen umlaufenden Flüssigkeitsring, in den die Schau
feln des Schaufelrades wenigstens teilweise hineintauchen.
Zwischen den Schaufeln entstehen durch den Flüssigkeitsring
außen abgedichtete Kammern, deren jeweilige Volumina durch
die Exzentrizität während eines Umlaufes kontinuierlich zu-
und wieder abnehmen. In der Phase zunehmenden Volumens wird
durch sichelförmige Saugschlitze Wasserdampf mit dem Druck pe
in eine oder mehrere Kammern angesaugt, in der Phase kleiner
werdenden Volumens während des Umlaufes in der entsprechenden
Kammer zunehmend verdichtet und schließlich bei einem Druck
pc < pe durch ebenfalls sichelförmige Druckschlitze ausge
schoben. Der Dampf und die Betriebsflüssigkeit haben aufgrund
des guten Wärmeaustausches und der annähernd isothermen Ver
dichtung etwa die gleiche Temperatur. Die Betriebsflüssigkeit
wird in einem eigenen Kreislauf zunächst in einem Abscheider
von dem Dampf getrennt und dann nach Abgabe von Wärme in einem
Wärmetauscher mit einer Pumpe wieder in den Flüssigringver
dichter zurückgepumpt. Das maximale Druckverhältnis beträgt
üblicherweise etwa pc/pe = 30 bei Verdichtung von Vakuum- auf
Normaldruck. Um zu höheren Kondensationstemperaturen wie z. B.
150°C bei einem Kondensationsdruck von 4,7 bar zu gelangen,
sind daher mehrstufige Flüssigringverdichter erforderlich. Bei
einem zwei- oder mehrstufigen Flüssigringverdichter werden
zwei oder mehrere solcher Verdichtungsprozesse hintereinander
geschaltet. Als Betriebsflüssigkeit für den Flüssigringver
dichter wird zum Verdichten von Wasserdampf eine Flüssigkeit
mit einem von Wasser verschiedenen Dampfdruck verwendet, bei
spielsweise ein thermisches Öl (3rd Int. Symp. on the Large
Scale Appl. of Heat Pumps, Oxford, England, 1987, Paper El,
p. 105-111).
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin,
eine Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Flüssigringverdichter
zur Wärmerückgewinnung anzugeben, mit der man auch in einer
einstufigen Ausführungsform hohe Nutzungstemperaturen von
etwa 100°C bis wenigstens 160°C erreicht.
Eine bekannte Anordnung kombiniert einen Verdichter mit einem
Lösungskreislauf, der einen Resorber, einen Temperaturwechs
ler, einen Entgaser und eine Lösungspumpe enthält. Der von dem
Verdichter auf den Resorberdruck pc komprimierte Kältemittel
dampf D wird über eine Resorberleitung zu dem Resorber geführt
und dort unter Abgabe der Nutzwärme Qout an eine Wärmesenke
von der armen Lösung F-D resorbiert. Die im Resorber angerei
cherte Lösung F wird nach Vorkühlung in dem Temperaturwechsler
noch in einer Lösungsvorführung im Entgaser bis nahe an die
Starttemperatur TES des Entgasungsvorganges gebracht und
darauf in einem Lösungsventil auf den Entgaserdruck pe ent
spannt. Unter Aufnahme der Abwärme Qin entgast die Lösung bis
zur Endtemperatur TEE und die arme Lösung wird von der Lö
sungspumpe über den Temperaturwechsler wieder in den Resorber
gepumpt. Der Kältemitteldampf D wird über eine Entgaserleitung
zum Verdichter geführt, wo der Prozeß wieder von vorne be
ginnt. Der Vorteil einer solchen bekannten Kompressionswärme
pumpe mit Lösungskreislauf besteht darin, daß der Wärmeaus
tausch sowohl der Abwärme Qin im Entgaser als auch der Nutz
wärme Qout im Resorber unter einer gleitenden Temperaturände
rung von TES bis TEE bzw. von der Resorberstarttemperatur TRS
bis zur Resorberendtemperatur TRE vor sich geht. Deshalb ist
der ideale Vergleichsprozeß bei einer solchen Wärmepumpe ein
Lorenz-Prozeß und nicht wie bei einer normalen Kaltdampf-Wär
mepumpe ohne Lösungskreislauf ein Carnot-Prozeß mit isothermem
Wärmeaustausch. In einem Lorenz-Prozeß sind die isothermen
Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses durch den realen Vor
gängen besser entsprechende, polytrope Zustandsänderungen er
setzt. Daher sind das Wärmeverhältnis und die Leistungszahl
beim Lorenz-Prozeß höher als beim Carnot-Prozeß (Handbuch der
Kältetechnik, Bd. 7 von W. Niebergall, Springer 1959, Seiten
29 und 30 und Seiten 93 bis 95).
