EP0036981B1 - Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage Download PDF

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EP0036981B1
EP0036981B1 EP81101810A EP81101810A EP0036981B1 EP 0036981 B1 EP0036981 B1 EP 0036981B1 EP 81101810 A EP81101810 A EP 81101810A EP 81101810 A EP81101810 A EP 81101810A EP 0036981 B1 EP0036981 B1 EP 0036981B1
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EP
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heat
rectifier
absorber
liquefier
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Paul Heimbach
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Buderus AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00Heat pumps
    • F25B30/04Heat pumps of the sorption type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24HFLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02Water heaters

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an absorption heating system, consisting of a heat pump with a heat generator, the rectifier downstream of the heat generator, condenser, evaporator and absorber, and a heat transfer circuit which is thermally coupled to the refrigerant circuit of the heat pump in the absorber and the condenser and is additionally heated by absorbing condensation heat from the rectifier and heat from the flue gas of the heat generator, whereby when switching from heat pump to direct heating mode, the refrigerant circuit led by the evaporator and absorber and the exchange of low-refrigerant and refrigerant-rich solution between the heat generator and absorber are interrupted.
  • the present invention is therefore based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset which is distinguished by lower energy consumption and high operational reliability.
  • the heat transfer medium is also exclusively by direct heat absorption from the flue gas stream in the heat generator and by absorption of condensation heat in the reflux cooler of the rectifier warmed up and led past the absorber and the condenser.
  • the advantage of the method according to the invention is that the absorber, the condenser and the solvent pump are no longer heated in direct heating mode as before. This reduces the heat loss in the heating system and improves the energy balance. In this way, the risk of corrosion on these parts of the system is significantly reduced and the pressure drop in the heat transfer circuit is reduced.
  • the method according to the invention has a favorable effect if, when switching from heat pump to direct heating mode, a pump for circulating refrigerant-rich solution and the device for heating the evaporator are switched off.
  • the pump for the refrigerant-rich solution and the fan for the evaporator are switched off. In this way, the energy consumption of the heating system is reduced.
  • a multi-way valve and a bypass line for the condenser and absorber connected to the multi-way valve are provided in the heat transfer circuit upstream of the condenser.
  • the figure shows a flow diagram of an absorption heating system according to the invention.
  • the absorption heating system shown in the figure works monovalently-alternatively, i.e. H. it can be used without additional heating sources in the entire application area defined by its intended use as space and / or process water heating, for example of single and multi-family houses, and is alternatively operated either as a heat pump or in direct heat exchange between primary energy and heating water.
  • the heating system contains a heat generator 1 which is heated with a burner 2.
  • a pump 3 is a refrigerant-rich solution, z. B. water circulated with ammonia.
  • the refrigerant-rich solution first enters a counterflow heat exchanger 4, where it is heated in heat exchange with a low-refrigerant solution and fed to a rectifier 5 via a check valve 22.
  • the rectifier 5 the refrigerant-free is broken down Chen solution in a refrigerant-rich liquid (water), which collects in the sump of the rectifier 5 and a substantially the refrigerant, for. B. ammonia-containing gas, which collects at the head of the rectifier 5, instead.
  • the refrigerant-rich solution 5 is removed from the sump and reaches an expeller 6, which is arranged in the heat generator 1.
  • the low-boiling refrigerant evaporates in the expeller 6 and is separated from the solution in a subsequent separator 7 and fed to the rectifier 5.
  • the remaining solution passes through a float controller 24, the function of which will be described in the following, into the heat exchanger 4, in which it is cooled in the heat exchange with a refrigerant-rich solution. After cooling, the solution is sprayed into an absorber 8.
  • Gaseous refrigerant is removed from the head of the rectifier 5 and fed via a line 20, which can be shut off with a solenoid valve 21, to a condenser 10 in which the refrigerant is liquefied.
  • the refrigerant is then expanded to evaporation pressure and evaporated in an evaporator 11 by supplying heat, for example from the ambient air, which is drawn in by a fan 23 via the evaporator 11.
