DE4119257A1 - Hochtemperaturwaermepumpe - Google Patents

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 p_e 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 p_c < p_e 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 p_c/p_e = 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 p_c komprimierte Kältemittel­ dampf D wird über eine Resorberleitung zu dem Resorber geführt und dort unter Abgabe der Nutzwärme Q_out 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 T_ES des Entgasungsvorganges gebracht und darauf in einem Lösungsventil auf den Entgaserdruck p_e ent­ spannt. Unter Aufnahme der Abwärme Q_in entgast die Lösung bis zur Endtemperatur T_EE 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 Q_in im Entgaser als auch der Nutz­ wärme Q_out im Resorber unter einer gleitenden Temperaturände­ rung von T_ES bis T_EE bzw. von der Resorberstarttemperatur T_RS bis zur Resorberendtemperatur T_RE 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 p_c und dem Niederdruck p_e 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 Q_in 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 Q_out 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 Q_out = 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 T_ES 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 Q_in 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 Q_out = 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 p_e sinkt die Konzentration C des Kältemittels in der Lösung von C_r auf C_a, und die reiche Lösung F wird zur armen Lösung F-D. Gleichzeitig steigt die Temperatur von ihrem Startwert T_ES stetig auf den Endwert T_EE. Nun wird die arme Lösung mit der Konzentration C_a von 2 nach 3′ verdichtet bis auf den Resorberdruck p_c und die Temperatur T′_RS. Die in der Figur nicht dargestellte Verdichtung des Dampfes D verläuft etwa von 1 nach 3 auf die Starttemperatur T_RS für die Resorption des Dampfes im Resorber von 3 nach 4. Die Starttemperatur T_RS 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 C_a auf C_r und sinkt die Temperatur T von T_RS auf T_RE. Die entstehende reiche Lösung F mit der Konzentration C_r wird von 4 nach 1 auf den Entgasungsdruck p_e 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 T_RS′′. 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 p_c/p_e des Flüssigringverdichters. Bei Verdichtung auf Normaldruck p_c = 760 Torr = 1,013 · 10⁵ Pa kann bei einem maximalen Druckverhält­ nis von p_c/p_e = 30 ein Entgaserdruck von etwa p_e = 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 = C_r - C_a 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 P_c/p_e 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 (Q_in) 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.