Die Erfindung löst die genannte Aufgabe mit der in den kenn
zeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gegebenen Lehre. Ein
Flüssigringverdichter wird derart mit einem Lösungskreislauf,
der einen Resorber, ein Lösungsventil und einen Entgaser ent
hält, kombiniert, daß die arme Lösung die Ringflüssigkeit des
Flüssigringverdichters bildet. Dadurch erhält man eine ein
fache und zuverlässige, einstufige Hochtemperaturwärmepumpe,
die Nutzungstemperaturen von 160°C und mehr erreicht. Diese
Anordnung eines Flüssigringverdichters in einem Lösungskreis
lauf hat mehrere Vorteile. Zum einen bietet die einstufige
Hochtemperaturwärmepumpe gemäß der Erfindung durch die Er
schließung neuer Temperaturbereiche bei zugleich einfacher
Bauart neue Anwendungsmöglichkeiten für eine rationelle
Energieverwendung. Damit erhält man einen ökonomischen und
ökologischen Nutzen, der noch dadurch vergrößert wird, daß
durch die Verwendung des Flüssigringverdichters ein umwelt
freundliches Kältemittel wie z. B. Wasser eingesetzt werden
kann. Zum anderen ist kein zusätzlicher Ringflüssigkeitskreis
lauf mit Abscheider, Wärmetauscher und Pumpe für den Flüssig
ringverdichter erforderlich. Da der Flüssigringverdichter die
arme Lösung ansaugt und zusammen mit dem Kältemitteldampf ver
dichtet, kann außerdem eine Lösungspumpe zur Überwindung der
Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck pc und dem Niederdruck
pe entfallen.
In einer Ausführungsform sind für den Transport der armen Lö
sung eine Lösungsleitung und für den Transport des zu verdich
tenden Kältemitteldampfes eine Dampfleitung vorgesehen, die
jeweils den Flüssigringverdichter mit dem Entgaser verbinden.
Für den Transport des im Flüssigringverdichter komprimierten
und nicht resorbierten Dampfanteils und der entsprechend mit
dem resorbierten Dampfanteil angereicherten Lösung ist eine
gemeinsame Druckleitung vorgesehen, die den Flüssigringver
dichter mit dem Resorber verbindet.
In einer weiteren Ausführungsform ist in dieser Druckleitung
ein Lösungsabscheider angeordnet, in dem der nicht resorbierte
Dampfanteil und die angereicherte Lösung getrennt werden und
danach über getrennte Leitungen zum Resorber transportiert
werden. In der zum Transport der angereicherten Lösung vorge
sehenen Leitung ist in einer vorteilhaften Ausführungsform
zudem ein Wärmetauscher angeordnet, in dem der angereicherten
Lösung die bei der Resorption des Dampfes im Flüssigringver
dichter entstandene Resorptionswärme entzogen wird. Diese Re
sorptionswärme kann dann zusammen mit der im Resorber entzoge
nen Resorptionswärme als Nutzwärme abgeführt werden.
Dieser Wärmetauscher kann aber auch mit dem Flüssigringver
dichter in einer Baueinheit integriert werden. Eine solche
Ausführungsform mit einem integrierten Wärmetauscher ist be
sonders dann vorteilhaft, wenn der Anteil des schon im Flüs
sigringverdichter resorbierten Kältemitteldampfs besonders
hoch ist. Dann ist der Resorber nicht mehr erforderlich, weil
über den integrierten Wärmetauscher selbst nahezu die gesamte
Resorptionswärme als Nutzwärme abgegeben wird und somit der
integrierte Wärmetauscher die Funktion des Resorbers mitüber
nimmt. Zum Abführen dieser Nutzwärme ist vorzugsweise ein
Kühlmittelkreislauf vorgesehen. In einer weiteren Ausführungs
form kann dem Flüssigringverdichter und dem integrierten Wär
metauscher ein Resorber nachgeschaltet sein, in dem der noch
nicht im Flüssigringverdichter resorbierte Kältemitteldampf
resorbiert wird. Dadurch kann die dabei anfallende Resorp
tionswärme auch noch genutzt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform, die mit allen vorheri
gen Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist in dem Ent
gaser eine Lösungsvorführung vorgesehen. In dieser Lösungsvor
führung wird die reiche Lösung abgekühlt, so daß der Entga
sungsvorgang bei einer niedrigeren Starttemperatur einsetzen
kann.