  • the gaseous refrigerant is then fed to the absorber 8.
  • the gaseous refrigerant is absorbed by the solvent.
  • the solution which is rich in refrigerant, is removed from the sump of the absorber and returns to the solvent pump 3.
  • the heating system further comprises a heat transfer circuit, in which a heat transfer medium, for example water, is fed via a circulation pump 12 to a consumer group 13, for example with several space heaters.
  • the heat transfer medium emits heat in the consumer group 13. It then passes via a line 17 to a multi-way solenoid valve 18 which is switched during heat exchange operation in such a way that the heat transfer medium gets into coils 14 in the condenser and is heated there.
  • the heat transfer medium is then passed through coils 15 in the absorber 8 and further heated by the heat released here.
  • the heat transfer medium is further heated in a reflux cooler 9 in the head of the rectifier 5, with reflux liquid condensing out at the coils of the reflux condenser 9 at the same time.
  • the heat transfer medium is passed through a heat exchanger 16 arranged in the flue gas stream of the heat generator 1 and further heated there before it is fed back to the circulation pump 12.
  • the heating system according to the invention is switched to direct heating mode.
  • the pump 3 for the refrigerant-rich solution and the fan 23 on the evaporator 11 are switched off, the solenoid valve 21 in the refrigerant line 20 is closed and the multi-way valve 18 in the heat transfer line is switched so that the heat transfer medium no longer flows through the condenser 10 and the absorber 8, but through the bypass line 19.
  • the rectifier 5 By switching off the pump 3, the rectifier 5 is no longer supplied with liquid, so that the liquid level in the sump of the rectifier 5 drops. As a result, the float valve 24 closes the solvent line 25.
  • the heat transfer medium is only heated in the rectifier 5 and in the heat generator 1. (Coils 9, 16).
  • the outlay on equipment is very low, especially since the heat exchanger 16 in the heat generator 1 can also be used expediently in heat pump operation if the solvent temperature in the expeller 6 is to be equal to or higher than the desired final flue gas temperature.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage, bestehend aus einer Wärmepumpe mit einem Wärmegenerator, dem Wärmegenerator nachgeschalteten Rektifikator, Verflüssiger, Verdampfer und Absorber, sowie einem Wärmeträgerkreislauf, der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe im Absorber und dem Verflüssiger gekoppelt ist und zusätzlich durch Aufnahme von Kondensationswärme aus dem Rektifikator und Wärme aus dem Rauchgas des Wärmegenerators aufgeheizt wird, wobei beim Umschalten von Wärmepumpen- auf Direktheizbetrieb der durch den Verdampfer und Absorber geführte Kältemittelkreislauf sowie der Austausch von kältemittelarmer und kältemittelreicher Lösung zwischen Wärmegenerator und Absorber unterbrochen wird.
  • Ein derartiges Verfahren wird in der DE-A 2 748 415 beschrieben. Ohne zusätzliche Einrichtungen, wie z. B. einen mit fossilen Energieträgern beheizten Heizkessel, ist es bei diesem Verfahren möglich, die geforderte Heizleistung auch bei tiefen Aussentemperaturen zu erreichen. Reicht bei einer vorgegebenen Aussentemperatur die Heizleistung der Wärmepumpe nicht mehr aus, so wird die Heizanlage von Wärmepumpenbetrieb auf Direktheizbetrieb umgeschaltet. Hierzu wird die Brennstoffzufuhr zum Brenner des Wärmegenerators erhöht, der Kältemittelkreislauf unterbrochen und die kältemittelarme Lösung vom Wärmegenerator unter Umgehung von Verdampfer und Absorber wieder zum Wärmegenerator zurück geleitet. Die im Wärmegenerator aufgeheizte Lösung wird jeweils unter Vermeidung eines Wärmetauschers zwischen kältemittelarmer und kältemittelreicher Lösung mit dem Wärmeträger in einem besonderen Wärmetauscher in Wärmetausch gebracht. Der Wärmeträger wird ausserdem durch Aufnahme von Kondensationswärme aus dem Rektifikator und Wärme aus dem Rauchgas des Wärmegenerators aufgeheizt.
