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Die Erfindung betrifft zunächst eine Sorptionswärmepumpe mit einem Niederdruckbereich, einem Mitteldruckbereich und einem Hochdruckbereich, mit gasförmigem Kältemittel, flüssigem Lösungsmittel und einer Lösung, die eine einphasige Mischung des Lösungsmittels und des Kältemittels ist, und mit einer Absorptionseinheit, in der das Lösungsmittel zunächst in einem Mitteldruckabsorber des Mitteldruckbereichs einen Mitteldruckteilstrom und dann in einem Hochdruckabsorber des Hochdruckbereichs einen Hochdruckteilstrom des Kältemittels absorbiert und dabei jeweils entstehende Wärme an eine Wärmesenke außerhalb der Sorptionswärmepumpe abgibt, mit einer Mitteldruckpumpe und einem Mitteldruckverdichter, die das Lösungsmittel und den Mitteldruckteilstrom aus dem Niederdruckbereich in den Mitteldruckabsorber fördern, mit einer Hochdruckpumpe und einem Hochdruckverdichter, die die Lösung nach Austritt aus dem Mitteldruckabsorber und den Hochdruckteilstrom in den Hochdruckabsorber fördern, mit einem Austreiber, in dem die Lösung im Niederdruckbereich aus einer Wärmequelle außerhalb der Sorptionswärmepumpe Wärme aufnimmt und dabei das Kältemittel austreibt, und mit einem Drosselventil, das die Lösung nach Absorption des Hochdruckteilstroms aus dem Hochdruckbereich in den Niederdruckbereich entspannt. Die Erfindung betrifft weiter einen Sorptionskreisprozess in einer solchen Sorptionswärmepumpe.
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EP4425072A1 schlägt vor, in einer Sorptionswärmepumpe und einem Sorptionskreisprozess der vorgenannten Art das Kältemittel im Mitteldruckbereich vor dem Mitteldruckabsorber zu teilen und den Hochdruckteilstrom weiter auf das Hochdruckniveau zu verdichten. Diese weitere Verdichtung erfordert einen Mindestabstand zwischen Mittel- und Hochdruckniveau. So wird entweder mit dem Mitteldruckniveau der absorbierte Mitteldruckteilstrom und damit die im Mitteldruckabsorber abgegebene Heizleistung beschränkt oder durch ein hohes Hochdruckniveau der Hochdruckteilstrom auf eine für die Dampferzeugung technisch nicht erforderliche Temperatur erhitzt. Beides vermindert die Effizienz der Sorptionswärmepumpe.
Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der Sorptionswärmepumpe zu erhöhen.
Lösung
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Ausgehend von der bekannten Sorptionswärmepumpe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass der Hochdruckverdichter den Hochdruckteilstrom nach Austritt aus dem Austreiber vom Niederdruckbereich verdichtet.
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Bei Sorptionswärmepumpen mit Lösungskreislauf erfolgt die Wärmeabgabe im Absorber mit einem Temperaturgleit. Die Lösung heizt sich durch die Absorption des dampfförmigen Kältemittel am Eintritt in den Absorber auf und wird während der weiteren Absorption durch den Wärmeträger der Wärmesenke abgekühlt. Bei der Dampferzeugung ist hierbei im Stand der Technik die Temperatur am Eintritt in den Absorber höher als für den isothermen Phasenwechsel zwischen dem flüssigen und gasförmigen Aggregatzustand des Wärmeträgers der Wärmesenke erforderlich. Das ungenutzte Exergiepotential dieser Übertemperatur reduziert die Effizienz der bekannten Sorptionswärmepumpe.
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Die erfindungsgemäße Teilung des Kältemittels auf dem Niederdruckniveau und parallele Verdichtung der Teilströme vom Nieder- auf das Mittel- und Hochdruckniveau ermöglicht einen geringeren Abstand zwischen Mittel- und Hochdruckniveau und damit eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Effizienz durch eine hohe Absorption auf dem Mitteldruckniveau und zugleich ein für die Dampferzeugung nicht überdimensioniertes Hochdruckniveau.
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Vorzugsweise sind in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe der Mitteldruckabsorber und der Hochdruckabsorber auf geodätisch gleicher Höhe angeordnet. Der Pegel des flüssigen Wärmeträgers der Wärmesenke ist dann in beiden gleich, die jeweils aufgenommene Wärme entspricht dem entstehenden und ausströmendem gasförmigen Wärmeträger. In einer solchen Sorptionswärmepumpe erfordert die Aufteilung des Wärmeträgers der Wärmesenke auf den Mittel- und den Hochdruckabsorber keine weitere Regelung.
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Alternativ können die Teilströme des Wärmeträgers in die beiden Absorber auch über Ventile geregelt werden.
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Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Sorptionswämepumpe einen Lösungswärmeübertrager auf, in dem das Lösungsmittel aus der Lösung auf dem Hochdruckniveau Wärme aufnimmt. Die aufgenommene Wärme steht dann im Mitteldruckabsorber für die Wärmesenke zur Verfügung. Insbesondere kann das Lösungsmittel auf dem Mitteldruckniveau die Wärme aufnehmen.