Dieser Entgaser mit Lösungsvorführung kann in einer verein
fachten Ausführungsform durch eine Schaltung aus einem einfa
chen Wärmetauscher als Abwärmetauscher, einem Temperaturwechs
ler und einem Phasentrenner ersetzt werden. In dem Abwärme
tauscher entgast die reiche Lösung unter Zufuhr der Abwärme
teilweise. Der dabei abgegebene Dampfanteil und die um diesen
Dampfanteil verarmte Lösung werden daraufhin in dem Tempera
turwechsler durch Wärmeaustausch mit der reichen Lösung er
wärmt. Dabei wird der restliche Kältemitteldampf auch noch ab
gegeben. Die nun arme Lösung und der gesamte Kältemitteldampf,
der sich aus den im Abwärmetauscher und im Temperaturwechsler
von der Lösung abgegebenen Dampfanteilen zusammensetzt, werden
in dem Phasentrenner getrennt und über die Lösungsleitung bzw.
die Dampfleitung in den Flüssigringverdichter gesaugt.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung
Bezug genommen.
Fig. 1, 2 und 3 sind jeweils eine vorteilhafte Aus
führungsform einer Hochtemperaturwärmepumpe gemäß der Erfin
dung schematisch in einem log p-T-Diagramm des Druckes p über
der Temperatur T dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Flüssigringverdich
ters, der mit einem integrierten Wärmetauscher eine Baueinheit
bildet.
Fig. 5 ist der Wärmepumpenprozeß gemäß der Erfindung in
einem Dampfdruck-Diagramm für wäßrige Lithiumbromid-Lösungen
H2O/LiBr schematisch dargestellt.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind ein Flüs
sigringverdichter mit 2, eine Druckleitung mit 3, ein Resor
ber mit 6, ein Lösungsventil mit 9, ein Entgaser mit 10, eine
Lösungsleitung mit 12 und eine Dampfleitung mit 13 bezeichnet.
In dem Entgaser 10 wird durch Zufuhr der Wärme Qin Kältemit
teldampf D aus einer Lösung F ausgetrieben. Der Dampf D wird
vom Flüssigringverdichter 2 über die Dampfleitung 13 angesaugt
und die verbliebene arme Lösung F-D über die Lösungsleitung 12
als Ringflüssigkeit in den Flüssigringverdichter 2 gesaugt. Im
Flüssigringverdichter 2 wird der Dampf D mit Hilfe der Ring
flüssigkeit F-D komprimiert. Erfolgt die Kompression im
Gleichgewicht zwischen dem Dampf D und der Lösung F-D, so
findet keine Resorption des Dampfes in der Lösung statt. Je
doch wird im allgemeinen durch die Vermischung von Dampf und
Ringflüssigkeit sowie infolge der Temperaturerhöhung des
Dampfes bei der Verdichtung ein Teil d des Dampfes D schon im
Flüssigringverdichter 2 resorbiert. Der restliche Dampf D-d
wird zusammen mit der Lösung F-D+d über die Druckleitung 3 zu
dem Resorber 6 geführt und dort unter Abgabe der Resorptions
wärme als Nutzwärme Qout von der Lösung resorbiert. Die nun
reiche Lösung F fließt aufgrund des Druckgefälles vom Resorber
6 zum Entgaser 10 und wird an dessen Eingang durch das Lö
sungsventil 9 entspannt. Dann beginnt der Kreislauf wieder
von vorne.
Als Kältemittel können auch Substanzen mit hohen Dampfvolumina
eingesetzt werden. Beispielsweise können Methanol CH3OH oder
2,2-Dichlor-1,1,1-trifluorethan R 123 sowie 1,1-Difluorethan
R 152a und andere flüssige Fluorchlorkohlenwasserstoffe vor
zugsweise jedoch Wasser H2O verwendet werden. Diese Kältemit
tel können in Verbindung mit geeigneten Lösungmitteln wie bei
spielsweise Lithiumbromid LiBr, Tetraethylenglykol-dimethyl
ether DTG oder Dimethylether-triethylenglykol DTrG verwendet
werden.
In Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
dargestellt. Zur Trennung der Lösung F-D+d von dem Dampf D-d
ist in der Druckleitung 3 ein Lösungsabscheider 4 angeordnet.
Der abgeschiedenen Lösung F-D+d wird die bei der Resorption
des Dampfanteils d im Flüssigringverdichter 2 entstandene
Resorptionswärme Q1 in einem Wärmetauscher 5 entzogen. Die
vollständige Resorption des Dampfes D-d in der Lösung F-D+d
erfolgt unter Abgabe der Resorptionswärme Q2 im Resorber 6. Es
kann also die gesamte Resorptionswärme als Nutzwärme Qout =
Q1+Q2 abgeführt werden.
Außerdem ist eine Lösungsvorführung 8 im Entgaser 10 vorgese
hen Die reiche Lösung wird vor der Entspannung in dem Lö
sungsventil 9 in dieser Lösungsvorführung 8 abgekühlt, so
daß der Entgasungsvorgang bei einer niedrigeren Starttempera
tur TES beginnen kann. Zur Überwindung der nie völlig zu ver
meidenden Druckverluste zwischen Entgaser 10 und Flüssigring
verdichter 2 kann außerdem in dieser und auch allen anderen
Ausführungsformen eine Lösungspumpe 11 in der Lösungsleitung
12 vorgesehen sein. Da diese Lösungspumpe 11 nicht zur Über
windung der Druckdifferenz zwischen Hochdruck im Resorber 6
und Niederdruck im Entgaser 10 dient, kann sie verhältnismäßig
klein dimensioniert sein.
Anstelle eines Entgasers 10 mit einer Lösungsvorführung 8
gemäß Fig. 2 sind in einer vereinfachten Ausführungsform
gemäß Fig. 3 ein einfacher Wärmetauscher als Abwärmetauscher
14, ein Temperaturwechsler 7 und ein Phasentrenner 15 vorge
sehen. In dem Abwärmetauscher 14 entgast die im Lösungsventil
9 entspannte reiche Lösung F unter Aufnahme der Abwärme Qin
wenigstens teilweise. Diese teilweise entgaste Lösung F-D1 und
der entsprechende Dampfanteil D1 werden in einer gemeinsamen
Leitung zum Temperaturwechsler 7 geführt und dort durch Wärme
austausch mit der vom Resorber 6 kommenden reichen Lösung F
erwärmt. Dabei wird ein weiterer Dampfanteil D2 aus der Lösung
freigesetzt. Die verbliebene arme Lösung F-D1-D2 wird in dem
Phasentrenner 15 vom Dampf D = D1+D2 getrennt und über die
Lösungsleitung 12, in der zum Ausgleich von Druckverlusten
wieder eine Lösungspumpe 11 angeordnet sein kann, in den Flüs
sigringverdichter 2 befördert. Der Kältemitteldampf D wird
über die Dampfleitung 13 vom Flüssigringverdichter 2 angesaugt
und dort verdichtet. Auch in dieser Ausführungsform können
wieder ein Lösungsabscheider 4 und ein Wärmetauscher 5 in
entsprechender Weise vorgesehen sein wie in der Ausführungs
form gemäß Fig. 2.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Flüssigringverdich
ters 2 mit integriertem Wärmetauscher 18 dargestellt. Diese
Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn der An
teil des bereits während der Verdichtung im Flüssigringver
dichter 2 resorbierten Dampfes d am gesamten Kältemitteldampf
D verhältnismäßig hoch ist. Ein Schaufelrad 20 ist exzentrisch
zur Mitte O2 eines mit der Ringflüssigkeit F-D hinreichend
gefüllten Gehäuses 21 auf einer Welle mit dem Mittelpunkt O2
gelagert. Bei Rotation des Schaufelrades 20 bildet die Ring
flüssigkeit F-D einen Flüssigkeitsring 22 und es entstehen
zwischen den Schaufeln des Schaufelrades 20 durch den Flüs
sigkeitsring 22 wenigstens annähernd abgedichtete Kammern 24.
