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Verfahren und Vorrichtung zum Heben der einem Wärmeträger entzogenen
Wärmemenge niedrigerer Temperatur auf eine höhere Temperatur Zum Heben der einem
Wärmeträger entzogenen Wärmemenge niedrigerer Temperatur auf eine höhere Temperatur
kann man in bekannter Weise auf dem Kompressionsprinzip mit Lösungsmittelkreislauf
beruhende Wärmepumpen verwenden, die größere Temperaturbereiche der Wärmeträger
mit geringerem Druckverhältnis und Arbeitsaufwand zu überwinden vermögen als -einfache
Kompressionsmaschinen.
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Ein Nachteil derartiger `'Wärmepumpen ist der Umstand, daß der Temperaturbereich
des Wärmeträgers mit der niedrigeren Temperatur etwa ebenso groß sein muß wie der
Temperaturbereich des Wärmeträgers mit der höheren Temperatur, wenn die Vorteile
des Betriebes mit Lösungskreislauf voll zur Geltung kommen sollen.
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Eine Abhilfe soll nun erfindungsgemäß in der Weise geschaffen werden,
daß entsprechend der Anreicherung des Lösungsmittels das Gas mit dem Anreicherungszustand
entsprechend steigenden Drücken einzelnen Stufen eines mehrstufigen, von dem Lösungsmittel
nacheinander durchlaufenen Resorbers zugeleitet wird bzw. entsprechend der fortschreitenden
Entgasung des Lösungsmittels das Gas
mit dem Entgasungszustand entsprechend
fallenden Drücken- aus einzelnen Stufen eines mehrstufigen, von dem Lösungsmittel
nacheinander durchlaufenen Entgasers abgesaugt wird.
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Es ergibt sich daraus der Vorteil, daß der Temperaturbereich der Wärmeabgabe
auf das für den Wärmeträger höherer Temperatur erwünschte Maß herabgedrückt werden
kann, ohne daß die Anpassung des Entgasers an den größeren Temperaturbereich des
Wärmeträgers niedrigerer Temperatur beeinträchtigt wird, bzw. umgekehrt, daß der
Temperaturbereich der Wärmeaufnahme auf das für den Wärmeträger niedrigerer Temperatur
erwünschte Maß gesenkt wird, ohne daß die Anpassung des Resorbers an den größeren
Temperaturbereich des Wärmeträgers höherer Temperatur darunter leidet. Das Verfahren
ermöglicht es also, auch bei ganz verschiedenen Temperaturbereichen der Wärmeträger
die Wärme stets praktisch bei der mittleren Temperatur der Wärmeträger aufzunehmen
und abzugeben, und sichert dadurch den geringstmöglichen Arbeitsaufwand.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Abb. x zeigt eine Wärmepumpe nach dem Kompressionsprinzip
mit Lösungsmittelkreislauf bekannter Bauart, bei der die Temperaturbereiche
-annähernd gleich groß sind; Abb.2 zeigt eine Verkürzung des Temperaturbereichs
der Wärmeabgabe bei einer Anlage, die auch zur Ausnutzung der Außenkälte dienen
kann; Abb.3 zeigt eine Verkürzung des Temperaturbereichs der Wärmeaufnahme, die
durch ein lg p - i/T-Diagranun in Abb. 4 näher erläutert ist.
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In Abb. i bedeutet i einen Kompressor, 2 einen Entgaser; 3 ist die
Saugleitung; 4 die Druckleitung, 5 ein Resorber; 6 ist eine Pumpe; 7 und 8 sind
Leitungen für die arme bzw. reiche Lösung, die einen Temperaturwechsler bilden;
g ist ein Regulierventil; io ist die Grundwasserleitung, ii die Heizwasserleitung.
Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung der Dämpfe und Flüssigkeiten. Eritgaser
und Resorber enthalten beispielsweise eine wäßrige Ammoniaklösung. Der Druck in
der Maschine ist durch die Konzentration der Ammoniaklösung in weiten Grenzen frei
wählbar, z. B. selbst im Resorber bis unter den Atmosphärendruck herab.
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Wird die Anlage betrieben, so saugt der Kompressor i durch Saugleitung
3 Dampf aus dem Entgaser 2 an, komprimiert ihn und drückt ihn durch Leitung 4 in
den Resorber 5. Die arme Lösung wird aus dem Entgaser 2 durch Pumpe 6 auf höheren
Druck gebracht und durch Leitung 7 dem Resorber 5 zugeführt. Sie geht zunächst im
Gegenstromwärmeaustausch mit der absorbierenden Lösung durch den Resorber 5 hindurch.