  • Es ist ein Nachteil des vorbekannten Verfahrens, dass in der Heizanlage erhebliche Wärmeverluste dadurch entstehen, dass auch bei Direktheizbetrieb einige Anlagenteile, wie Lösungsmittelpumpe und Absorber in Betrieb sind bzw. vom Wärmeträger durchflossen werden, was zu erhöhten Wärmeverlusten führt. Als weiterer Nachteil ist anzusehen, dass die dauernd laufende Lösungsmittelpumpe sowohl während des Wärmetauschbetriebs als auch während des Direktheizbetriebs Energie verbraucht. Neben der aus diesen Nachteilen resultierenden Verschlechterung der Energiebilanz ist ausserdem in den heissen Anlagenteilen mit vergrösserter Korrosionsgefahr zu rechnen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das sich durch geringeren Energieverbrauch und hohe Betriebssicherheit auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Gemäss der Erfindung wird bei Direktheizbetrieb nicht nur die Zufuhr von kältemittelarmem Lösungsmittel vom Wärmegenerator zum Absorber und von kältemittelreichem Lösungsmittel vom Absorber zum Wärmegenerator unterbrochen, sondern der Wärmeträger wird auch ausschliesslich durch direkte Wärmeaufnahme aus dem Rauchgasstrom im Wärmegenerator und durch Aufnahme von Kondensationswärme im Rücklaufkühler des Rektifikators erwärmt und am Absorber sowie dem Verflüssiger vorbeigeleitet.
  • Durch das erfindungsgemässe Verfahren wird der Vorteil erreicht, dass der Absorber, der Verflüssiger und die Lösungsmittelpumpe beim Direktheizbetrieb nicht mehr wie bisher erwärmt werden. Dadurch werden die Wärmeverluste der Heizanlage geringer und die Energiebilanz günstiger. Auf diese Weise wird gleichzeitig die Gefahr der Korrosion an diesen Anlagenteilen erheblich reduziert und der Druckabfall im Wärmeträgerkreislauf verringert.
  • Weiter wirkt sich bei dem erfindungsgemässen Verfahren günstig aus, wenn beim Umschalten von Wärmepumpen- auf Direktheizbetrieb eine Pumpe zum Umwälzen kältemittelreicher Lösung und die Einrichtung zum Erwärmen des Verdampfers abgeschaltet werden.
  • Gemäss diesem Vorschlag wird beispielsweise die Pumpe für kältemittelreiche Lösung sowie das Gebläse für den Verdampfer abgeschaltet. Auf diese Weise wird der Energieverbrauch der Heizanlage verringert.
  • Bei einer weiteren zweckmässigen Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind im Wärmeträgerkreislauf vor dem Verflüssiger ein Mehrwegeventil sowie eine an das Mehrwegeventil angeschlossene Umgehungsleitung für Verflüssiger und Absorber vorgesehen.
  • Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Hierbei zeigt die Figur ein Flussdiagramm einer erfindungsgemässen Absorptions-Heizanlage.
  • Die in der Figur gezeigte Absorptions-Heizanlage arbeitet monovalent-alternativ, d. h. sie ist ohne Zusatzheizquellen im gesamten, durch ihren Verwendungszweck als Raum- und/oder Brauchwasserheizung, beispielsweise von Ein- und Mehrfamilienhäusern, definierten Anwendungsbereich verwendbar und wird alternativ entweder als Wärmepumpe oder in direktem Wärmetausch zwischen Primärenergie und Heizwasser betrieben.