Das Volumen jeder einzelnen Kammer nimmt während eines Um
laufes bis zu einem Maximalwert zu und dann wieder bis auf
Null ab. In der Phase zunehmendem Volumens wird aus Saug
schlitzen 26 Kältemitteldampf D in die Kammern 24 gesaugt. Der
komprimierte Dampf D wird zusammen mit Ringflüssigkeit F-D
durch Druckschlitze 27 wieder ausgeschoben. Während des Ver
dichtungsvorganges wird bereits ein Teil d des Dampfes D von
der Lösung F-D resorbiert. Die dabei entstehende Resorptions
wärme Q1 wird nun durch die Wand des Gehäuses 21 über den
integrierten Wärmetauscher 18 an ein Kühlmittel abgegeben, das
in einem Kühlkreislauf 28 mit einer Zuleitung 29, einem Kühl
ring 30 und einer Ableitung 31 und einem nicht dargestellten
Wärmetauscher zirkuliert. Wird nun der Dampf D nahezu voll
ständig schon im Flüssigringverdichter 2 von der Lösung F-D
resorbiert, so kann nahezu die gesamte Resorptionswärme Qout =
Q1+Q2 als Nutzwärme über den integrierten Wärmetauscher 18
abgegeben werden und daher sind weder ein Lösungsabscheider 4
noch ein Resorber 6 mehr erforderlich. Ansonsten kann dem
Flüssigringverdichter 2 wie in der Ausführungsform gemäß Fig.
1 der Resorber 6 oder wie in der Ausführungsform gemäß Fig. 2
der Lösungsabscheider 4, der Resorber 6 und gegebenenfalls
noch der Wärmetauscher 5 nachgeschaltet werden, um auch die
Resorptionswärme Q2, die bei der Resorption des Restdampfes
D-d anfällt, zu nutzen. Der integrierte Wärmetauscher 18 muß
über eine möglichst große Oberfläche die Wärme von der Gehäu
sewand an das Kühlmittel abgeben können und kann dazu bei
spielsweise mit Rippen versehen sein. Diese Ausführungsform
gemäß Fig. 4 kann entsprechend mit den Ausführungsformen
gemäß den Fig. 1 und 3 kombiniert werden.
In Fig. 5 ist ein Wärmepumpenprozeß gemäß der Erfindung in
ein Dampfdruck-Diagramm für wäßrige Lithiumbromid-Lösungen
H2O/LiBr eingetragen. Für andere Kältemittel/Lösungsmittel-
Paare kann der Wärmepumpenprozeß entsprechend in den zugehö
rigen Dampfdruck-Diagrammen dargestellt werden. Aufgetragen
ist der Druck p in logarithmischer Darstellung über der Tem
peratur T. Die dargestellten Kurven sind die Dampfdruckkurven
für wäßrige Lithiumbromid-Lösungen mit verschiedenen Kälte
mittelkonzentrationen C in der Lösung (Handbuch der Kälte
technik, Band 7). Ist nur Kältemittel vorhanden, so ist C = 1,
entsprechend der linken mit A bezeichneten Kurve, bei reinem
Lösungsmittel ist C = 0. Dieser Fall tritt in dem hier darge
stellten Beispiel einer H2O/LiBr-Lösung jedoch nicht auf, da
bereits bei höheren Konzentrationen wie etwa C = 0,3 ein Aus
kristallisieren einsetzt. Während der Entgasung der Lösung von
1 nach 2 bei dem Entgasungsdruck pe sinkt die Konzentration C
des Kältemittels in der Lösung von Cr auf Ca, und die reiche
Lösung F wird zur armen Lösung F-D. Gleichzeitig steigt die
Temperatur von ihrem Startwert TES stetig auf den Endwert TEE.
Nun wird die arme Lösung mit der Konzentration Ca von 2 nach
3′ verdichtet bis auf den Resorberdruck pc und die Temperatur
T′RS. Die in der Figur nicht dargestellte Verdichtung des
Dampfes D verläuft etwa von 1 nach 3 auf die Starttemperatur
TRS für die Resorption des Dampfes im Resorber von 3 nach 4.