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Vorzugsweise sind in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe der Mitteldruckabsorber und/oder der Hochdruckabsorber Plattenwärmetauscher. Solche Absorber sind technisch einfach, wartungsarm und stehen kostengünstig in einer Vielzahl von Ausführungen am Markt zur Verfügung.
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Vorzugsweise ist in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe das Lösungsmittel Wasser und das Kältemittel Ammoniak. Wasser und Ammoniak sind natürliche Stoffe und haben sich in der Kältetechnik bewährt.
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Ausgehend vom dem bekannten Sorptionskreisprozess wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass der Hochdruckteilstrom ausgehend vom Niederdruckniveau verdichtet wird. Der erfindungsgemäße Sorptionskreisprozess läuft in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe ab und zeichnet sich gleichermaßen durch deren vorstehend beschriebene Vorteile aus.
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Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess ein Wärmeträger der Wärmesenke in zwei parallel geführte Teilströme geteilt und an einen ersten der Teilströme die beim Absorbieren des Mitteldruckteilstroms und an einen zweiten der Teilströme die beim Absorbieren des Hochdruckteilstroms entstehende Wärme abgegeben und die Teilströme des Wärmeträgers werden anschließend wieder zusammengeführt. Bei sehr unterschiedlichen Spreizungen an der Wärmequelle und der Wärmesenke wird in einem solchen erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess ein möglichst großer Mitteldruckteilstrom auf dem Mitteldruckniveau absorbiert und die dabei entstehende Wärme an den Wärmeträger der Wärmesenke abgegeben, um dort beispielsweise Dampf zu erzeugen.
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Alternativ vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess an einen Wärmeträger der Wärmesenke zunächst die beim Absorbieren des Mitteldruckteilstroms und anschließend die beim Absorbieren des Hochdruckteilstroms entstehende Wärme abgegeben. Ist die Spreizung an der Wärmesenke viel größer als an der Wärmequelle, wird so der Wärmeträger der Wärmesenke im Mitteldruckabsorber vorgewärmt und erst im Hochdruckabsorber auf die gewünschte Ausgangstemperatur erwärmt.
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Vorzugsweise gibt ein erfindungsgemäßer Sorptionskreisprozess 0,5 bis 15 MW an die Wärmesenke ab. Weiter vorzugsweise bewirkt in einem erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess die aufgenommene Wärme an der Wärmequelle eine Spreizung von weniger als 60 K, vorzugsweise weniger als 15 K und die abgegebene Wärme an der Wärmesenke eine Spreizung unter 30 K. In diesem Leistungsbereich und bei derart geringen Spreizungen arbeitet eine erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe besonders effizient.
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Vorzugsweise weist ein Druckverhältnis des Hochdruckniveaus zum Mitteldruckniveau von weniger als 1,5 auf. Derart geringe Druckverhältnisse sind mit handelsüblichen Verdichtern nicht zu realisieren, werden also durch die erfindungsgemäße Verdichtung des Hochdruckteilstroms ausgehend vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau erst möglich.
Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die in der Figur gezeigte erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe 1 weist einen Niederdruckbereich 2, einen Mitteldruckbereich 3 und einen Hochdruckbereich 4, eine Absorptionseinheit 5, zwischen Hochdruckbereich 4 und Niederdruckbereich 2 ein Drosselventil 6, im Niederdruckbereich 2 einen Austreiber 7 und einen Abscheider 8, zwischen Niederdruckbereich 2 und Mitteldruckbereich 3 einen Mitteldruckverdichter 9 und eine Mitteldruckpumpe 10, zwischen Niederdruckbereich 2 und Hochdruckbereich 4 einen Hochdruckverdichter 11, zwischen Mitteldruckbereich 3 und Hochdruckbereich 4 eine Hochdruckpumpe 12 sowie Rohrleitungen 13 auf, die Drosselventil 6, Austreiber 7, Abscheider 8 über Mitteldruckpumpe 10, Mitteldruckverdichter 9 und Hochdruckpumpe 12 mit der Absorptionseinheit 5 und in dieser Reihenfolge zu einem geschlossenen System verbinden.
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In einem Zyklus eines erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozesses mit Ammoniak (NH3) als Kältemittel 14 in Wasser als Lösungsmittel 15 absorbiert in der Absorptionseinheit 5 ein Strom von 1,35 kg/s des Lösungsmittels 15 einen Strom von 0,29 kg/s des Kältemittels 14 und gibt an eine Wärmesenke 16 Heizleistung ab.