Erst am warmen Ende des Resorbers tritt die arme Lösung in diesen über und gelangt
zur Wechselwirkung mit dem Dampf, den sie absorbiert. Die Absorptionswärme wird
durch die Heizwasserleitung ix aufgenommen. DiereicheLösung geht durch Rohr 8, im
Gegenstromwärmeaustausch mit der armen Lösung in Rohr 7, in den Entgaser 2. Sie
geht zunächst im Gegenstromwärmeaustausch mit der siedenden Lösung durch den Entgaser
2 hindurch. Erst am kalten Ende des Entgasers tritt die reiche Lösung durch Regulierventil
g in den Entgaser über und entwickelt nach ihrer Entspannung den vom Kompressor
angesaugten Dampf. Die Austreibungswärme wird durch die Grundwasserleitung io geliefert.
Die Lösungsvorführung im Resorber und Entgaser ist zweckmäßig, da sie den Gütegrad
der Maschine wesentlich verbessert. Bei geringer Konzentration und niedrigem Druck
in der Maschine ist natürlich das für die gleiche Heizleistung anzusaugende Dampfvolumen
größer als bei hohem Druck. Doch tritt zu der Verdampfungswärme die Lösungswärme
hinzu, die bei niedrigen Konzentrationen besonders groß ist. Das große Dampfvolumen
und das verhältnismäßig geringe Druckverhältnis kommen der Anwendung von Turbokompressoren
zur Verdichtung der Dämpfe entgegen. Diese sind daher den folgenden Anwendungsbeispielen
zugrunde gelegt.
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In Abb.2 bedeutet i2 einen Torbokompressor mit den Dampfentnahmestellen
13, 14 und 15. Ferner sind 16, 17 und 18 Druckdampfleitungen, ig, 2o und 21 drei
Resorber, 22 ein Entgaser, 23 ein Verdampfer; 24 und 25 sind Saugdampfleitungen;
26 bis 29 sind Leitungen für die arme und reiche Lösung; 3o ist eine Kondensatleitung,
3i ein Kondensator; 32 bis 35 sind Pumpen, 36 und 37 Absperrventile, 38 ein Regulierventil;
39 und 40 sind parallel geschaltete Grundwasserleitungen, 4, 42 und 43 parallel
geschaltete Heizwasserleitungen.
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Die Betriebsweise ist folgende: Die Pumpen 32, 33 und 34 sowie der
Turbokompressor 12 sind ständig in Betrieb; die Stellung des Regulierventils ist
dem Lösungsumlauf angepaßt. Grundwasser strömt durch die Leitung 39, Heizwasser
durch die Leitungen 41, 42 und 43.
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Für die Übergangsheizung bei geringer Außenkälte bleibt nun das Absperrventil
37 geschlossen, und die Pumpe 35 liegt still. Durch die Leitung 40 fließt
kein Grundwasser. Dagegen ist Absperrventil 36
geöffnet. Der Turbokompressor
i2 saugt Dampf aus dem Entgaser 22 über das geöffnete Absperrventil 36 und Leitung
24 an und komprimiert ihn. Ein Teil des mäßig komprimierten Dampfes verläßt bei
der Entnahmestelle 13 den Turbokompressor und gelangt durch Leitung 16 in den Resorber
ig, wo er bei dem dort herrschenden Druck absorbiert wird. Die Absorptionswärme
wird durch das Heizwasser in der Leitung 41 abgeführt. Der übrige Dampf wird in
dem Turbokompressor weiter komprimiert, ein Teil bei 14 entnommen und über Leitung
17 dem Resorber 2o zugeführt, wo er bei dem dort vorhandenen etwas höherem Druck
absorbiert wird. Das Heizwasser in Leitung 42 nimmt die Absorptionswärme auf. Der
Restdampf verläßt bei der Entnahmestelle 15 den Turbokompressor und geht über Leitung
18 in den Resorber 21, um hier bei dem höchsten erzielten Druck absorbiert zu werden.
Die Absorptionswärme wird von dem durch Leitung 43 strömenden Heizwasser aufgenommen.
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Die reiche Lösung strömt dann aus dem Resorber 21 durch Rohr 29 zum
Entgaser 22, in den sie durch Regulierventil 38 am kalten Ende übertritt.
Die
Verdampfungswärme wird durch das Grundwasser in Leitung 3g geliefert.
Die verarmte Lösung wird durch Pumpe 32 über Leitung 26, die mit Leitung 29 in Wärmeaustausch
steht, in den Resorber ig gefördert, in den sie am warmen Ende übertritt. Die im
Resorber ig angereicherte Lösung wird durch Pumpe 33 über Leitung 27 in den Resorber
2o gefördert, in den sie am warmen Ende übertritt. Die im Resorber 2o angereicherte
Lösung wird schließlich durch Pumpe 34 in den Resorber 21 gefördert. Sie tritt ebenfalls
am warmen Ende in ihn über.
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Bei dieser dreistufigen Resorption erscheint der Temperaturbereich
gegenüber dem im Entgaser etwa auf den dritten Teil verkürzt. In jeder Stufe besteht
der gleiche geringere Temperaturbereich. Auf diese Weise ist es möglich, sich den
Außenbedingungen vollkommen anzupassen, ohne eine Verringerung des Gütegrades des
Resorptionssystems in den Kauf nehmen zu müssen, für den die angestrebte größtmöglichste
Entgasungsbreite von besonderem Vorteil ist.
