EP0046196B1 - Verfahren zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage Download PDF

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EP0046196B1
EP0046196B1 EP81105453A EP81105453A EP0046196B1 EP 0046196 B1 EP0046196 B1 EP 0046196B1 EP 81105453 A EP81105453 A EP 81105453A EP 81105453 A EP81105453 A EP 81105453A EP 0046196 B1 EP0046196 B1 EP 0046196B1
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heating
solvent
absorber
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EP0046196A3 (en
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Paul Dipl.-Ing. Heimbach
Peter Goebel
Franz Gruber
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Buderus AG
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Buderus AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24H—FLUID HEATERS, e.g. WATER OR AIR HEATERS, HAVING HEAT-GENERATING MEANS, e.g. HEAT PUMPS, IN GENERAL
    • F24H4/00—Fluid heaters characterised by the use of heat pumps
    • F24H4/02—Water heaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/04—Heat pumps of the sorption type

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a monovalent alternative absorption heating system, which operates above a predetermined ambient temperature in heat pump mode and at lower temperatures in direct heating mode, with a refrigerant circuit in which a refrigerant is expelled from a refrigerant-rich solvent, liquefied, evaporated from the environment by supplying heat, and is absorbed by low-refrigerant solvents, as well as with a heating medium circuit in which a heating medium is heated by heat exchange with condensing refrigerant and by absorption heat.
  • a method of this type is used, for example, for space and / or process water heating in single and multi-family houses.
  • the term “monovalent alternative” means that the absorption heating system works as a heat pump with only one type of primary energy up to a preselectable lowest outside air temperature, and is operated below this temperature by direct heat transfer from the same primary energy source to the heating medium.
  • the heating of the heating circuit via a flue gas heat exchanger can only partially utilize the combustion gases, because the heat generator is primarily designed and constructed for heating the solvent.
  • the flue gas heat exchanger can only serve to make better use of the flue gases, but cannot optimally take into account the overall function of the heat generator in direct heating mode.
  • DE-A-28 387 15 describes a heat exchanger in the line of the low-refrigerant solvent for the heating medium circuit, but this remains in the overall system in both heat pump and direct heating operation. This means that optimal operation is not possible during the two operating modes.
  • the present invention is therefore based on the object of developing a method which is distinguished by low heat losses and better heating output in both heat pump and direct heating mode.
  • this object is achieved in that the heating medium in direct heating operation bypassing the refrigerant liquefier and absorber is conducted via a heat exchanger which is separate from the refrigerant liquefier and which can be connected in series to the line of the low-refrigerant solvent via a multi-way valve to the absorber between the heat generator and the absorber.
  • heating of the heating medium in direct heating mode is carried out in a heat exchanger provided exclusively for this purpose.
  • the object of the invention achieves the advantage that the heat transfer to the heating medium is carried out under optimal conditions.
  • heating of the absorber and the refrigerant condenser can also be avoided in this way. The heat losses in the system are thus reduced.
  • the low-refrigerant solvent is brought into heat exchange with a refrigerant-rich solvent in a temperature changer. With this procedure you can prevent the above-mentioned excessive cooling of the low-refrigerant solvent.
  • the heating medium is additionally heated by heat exchange with steam flowing out of a rectifier in a return condenser and / or with flue gas withdrawing from the heat generator.
  • devices for supplying heat from the environment to the refrigerant evaporator and absorber are switched off in direct heating mode.
  • Such devices are, for example, fans for supplying ambient air and valves for preventing the supply of refrigerant from the evaporator to the absorber.
  • a further refinement of the subject matter of the invention has proven to be expedient, according to which the switching and control processes required when switching from heat pump to direct heating mode and vice versa are controlled by a central control unit.
  • the absorption heating system has a heat generator 1 which is equipped with a heat generator 2, for example an atmospheric gas burner 2.
  • the absorption heating system contains a solvent circuit, which in the direction of flow of the solvent contains a solvent pump 3, a temperature changer 4, a rectifier 5, an expeller 6 arranged in the heat generator 1, a separator 7 and an absorber 8.
  • a refrigerant circuit is also provided, which begins in the vapor space of the separator 7 and leads via the head of the rectifier 5, a condenser 10, a cold exchanger 22 and an evaporator 11 designed as an air cooler to the absorber 8 and passes there into the solvent circuit.