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Ein unter 100 °C in einem Strom von 0,874 kg/s in die Absorptionseinheit 5 eintretendes Speisewasser als Wärmeträger 17 der Wärmesenke 16 tritt mit 120 °C als Sattdampf aus der Absorptionseinheit 5 aus. Ein mit 124 °C auf einem Hochdruckniveau von 41 bar aus der Absorptionseinheit 5 mit 1,64 kg/s austretender Strom der Lösung 18 wird durch das Drosselventil 6 auf ein Niederdruckniveau von 15 bar entspannt und im Austreiber 7 aus einer Wärmequelle 19 auf 96,5 °C erhitzt. Der mit 100 °C in den Austreiber 7 eintretende Wärmeträger 20 der Wärmequelle 19 wird hierbei auf 90 °C abgekühlt. Aus dem nachfolgenden Abscheider 8 wird das Lösungsmittel 15 durch die Mitteldruckpumpe 10 und ein Mitteldruckteilstrom 21 des Kältemittels 14 durch den Mitteldruckverdichter 9 jeweils auf ein Mitteldruckniveau von 36 bar und ein Hochdruckteilstrom 22 des Kältemittels 14 durch den Hochdruckverdichter 11 auf ein Hochdruckniveau von 41 bar gepumpt und in die Absorptionseinheit 5 gefördert.
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Die Absorptionseinheit 5 weist einen Mitteldruckabsorber 23 und einen Hochdruckabsorber 24 auf. Der Wärmeträger 17 der Wärmesenke 16 wird vor Eintritt in den Mitteldruckabsorber 23 und den Hochdruckabsorber 24 zunächst in zwei Teilströme 25 geteilt, der Mitteldruckabsorber 23 und der Hochdruckabsorber 24 werden von den Teilströmen 25 parallel durchströmt und nach Austritt aus denselben werden die Teilströme 25 wieder zusammengeführt.
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Der Mitteldruckteilstrom 21 des Kältemittels 14 tritt auf dem Mitteldruckniveau mit 183 °C in die Absorptionseinheit 5 ein. Im Mitteldruckabsorber 23 absorbiert das Lösungsmittel 15 den Mitteldruckteilstrom 21 und gibt dabei Wärme 26 an den Wärmeträger 17 der Wärmesenke 16 ab. Auf dem gewählten Mitteldruckniveau entsteht bei Mischung des dampfförmigen Kühlmittels und dem Lösungsmittel 15 eine Mischungstemperatur über der zu erzeugenden Dampftemperatur, so dass der Mitteldruckteilstrom 21 unter Wärmeabgabe absorbiert werden kann. Der Mitteldruckteilstrom 21 muss daher nicht auf das Hochdruckniveau verdichtet werden, was Verdichtungsarbeit einspart und die Effizienz erhöht. Das Lösungsmittel 15 würde sich auf Hochdruckniveau deutlich weiter erwärmen als erforderlich. Indem auf Mitteldruckniveau Kühlmittel zugeführt wird, erwärmt sich die Lösung 18 auf Hochdruckniveau weniger. Die Exergieverluste sind dadurch gering.
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Die aus dem Mitteldruckabsorber 23 austretende Lösung 18 wird von der Hochdruckpumpe 12 in den Hochdruckabsorber 24 gepumpt, absorbiert dort den Hochdruckteilstrom 22 und gibt dabei weitere Wärme 26 an den Wärmeträger 17 der Wärmesenke 16 ab. Durch die erneute Zufuhr von Kältemittel 14 auf dem Hochdruckniveau entsteht wieder eine höhere Mischtemperatur, so dass auch der Hochdruckteilstrom 22 unter Wärmeabgabe absorbiert werden kann.
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Die Absorptionseinheit 5 weist einen Lösungswärmeübertrager 27 auf, in dem das Lösungsmittel 15 auf dem Mitteldruckniveau Wärme aus der aus dem Hochdruckabsorber 24 ausgetretenen Lösung 18 auf dem Hochdruckniveau aufnimmt. Die mit dem Kühlmittel hoch angereicherte Lösung 18 im Lösungswärmeübertrager 27 abgekühlt und im Drosselventil 6 vom Hoch- auf das Niederdruckniveau entspannt. Dabei sinkt die Temperatur so weit, dass die Lösung 18 ausreichend Wärme aus der Wärmequelle 19 aufnehmen kann.
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Der Austreiber 7, der Mitteldruckabsorber 23, der Hochdruckabsorber 24 und der Lösungswärmeübertrager 27 sind Plattenwärmetauscher.
In den Figuren sind
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- 1
- Sorptionswärmepumpe
- 2
- Niederdruckbereich
- 3
- Mitteldruckbereich
- 4
- Hochdruckbereich
- 5
- Absorptionseinheit
- 6
- Drosselventil
- 7
- Austreiber
- 8
- Abscheider
- 9
- Mitteldruckverdichter
- 10
- Mitteldruckpumpe
- 11
- Hochdruckverdichter
- 12
- Hochdruckpumpe
- 13
- Rohrleitung
- 14
- Kältemittel
- 15
- Lösungsmittel
- 16
- Wärmesenke
- 17
- Wärmeträger der Wärmesenke
- 18
- Lösung
- 19
- Wärmequelle
- 20
- Wärmeträger der Wärmequelle
- 21
- Mitteldruckteilstrom
- 22
- Hochdruckteilstrom
- 23
- Mitteldruckabsorber
- 24
- Hochdruckabsorber
- 25
- Teilstrom
- 26
- Wärme
- 27
- Lösungswärmeübertrager