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Bei starker Außenkälte wird das Absperrventil 36
geschlossen,
das Absperrventil 37 geöffnet und die Pumpe 35 in Gang gesetzt. Mittels der
Leitung 4o wird Grundwasser durch den Verdampfer 23 geleitet. Der in dem Entgaser
22 entwickelte Dampf wird dann in dem Kondensator 31 verflüssigt, wobei die Kondensationswärme
an die Außenkälte abgegeben wird. Das Kondensat gelangt dann durch Pumpe 35 über
Leitung 30 in den Verdampfer 23 und wird hier unter Wärmezufuhr aus dem Grundwasser
bei höherem Druck wieder verdampft. Der Dampf wird durch den Turbokompressor 12
abgesaugt. Der Turbokompressor hat somit unter der Einwirkung der Außenkälte gegen
ein geringes Druckgefälle zu arbeiten, wodurch eine erhebliche Arbeitsersparnis
erzielt wird. Der Druck im Entgaser ist hierbei um so geringer, je niedriger die
Außentemperatur und damit die Kondensationstemperatur wird. Die Lösung erhält dadurch
im Entgaser 22 bei starker Außenkälte eine sehr niedrige Konzentration, durch die
eine Temperaturerhöhung in den Resorbern ohne Druckerhöhung bewirkt wird. In dieser
überraschend einfachen Weise gelingt die Heranziehung der Außenkälte zur Arbeitsersparnis
bei der Heizung dank der Verwendung der Wärmepumpe mit Lösungskreislauf. Die dreistufige
Resorption ist hierbei ohne Einfluß. Sie ist in diesem Ausführungsbeispiel nur vorgesehen,
um den vorausgesetzten besonders geringen Temperaturbereich im Heizwasser nicht
nachteilig wirken zu lassen. Bei einstufiger Resorption ist die Einwirkung der Außenkälte
die gleiche.
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In Abb. 3, die eine Verkürzung des Temperaturbereichs der Wärmeaufnahme
zeigt, bedeutet 44 den Turbokompressor, der drei Saugstellen 45, 46 und 47 besitzt.
48, 49 und 50 sind die Saugleitungen, 51 ist die Druckleitung, 52 der Resorber,
53, 54 und 55 ist der dreistufige Entgaser. 56 ist die Leitung für die arme Lösung,
57 ist die Leitung für die reiche Lösung, 58 und 59 sind weitere Leitungen für die
Lösung; 6o ist eine Pumpe, 61, 62 und 63 sind Regulierventile. 64 ist die Heizwasserleitung,
65, 66 und 67 sind Grund-oder Flußwasserleitungen in Parallelschaltung. Die Anlage
arbeitet folgendermaßen: Der Turbokompressor saugt den Dampf aus den drei Entgaserstufen
53, 54 und 55 über die Leitungen 48, 49 und 5o an und führt den verdichteten Dampf
über die Druckleitung 51 dem Resorber 52 zu. Die Absorptionswärme wird durch Leitung
64 von dem Heizwasser aufgenommen. Die reiche Lösung gelangt aus dem Resorber 52
durch Leitung 57 und Regulierventil 67 in den Entgaser 53, dem Wärme durch Leitung
65 zugeführt wird.
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Die hier zum Teil entgaste Lösung gelangt durch Leitung 58 und Regulierventil
62 in den Entgaser 54, dem Wärme durch Leitung 66 zugeführt wird und in dem ein
geringer Druck herrscht, bei dem die Entgasung in dem gleichen Temperaturbereich
wie im Entgaser 53 fortgesetzt wird. Schließlich gelangt die im Entgaser 54 weiter
verarmte Lösung durch Leitung 59 mit Regulierventil 63 in den Entgaser 55,
wo der niedrigste Druck herrscht und daher die Entgasung in dem gleichen Temperaturbereich
wie in den anderen Entgasern am weitesten getrieben wird. Die Wärme wird durch Leitung
67 zugeführt. Die verarmte Lösung wird dann durch Pumpe 6o über Leitung 56, die
im Gegenstromwärmeaustausch mit der Leitung 57 für die reiche Lösung steht, in den
Resorber geschafft, in den sie am warmen Ende übertritt.
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Mit dieser dreistufigen Vorrichtung, die nur eine einzige Pumpe besitzt,
ist es z. B. möglich, unter Verwendung von iogrädigem Grundwasser zur Erwärmung
der drei Entgaser im Resorber mit einem Temperaturbereich von etwa 3o° zu arbeiten,
so daß die Entgasungsbreite groß und der Lösungsumlauf klein wird, was sich auf
den Gütegrad der Maschine günstig auswirkt.
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Das lg p - i/T-Diagramm der Abb. 4 erläutert die Arbeitsweise dieser
Maschine. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie bei Abb. 3. Der große
Temperaturbereich des Resorbers gegenüber dem geringeren der drei Entgaser ist augenfällig.