  • a mixture of ammonia and water is used as the refrigerant-solvent mixture.
  • This mixture is removed from the sump of the absorber 8, brought into heat exchange with low-refrigerant solvent in the temperature changer 4 and then fed to the rectifier 5.
  • this gas mixture is concentrated in refrigerant, while a refrigerant-rich solvent accumulates in the sump of the rectifier 5.
  • the refrigerant-rich solvent is fed to the expeller 6, heated there by supplying heat of combustion and brought to high pressure, and separated in the following separator 7 into a refrigerant-rich gas fraction and a liquid fraction containing low-refrigerant solvent.
  • the liquid fraction is passed through a multi-way solenoid valve 20, which releases the temperature changer 4 during heat pump operation. There, the low-refrigerant solvent is brought into heat exchange with refrigerant-rich solvent and then via a device which regulates the flow rate as a function of the liquid level in the sump of the rectifier 5, e.g. a floating regulator, abandoned at the head of the absorber 8.
  • the absorption heating system contains a heating medium circuit in which a heating medium is circulated by a circulation pump 12.
  • the heating medium is guided in heat pump operation via a multi-way solenoid valve 19 via heating coils 14 and 15 in the condenser 10 and in the absorber 8, where it absorbs heat.
  • the heating medium is further heated in a return cooler 9 arranged in the head of the rectifier 5 and in a flue gas cooler 16 arranged in the flue gas outlet of the heat generator 1.
  • the heating medium reaches the circulation pump 12, from where it is fed to a consumer group 13, in which it emits heat.
  • the multi-way solenoid valve 20 when the heating is switched to direct heating operation, the multi-way solenoid valve 20 is switched over, so that the low-refrigerant hot solvent is passed into the heat exchanger 18 and is brought into heat exchange with the heating medium there.
  • the separate heat exchanger 18 is dimensioned according to the heat exchange conditions that occur and therefore enables an optimization of the heating capacity of the system. After flowing through the separate heat exchanger 18, the low-refrigerant solvent is passed into the temperature changer 4 as in heat pump operation.
  • the multi-way solenoid valve 19 is switched over and the heating medium is bypassed the condenser 10 and the absorber 8 via a bypass line 24. In this way, excessive heating of these antagen parts with all the disadvantages associated with direct heating operation is avoided.
  • All switching operations are controlled by a central control unit 23 in accordance with a preprogrammed function sequence for direct heating or heat pump operation.
  • encoder data e.g. Signals from a temperature sensor supplied (arrow 25), which are then converted into corresponding switching signals (arrow 26).
  • the energy supply to the control unit 23 is symbolized by an arrow 27 ′.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage, die oberhalb einer vorgegebenen Umgebungstemperatur im Wärmepumpbetrieb und bei tieferen Temperaturen im Direktheizbetrieb arbeitet, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel aus einem kältemittelreichen Lösungsmittel ausgetrieben, verflüssigt, durch Wärmezufuhr aus der Umwelt verdampft und von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird, sowie mit einem Heizungsmittelkreislauf, in dem ein Heizmittel durch Wärmetausch mit kondensierendem Kältemittel und durch Aufnahme von Absorptionswärme erwärmt wird.
  • Ein Verfahren dieser Art dient beispielsweise zur Raum- und/oder Brauchwasserheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Der Begriff «monovalent alternativ» besagt, dass die Absorptionsheizanlage mit nur einer Primärenergieart bis zu einer vorwählbaren tiefsten Aussenlufttemperatur als Wärmepumpe arbeitet, und unterhalb dieser Temperatur durch direkte Wärmeübertragung vom selben Primärenergieträger auf das Heizmittel betrieben wird.
  • Eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Absorptionsheizanlage ist in der DE-A-27 58 773 beschrieben. Dort sind zweierlei Verfahrensvarianten zur Umschaltung der Heizanlage von Wärmepump- auf Direktheizbetrieb gezeigt. Im einen Fall wird das im Wärmegenerator aufgeheizte Lösungsmittel direkt in den Absorber geführt, wo die Wärme an das Heizmittel übertragen wird. Im anderen Fall wird das aufgeheizte Lösungsmittel nacheinander im Kältemittelverflüssiger und im Absorber in Wärmetausch mit dem Heizmittel gebracht.