  • Die erfindungsgemässe Heizanlage enthält einen Wärmegenerator 1, der mit einem Brenner 2 beheizt wird. Durch eine Pumpe 3 wird beim Betrieb der Heizanlage als Wärmepumpe kältemittelreiche Lösung, z. B. Wasser mit Ammoniak, umgewälzt. Die kältemittelreiche Lösung gelangt zunächst in einen Gegenstromwärmetauscher 4 und wird dort in Wärmetausch mit kältemittelarmer Lösung angewärmt und über ein Rückschlagventil 22 einem Rektifikator 5 zugeführt. In dem Rektifikator 5 findet eine Zerlegung der kältemittelreichen Lösung in eine kältemittelreiche Flüssigkeit (Wasser), die sich im Sumpf des Rektifikators 5 sammelt und ein im wesentlichen das Kältemittel, z. B. Ammoniak, enthaltendes Gas, das sich am Kopf des Rektifikators 5 sammelt, statt.
  • Die kältemittelreiche Lösung 5 wird aus dem Sumpf entnommen und gelangt in einen Austreiber 6, der in dem Wärmegenerator 1 angeordnet ist. Im Austreiber 6 verdampft das leichter siedende Kältemittel aus der Lösung und wird in einem nachfolgenden Abscheider 7 von der Lösung abgetrennt und dem Rektifikator 5 zugeführt. Die verbleibende Lösung gelangt über einen Schwimmerregler 24, dessen Funktion im folgenden noch beschrieben wird, in den Wärmetauscher 4, in dem sie im Wärmetausch mit kältemittelreicher Lösung abgekühlt wird. Nach der Abkühlung wird die Lösung in einen Absorber 8 eingesprüht.
  • Vom Kopf des Rektifikators 5 wird gasförmiges Kältemittel entnommen und über eine Leitung 20, die mit einem Magnetventil 21 absperrbar ist, einem Verflüssiger 10 zugeführt, in dem das Kältemittel verflüssigt wird. Das Kältemittel wird dann auf Verdampfungsdruck entspannt und in einem Verdampfer 11 durch Zuführung von Wärme, beispielsweise aus der Umgebungsluft, die von einem Ventilator 23 über den Verdampfer 11 gesaugt wird, verdampft. Das gasförmige Kältemittel wird dann dem Absorber 8 zugeführt.
  • Im Absorber 8 wird das gasförmige Kältemittel durch das Lösungsmittel absorbiert. Die kältemittelreiche Lösung, die dabei entsteht, wird aus dem Sumpf des Absorbers entnommen und gelangt wieder zur Lösungsmittelpumpe 3.
  • Die Heizungsanlage umfasst ferner einen Wärmeträgerkreislauf, in dem ein Wärmeträger, beispielsweise Wasser, über eine Umwälzpumpe 12 einer Verbrauchergruppe 13 zugeführt wird, beispielsweise mit mehreren Raumheizkörpern. Der Wärmeträger gibt in der Verbrauchergruppe 13 Wärme ab. Er gelangt anschliessend über eine Leitung 17 zu einem Mehrwegemagnetventil 18, das beim Wärmetauschbetrieb so geschaltet ist, dass der Wärmeträger in Rohrschlangen 14 im Verflüssiger gelangt und dort erwärmt wird. Der Wärmeträger wird dann durch Rohrschlangen 15 im Absorber 8 geleitet und durch die hier freiwerdende Wärme weiter erwärmt. In einem Rücklaufkühler 9 im Kopf des Rektifikators 5 wird der Wärmeträger weiter erwärmt, wobei gleichzeitig Rücklaufflüssigkeit an den Rohrschlangen des Rücklaufkühlers 9 auskondensiert. Zuletzt wird der Wärmeträger durch einen im Rauchgasstrom des Wärmegenerators 1 angeordneten Wärmetauschers 16 geleitet und dort weiter erwärmt, bevor er der Umwälzpumpe 12 wieder zugeführt wird.