Die Starttemperatur TRS liegt etwas über der Temperatur T′RS
der Lösung aufgrund der leichten Überhitzung des Dampfes bei
der Verdichtung. Bei der Resorption steigt die Konzentration C
von Ca auf Cr und sinkt die Temperatur T von TRS auf TRE. Die
entstehende reiche Lösung F mit der Konzentration Cr wird
von 4 nach 1 auf den Entgasungsdruck pe entspannt und der
Prozeß beginnt von neuem. Wird nun ein Teil d des Kältemittel
dampfes D schon während der Verdichtung resorbiert, so nimmt
die Konzentration C zu und der Endpunkt 3′′ dieses Verdich
tungsprozesses von 1 nach 3′′ liegt bei einer entsprechend
niedrigeren Temperatur TRS′′. Der ideale Vergleichsprozeß dieses
Wärmepumpenprozesses ist ein Lorenz-Prozeß wegen der kontinu
ierlichen Temperaturänderungen im Entgaser bzw. im Resorber.
Der Lorenz-Prozeß hat gegenüber einem Carnot-Prozeß den Vor
teil eines höheren Wärmeverhältnisses und einer höheren Lei
stungszahl.
Der Einsatzbereich dieses einstufigen Wärmepumpenprozesses ist
prinzipiell nur beschränkt durch das Druckverhältnis pc/pe des
Flüssigringverdichters. Bei Verdichtung auf Normaldruck pc =
760 Torr = 1,013 · 105 Pa kann bei einem maximalen Druckverhält
nis von pc/pe = 30 ein Entgaserdruck von etwa pe = 25 Torr als
untere Grenze erreicht werden. Beim Einsatz von H2O/LiBr-Lö
sungen muß die Temperatur wegen der Gefriergrenze des Wassers
größer als 0°C sein. Ferner müssen die Druck- und Temperatur
werte oberhalb der Kristallisationsgrenze K liegen. Durch
Änderung der Entgasungsbreite E = Cr - Ca können innerhalb
dieser Grenzen beliebige Resorbertemperaturen erreicht werden.
Beispielsweise können bei Verdampfungstemperaturen im Entgaser
zwischen etwa 25° und 45°C Resorbertemperaturen von etwa 100
bis 125°C und bei entsprechend veränderten Konzentrationen C
und Verdampfungstemperaturen zwischen etwa 45° und 70°C Re
sorbertemperaturen von etwa 125° bis 165°C erreicht werden.
Durch die Entgasungsbreite E läßt sich bei gegebener Leistung
auch der für die Ringflüssigkeit des Flüssigringverdichters
erforderliche Lösungsumlauf steuern.
Noch höhere Druckverhältnisse Pc/pe und damit höhere Resorber
temperaturen können mit zwei- und mehrstufigen Prozessen mit
zwei bzw. mehreren Flüssigringverdichtern erreicht werden.
Claims (9)
1. Hochtemperaturwärmepumpe mit einem Verdichter und einem
Lösungskreislauf, der ein Kältemittel und ein Lösungsmittel
sowie eine reiche Lösung F und eine arme Lösung F-D enthält
und mit einem Resorber (6), einem Lösungsventil (9) und einem
Entgaser (10) versehen ist, dadurch gekenn
zeichnet, daß
- a) als Verdichter ein Flüssigringverdichter (2) vorgesehen ist;
- b) die arme Lösung F-D die Ringflüssigkeit des Flüssigring verdichters (2) bildet.
2. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß
- a) für den Transport der armen Lösung F-D eine Lösungsleitung (12) und für den Transport des zu verdichtenden Kältemit teldampfes D eine Dampfleitung (13) vorgesehen sind, die jeweils den Flüssigringverdichter (2) mit dem Entgaser (10) verbinden;
- b) für den Transport des im Flüssigringverdichter (2) kompri mierten und nicht resorbierten Dampfanteils D-d des Kälte mitteldampfes D und der im Flüssigringverdichter (2) mit dem resorbierten Dampfanteil d angereicherten Lösung F-D+d eine Druckleitung (3) vorgesehen ist, die den Flüssigring verdichter (2) mit dem Resorber (6) verbindet.
3. Hochtemperaturwärmepumpe mit folgenden Merkmalen:
- a) Es ist ein Lösungskreislauf mit einem Kältemittel und einem Lösungsmittel sowie mit einer armen Lösung F-D und einer reichen Lösung F vorgesehen, der einen Flüssigringverdich ter (2), ein Lösungsventil (9), einen Entgaser (10) und eine den Flüssigringverdichter (2) und den Entgaser (10) verbindende Dampfleitung (13) enthält;
- b) die arme Lösung F-D bildet die Ringflüssigkeit des Flüssig ringverdichters (2);
- c) für den Transport der armen Lösung F-D vom Entgaser (10) zum Flüssigringverdichter (2) ist eine Lösungsleitung (12) vorgesehen;
- d) ein integrierter Wärmetauscher (18) bildet mit dem Flüssig ringverdichter (2) eine Baueinheit.
4. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß zum Abführen der Resorp
tionswärme aus dem Flüssigringverdichter (2) über den inte
grierten Wärmetauscher (18) ein Kühlmittelkreislauf (28) vor
gesehen ist.
5. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß zwischen dem
Flüssigringverdichter (2) und dem Lösungsventil (9) ein Re
sorber (6) angeordnet ist.
6. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 2 oder Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) zum Abscheiden der Lösung F-D+d vom Dampf D-d ein Lösungs abscheider (4) vorgesehen ist, der mit dem Flüssigringver dichter (2) über die Druckleitung (3) verbunden ist.
- b) zum Transport der Lösung F-D+d und des Dampfes D-d vom Lö sungsabscheider (4) zum Resorber (6) jeweils eine Leitung vorgesehen sind.
7. Hochtemperaturwärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, daß in der zum Transport der
Lösung F-D+d vorgesehenen Leitung zwischen Lösungsabscheider
(4) und Resorber (6) ein Wärmetauscher (5) vorgesehen ist.
8. Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß zum Ab
kühlen der reichen Lösung F eine Lösungsvorführung (8) im
Entgaser (10) vorgesehen ist.
9. Hochtemperaturwärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Entgaser (10) gebildet wird aus
- - einem Abwärmetauscher (14), in dem von der reichen Lösung F unter Zufuhr der Abwärme (Qin) ein Dampfanteil D1 des Kältemitteldampfes D abgegeben wird, und
- - einem Temperaturwechsler (7), in dem die reiche Lösung F Wärme an das vom Abwärmetauscher (14) in einer gemeinsa men Leitung herangeführte Gemisch aus der Lösung F-D1 und dem Dampf D1 abgibt und von der Lösung F-D1 der restliche Dampfanteil D2 des Kältemitteldampfes D abge geben wird, sowie
- - einem Phasentrenner (15) zur Trennung der vom Tempera turwechsler (7) kommenden Lösung F-D1-D2 und des Kälte mitteldampfes D = D1+D2, und daß
- b) für den Transport des zu verdichtenden Kältemitteldampfes D = D1+D2 die Dampfleitung (13) und für den Transport der armen Lösung F-D = F-D1-D2 die Lösungsleitung (12) vorge sehen sind, die jeweils zwischen Phasentrenner (15) und Flüssigringverdichter (2) angeordnet sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914119257 DE4119257A1 (de) | 1991-06-11 | 1991-06-11 | Hochtemperaturwaermepumpe |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19914119257 DE4119257A1 (de) | 1991-06-11 | 1991-06-11 | Hochtemperaturwaermepumpe |
Publications (1)
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DE4119257A1 true DE4119257A1 (de) | 1992-12-17 |
Family
ID=6433702
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19914119257 Withdrawn DE4119257A1 (de) | 1991-06-11 | 1991-06-11 | Hochtemperaturwaermepumpe |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4119257A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012015647A1 (de) | 2012-08-07 | 2014-02-13 | Frank Mayer | Hochtemperaturwärmepumpe |
CN106403374A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-02-15 | 远大空调有限公司 | 磁悬浮冷水机组与溴化锂冷热泵机组双运行系统及方法 |
DE102011055147B4 (de) * | 2011-11-08 | 2020-04-16 | Klaus Rauchenecker | Verfahren zur Einspeisung von Wärmeenergie in ein in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage zu verarbeitendes Prozessmittel sowie Wärmeversorgungssystem dafür |
-
1991
- 1991-06-11 DE DE19914119257 patent/DE4119257A1/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011055147B4 (de) * | 2011-11-08 | 2020-04-16 | Klaus Rauchenecker | Verfahren zur Einspeisung von Wärmeenergie in ein in einer lebensmitteltechnischen Prozessanlage zu verarbeitendes Prozessmittel sowie Wärmeversorgungssystem dafür |
DE102012015647A1 (de) | 2012-08-07 | 2014-02-13 | Frank Mayer | Hochtemperaturwärmepumpe |
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