  • In beiden Fällen ist es jedoch als nachteilig anzusehen, dass mehrere Anlagenteile, wie z.B. der Absorber, der Verflüssiger und die Lösungsmittelpumpe, gegenüber dem Wärmepumpbetrieb deutlich wärmer werden, was zu erheblichen Wärmeverlusten führt. Da überdies der Wärmetausch zwischen kältemittelarmem und kältemittelreichem Lösungsmittel unterbrochen wird, führt die Expansion des kältemittelarmen Lösungsmittels vom höheren Druck des Austreibers auf den niedrigeren Druck des Absorbers zu einer starken Abkühlung des Lösungsmittels und damit zu einer Verkleinerung der Temperaturdifferenz zwischen Lösungsmittel und Heizmittel im Absorber.
  • Es hat sich ausserdem als nachteilig erwiesen, dass das kältemittelarme Lösungsmittel bei Direktheizbetrieb in den Kondensator gelangt. Beim Zurückschalten auf Wärmepumpbetrieb gelangt Lösungsmittel in den Verdampfer, was zu sehr grossen Kälteleistungsverlusten führt. Ferner treten beim Umschalten von Wärmepumpe- auf Direktheizbetrieb erhebliche Wärmeverluste auf, da der aus dem Lösungsmittel ausgetriebene Kältemitteldampf bei der Kondensation im Verdampfer seine Kondensationswärme an die Umgebung (Wärmequelle) abgibt.
  • In der älteren EP-A-36 981 die nach Artikel 54 (3) EPÜ zum Stand der Technik gehört, wird zwar ein Verfahren beschrieben, bei welchem zur Vermeidung von Wärmeverlusten während des Direktheizbetriebes der Austausch von kältemittelarmer und kältemittelreicher Lösung zwischen Wärmegenerator und Absorber unterbrochen wird. Um dem Heizmittelkreislauf genügend Wärme zuführen zu können, erfolgt im Wärmegenerator ein Wärmetausch mit dem Rauchgas und zusätzlich die Aufnahme von Kondensationswärme im Rücklaufkühler eines dem Wärmegenerator nachgeschalteten Rektifikators. Auch die DE-A-2 748 415 weist einen von Rauchgas beaufschlagten separaten Wärmetauscher für das Heizmittel auf.
  • Die Aufheizung des Heizkreislaufes über einen Rauchgaswärmetauscher kann aber nur eine teilweise Ausnutzung der Verbrennungsgase bewirken, weil der Wärmegenerator vorwiegend für die Erwärmung des Lösungsmittels ausgelegt und konstruiert ist. Der Rauchgaswärmetauscher kann nur dazu dienen die Rauchgase besser auszunutzen, kann aber nicht die Gesamtfunktion des Wärmegenerators bei Direktheizbetrieb optimal berücksichtigen.
  • Die DE-A-28 387 15 beschreibt einen in der Leitung des kältemittelarmen Lösungsmittels liegenden Wärmetauscher für den Heizmittelkreislauf, dieser verbleibt aber sowohl bei Wärmepumpen- als auch bei Direktheizbetrieb im Gesamtsystem. Dadurch ist ein optimaler Betrieb während der beiden Betriebsweisen nicht möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, das sich durch geringe Wärmeverluste und bessere Heizleistung sowohl bei Wärmepumpen- als auch bei Direktheizbetrieb auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass das Heizmittel bei Direktheizbetrieb unter Umgehung von Kältemittelverflüssiger und Absorber über einen von dem Kältemittelverflüssiger separaten Wärmetauscher geleitet wird, welcher an die Leitung des kältemittelarmen Lösungsmittels über ein Mehrwegeventil in Serie zu dem Absorber zwischen Wärmegenerator und Absorber anschliessbar ist.
  • Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die Erwärmung des Heizmittels beim Direktheizbetrieb in einem ausschliesslich für diesen Zweck vorgesehenen Wärmetauscher durchgeführt.
  • Durch den Erfindungsgegenstand wird der Vorteil erreicht, dass die Wärmeübertragung auf das Heizmittel unter optimalen Bedingungen durchgeführt wird. Insbesondere lässt sich auf diese Weise auch eine Erwärmung des Absorbers und des Kältemittelverflüssigers vermeiden. Die Wärmeverluste der Anlage werden somit reduziert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes wird nach seinem Wärmetausch mit dem Heizmittel das kältemittelarme Lösungsmittel in einem Temperaturwechsler in Wärmetausch mit kältemittelreichem Lösungsmittel gebracht. Mit dieser Verfahrensweise lässt sich die obenerwähnte zu starke Abkühlung des kältemittelarmen Lösungsmittels verhindern.