  • Sobald eine vorgegebene Aussentemperatur unterschritten wird, bei der die von der Wärmepumpe erzeugte Heizmittel-Vorlauftemperatur nicht mehr ausreicht, wird die erfindungsgemässe Heizanlage auf Direktheizbetrieb umgeschaltet. Hierzu werden die Pumpe 3 für kältemittelreiche Lösung und Ventilator 23 am Verdampfer 11 abgeschaltet, sowie das Magnetventil 21 in der Kältemittelleitung 20 geschlossen und das Mehrwegeventil 18 in der Wärmeträgerleitung umgeschaltet, so dass der Wärmeträger nicht mehr über Verflüssiger 10 und Absorber 8 strömt, sondern durch die Umgehungsleitung 19.
  • Durch Abschalten der Pumpe 3 wird dem Rektifikator 5 keine Flüssigkeit mehr zugeführt, so dass der Flüssigkeitsspiegel im Sumpf des Rektifikators 5 fällt. Dadurch schliesstdas Schwimmerventil 24 die Lösungsmittelleitung 25.
  • Gemäss der Erfindung wird der Wärmeträger nur noch im Rektifikator 5 und im Wärmegenerator 1 erwärmt. (Rohrschlangen 9, 16). Sowohl im Aufbau als auch im Energie-Nutzungsgrad ergibt sich dadurch eine Annäherung an das Verhalten einer konventionellen Heizanlage, die im Fall der Direktheizung ein Optimum darstellt. Der apparative Aufwand ist sehr gering, zumal der Wärmetauscher 16 im Wärmegenerator 1 auch beim Wärmepumpenbetrieb sinnvoll eingesetzt werden kann, wenn nämlich die Lösungsmitteltemperatur im Austreiber 6 gleich oder höher als die gewünschte Rauchgas-Endtemperatur sein soll.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage, bestehend aus einer Wärmepumpe mit einem Wärmegenerator (1), dem Wärmegenerator (1) nachgeschalteten Rektifikator (5), Verflüssiger (10), Verdampfer (11) und Absorber (8), sowie einem Wärmeträgerkreislauf der thermisch mit dem Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe im Absorber (8) und dem Verflüssiger (10) gekoppelt ist und zusätzlich durch Aufnahme von Kondensationswärme aus dem Rektifikator (5) und Wärme aus dem Rauchgas des Wärmegenerators (1) aufgeheizt wird, wobei beim Umschalten von Wärmepumpen- auf Direktheizbetrieb der durch den Verdampfer (11) und Absorber (8) geführte Kältemittelkreislauf sowie der Austausch von kältemittelarmer und kältemittelreicher Lösung zwischen Wärmegenerator (1) und Absorber (8) unterbrochen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Direktheizbetrieb
a) der Wärmeträger am Absorber (8) und Verflüssiger (10) vorbeigeleitet und lediglich durch einen Rücklaufkühler (9) im Rektifikator (5) und einem Wärmetauscher (16) im Rauchgasstrom geleitet wird,
b) die Kältemittelleitung (20) durch ein hinter dem Rektifikator (5) und vor dem Verflüssiger (10) angeordnetes Ventil (21) geschlossen und die Rückführung von kältemittelreicher Lösung zum Rektifikator (5) für die kältemittelreiche Lösung unterbrochen, sowie durch einen auf die Sumpfflüssigkeit des Rektifikators ansprechenden Schwimmerregler (24) die Lösungsmittelleitung (25) für die arme Lösung geschlossen wird.
2. Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung von kältemittelreicher Lösung zum Rektifikator (5) durch Abschalten der Pumpe (3) für die kältemittelreiche Lösung unterbrochen wird.
3. Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Direktheizbetrieb die Einrichtung zum Erwärmen des Verdampfers (11) abgeschaltet wird.
4. Verfahren zum Betreiben einer Absorptions-Heizanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Direktheizbetrieb über ein vor dem Verflüssiger (10) angeordnetes Mehrwegeventil (18) der Wärmeträgerkreislauf über eine Umgehungsleitung (19) um den Verflüssiger (10) und den Absorber (8) herum direkt in einen Rücklaufkühler (9) im Kopf des Rektifikators (5) geleitet wird.
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