  • Es erweist sich als zweckmässig, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes das Heizmittel zusätzlich durch Wärmetausch mit aus einem Rektifikator abströmendem Dampf in einem Rücklaufkondensator und/oder mit aus dem Wärmegenerator abziehendem Rauchgas angewärmt wird.
  • Es ist von Vorteil, wenn gemäss einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens bei Direktheizbetrieb Einrichtungen zur Zuführung von Wärme aus der Umgebung zum Kältemittelverdampfer und Absorber abgeschaltet werden. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise Ventilatoren zur Zuführung von Umgebungsluft und Ventile zur Unterbindung der Kältemittelzufuhr vom Verdampfer zum Absorber.
  • Als zweckmässig hat sich eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes erwiesen, gemäss der die bei der Umschaltung von Wärmepumpe- auf Direktheizbetrieb und umgekehrt erforderlichen Schalt- und Regelungsvorgänge von einer zentralen Regeleinheit gesteuert werden.
  • Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand des schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Absorptionsheizanlage weist einen Wärmegenerator 1 auf, der mit einem Wärmeerzeuger 2, beispielsweise einem atmosphärischen Gasbrenner 2, ausgestattet ist. Die Absorptionsheizanlage enthält einen Lösungsmittelkreislauf, der in Strömungsrichtung des Lösungsmittels nacheinander eine Lösungsmittelpumpe 3, einen Temperaturwechsler 4, einen Rektifikator 5, einen im Wärmegenerator 1 angeordneten Austreiber 6, einen Abscheider 7 und einen Absorber 8 enthält.
  • Es ist ferner ein Kältemittelkreislauf vorgesehen, der im Dampfraum des Abscheiders 7 beginnt und über den Kopf des Rektifikators 5, einen Verflüssiger 10, einen Kältetauscher 22 und einen als Luftkühler ausgebildeten Verdampfer 11 zum Absorber 8 führt und dort in den Lösungsmittelkreislauf übergeht.
  • Als Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch wird beispielsweise ein Gemisch von Ammoniak und Wasser verwendet. Dieses Gemisch wird aus dem Sumpf des Absorbers 8 entnommen, im Temperaturwechsler 4 in Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel gebracht und dann dem Rektifikator 5 zugeführt. Dort erfolgt im Austausch mit einer kältemittelreichen Gasfraktion eine Konzentrierung dieses Gasgemisches an Kältemittel, während sich ein kältemittelreiches Lösungsmittel im Sumpf des Rektifikators 5 ansammelt. Das kältemittelreiche Lösungsmittel wird dem Austreiber 6 zugeführt, dort durch Zufuhr von Verbrennungswärme erhitzt und auf hohen Druck gebracht, und im nachfolgenden Abscheider 7 in eine kältemittelreiche Gasfraktion und eine kältemittelarmes Lösungsmittel enthaltende Flüssigfraktion getrennt. Die Flüssigfraktion wird über ein Mehrwege-Magnetventil 20 geführt, das bei Wärmepumpbetrieb den Temperaturwechsler 4 freigibt. Dort wird das kältemittelarme Lösungsmittel in Wärmetausch mit kältemittelreichem Lösungsmittel gebracht und anschliessend über einer die Durchflussmenge in Abhängigkeit vom Flüssigkeitsstand im Sumpf des Rektifikators 5 regelnden Einrichtung, z.B. einem Schwimmregler, am Kopf des Absorbers 8 aufgegeben.
  • Schliesslich enthält die Absorptionsheizanlage einen Heizmittelkreis, in dem ein Heizmittel von einer Umwälzpumpe 12 umgewälzt wird. Das Heizmittel wird beim Wärmepumpbetrieb über ein Mehrwege-Magnetventil 19 über Heizschlangen 14 und 15 im Verflüssiger 10 und im Absorber 8 geführt, wo es jeweils Wärme aufnimmt. In einem im Kopf des Rektifikators 5 angeordneten Rücklaufkühler 9 und einem im Rauchgasabzug des Wärmegenerators 1 angeordneten Rauchgaskühler 16 wird das Heizmittel weiter erwärmt. Über einen erfindungsgemässen Wärmetauscher 18 gelangt das Heizmittel zur Umwälzpumpe 12, von wo es einer Verbrauchergruppe 13 zugeführt wird, in der es eine Wärme abgibt.
  • Gemäss der Erfindung wird beim Umschalten der Heizung auf Direktheizbetrieb das Mehrwege-Magnetventil 20 umgeschaltet, so dass das kältemittelarme heisse Lösungsmittel in den Wärmetauscher 18 geleitet und dort in Wärmetausch mit dem Heizmittel gebracht wird. Der separate Wärmetauscher 18 ist entsprechend den auftretenden Wärmetauschbedingungen dimensioniert und ermöglicht daher eine Optimierung der Heizleistung der Anlage. Nach Durchströmen des separaten Wärmetauschers 18 wird das kältemittelarme Lösungsmittel wie beim Wärmepumpbetrieb in den Temperaturwechsler 4 geleitet.
  • Gleichzeitig wird beim Umschalten das Mehrwege-Magnetventil 19 umgeschaltet und das Heizmittel über eine Bypassleitung 24 am Verflüssiger 10 und Absorber 8 vorbeigeleitet. Auf diese Weise wird eine zu starke Erwärmung dieser Antagenteile mit allen damit verbundenen Nachteilen bei Direktheizbetrieb vermieden.
  • Ausserdem wird bei der Betriebsumschaltung die Dampfrückleitung vom Luftkühler 11 zum Absorber mittels Ventil 21 abgesperrt und der Ventilator 17 abgeschaltet.
  • Sämtliche Schaltvorgänge werden entsprechend einer vorprogrammierten Funktionsfolge für Direktheiz- oder Wärmepumpbetrieb von einer zentralen Regeleinheit 23 gesteuert. Hierzu werden der Regeleinheit 23 Geberdaten, z.B. Signale eines Temperaturfühlers, zugeführt (Pfeil 25), die dann in entsprechende Schaltsignale umgewandelt werden (Pfeil 26). Die Energiezufuhr zu der Regeleinheit 23 ist durch einen Pfeil 27'versinnbildlicht.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage, die oberhalb einer vorgegebenen Umgebungstemperatur im Wärmepumpebetrieb und bei tieferen Temperaturen im Direktheizbetrieb arbeitet, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel aus einem kältemittelreichen Lösungsmittel ausgetrieben, verflüssigt, durch Wärmezufuhr aus der Umwelt verdampft und von kältemittelarmem Lösungsmittel absorbiert wird, sowie mit einem Heizmittelkreislauf, in dem ein Heizmittel durch Wärmetausch mit kondensierendem Kältemittel und durch Aufnahme von Absorptionswärme erwärmt wird, wobei das Heizmittel bei Direktheizbetrieb unter Umgehung von Kältemittelverflüssiger (10) und Absorber (8) über einen von dem Kältemittelverflüssiger separaten Wärmetauscher (18) geleitet und dort durch Direktzufuhr von Verbrennungswärme aus dem Wärmegenerator erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der bei Direktheizbetrieb für das Heizmittel vorgesehene separate Wärmetauscher (18) an die Leitung des kältemittelarmen Lösungsmittels über ein Mehrwegeventil (20) in Serie zu dem Absorber (8) zwischen Wärmegenerator (1) und Absorber (8) anschliessbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach seinem Wärmetausch mit dem Heizmittel das kältemittelarme Lösungsmittel in Wärmetausch mit kältemittelreichem Lösungsmittel in einen Temperaturwechsler (4) gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizmittel zusätzlich durch Wärmetausch mit aus einem Rektifikator (5) abströmendem Dampf in einem Rücklaufkondensator (9) und/oder mit aus dem Wärmegenerator (1) abziehendem Rauchgas angewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Direktheizbetrieb Einrichtungen zur Zuführung von Wärme aus der Umgebung zum Kältemittelverdampfer (11) und Absorber (8) abgeschaltet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Umschaltung von Wärmepumpe- auf Direktheizbetrieb und umgekehrt erforderlichen Schalt- und Regelungsvorgänge von einer zentralen Regeleinheit (23) gesteuert werden.
EP81105453A 1980-08-16 1981-07-13 Verfahren zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage Expired EP0046196B1 (de)

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