SORPTIONSWÄRMEPUMPE UND -KREISPROZESS

Abstract

 Offenbart ist zunächst eine Sorptionswärmepumpe (1) mit einem gasförmigen Kältemittel und einem flüssigen Lösungsmittel, einer armen und einer reichen Lösung, wobei die arme und die reiche Lösung einphasige Mischungen des Lösungsmittels und des Kältemittels sind, einem Absorber (2), in dem die arme Lösung auf einem Hochdruckniveau das Kältemittel absorbiert und dabei Wärme abgibt und einer Kühleinrichtung (3), die mehrere Kühlregister (11) aufweist, in denen jeweils in einem Normalbetrieb die reiche Lösung in einem Drosselventil (12) auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, in einem Luftkühler (14) aus Umgebungsluft Wärme aufnimmt und dabei das Kältemittel austreibt, wobei die Luftkühler (14) jeweils in einem den Normalbetrieb unterbrechenden Abtaubetrieb durch Zufuhr von Heizwärme abtaubar sind. Offenbart ist weiterhin ein Sorptionskreisprozess einer solchen Sorptionswärmepumpe (1).
Um die Effizienz beim Abtauen zu steigern und den Verschleiß der Sorptionswärmepumpe (1) zu vermindern wird vorgeschlagen, dass die Kühleinrichtung (3) einen Bypass (17) aufweist, der jeweils im Abtaubetrieb eines der Kühlregister (11) durch dieses einen Teilstrom der reichen Lösung auf dem Hochdruckniveau derart leitet, dass er die Heizwärme abgibt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft zunächst eine Sorptionswärmepumpe mit einem gasförmigen Kältemittel und einem flüssigen Lösungsmittel, einer armen und einer reichen Lösung, wobei die arme und die reiche Lösung einphasige Mischungen des Lösungsmittels und des Kältemittels sind, einem Absorber, in dem die arme Lösung auf einem Hochdruckniveau das Kältemittel absorbiert und dabei Wärme abgibt und einer Kühleinrichtung, die mehrere Kühlregister aufweist, in denen jeweils in einem Normalbetrieb die reiche Lösung in einem Drosselventil auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, in einem Luftkühler aus Umgebungsluft Wärme aufnimmt und dabei das Kältemittel austreibt, wobei die Luftkühler jeweils in einem den Normalbetrieb unterbrechenden Abtaubetrieb durch Zufuhr von Heizwärme abtaubar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Sorptionskreisprozess einer solchen Sorptionswärmepumpe.

[0002] Derartige Sorptionswärmepumpen und -kreisprozesse sind zu Heizzwecken in der Wohnungswirtschaft allgemein bekannt und nutzen im Abtaubetrieb Verfahren der Kreislaufumkehr oder Heißgasabtauung.

[0003] In den bekannten Verfahren wird während des Abtauens keine Nutzwärme erzeugt. Der intermittierende Betrieb der Verdichter und die jeweils abrupte Änderung der Drücke beim Umschalten zwischen Normal- und Abtaubetrieb belasten und verschleißen die Komponenten der bekannten Sorptionswärmepumpen.

Aufgabe

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz beim Abtauen zu steigern und den Verschleiß zu vermindern.

Lösung

[0005] Ausgehend von den bekannten Sorptionswärmepumpen wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass die Kühleinrichtung einen Bypass aufweist, der jeweils im Abtaubetrieb eines der Kühlregister durch dieses einen Teilstrom der reichen Lösung auf dem Hochdruckniveau derart leitet, dass er die Heizwärme abgibt. Die erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe nutzt zum Abtauen überschüssige Wärme, die der reichen Lösung andernfalls aktiv entzogen werden müsste und erhöht so die Effizienz. Beim Abtauen wird der Massenstrom im thermodynamischen Kreislauf um den Anteil reduziert, der in dem abtauenden Kühlregister im Normalbetrieb Wärme aufnimmt. Dadurch sinkt die Heizleistung der erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe beim Abtauen entsprechend. Die Druckverhältnisse im Kreislauf bleiben aber unverändert, was die Belastung und den Verschleiß der Komponenten signifikant vermindert.

[0006] In einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe treibt zwischen den Kühlregistern und dem Absorber auf dem Niederdruckniveau die reiche Lösung das Kältemittel aus und die verbleibende arme Lösung wird mit einer Pumpe und das Kältemittel mit einem Verdichter auf das Hochdruckniveau gebracht.

[0007] Vorzugsweise wird in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe nach Abgabe der Heizwärme im Abtaubetrieb der Teilstrom wieder in die reiche Lösung geführt. So wird im Abtaubetrieb der Kreislauf geschlossen. Weiter vorzugsweise wird der Teilstrom durch jeweils ein Rückschlagventil parallel zu dem Drosselventil des jeweiligen Kühlregisters geführt. Die reiche Lösung strömt dann im Normalbetrieb und im Abtaubetrieb in entgegengesetzten Richtungen durch den Luftkühler. Das Drosselventil und das Rückschlagventil können platzsparend in einem Bauteil als "Drosselrückschlagventil" ausgeführt sein.

[0008] Vorzugsweise weist in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe die Kühleinrichtung Absperrventile auf, die entweder jeweils im Normalbetrieb eines der Kühlregister die reiche Lösung aus dem Luftkühler zu dem Absorber oder im Abtaubetrieb die reiche Lösung aus dem Bypass zu dem Luftkühler führen. Durch Betätigen der Absperrventile wird dann das jeweiligen Kühlregister zwischen Normal und Abtaubetrieb umgeschaltet. Die Absperrventile eines Kühlregisters können platzsparend in einem Bauteil als "3/2-Wegeventil" ausgeführt sein.

[0009] Vorzugsweise weist in einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe die Kühleinrichtung ein Regelventil auf, das einen Reststrom der reichen Lösung parallel zu dem Bypass regelt. Das Regelventil gleicht den Druckverlust des Teilstroms in dem Bypass und dem Luftkühler aus. Alternativ kann der Teilstrom ohne Reststrom die reiche Lösung vollständig umfassen. Das im Abtaubetrieb laufende Kühlregister wird dann mit maximaler Leistung, also so schnell wie möglich abgetaut.

[0010] 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.

[0011] Ausgehend von den bekannten Sorptionskreisprozessen wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass in dem Abtaubetrieb jeweils ein Teilstrom der reichen Lösung auf dem Hochdruckniveau die Heizwärme in dem Luftkühler abgibt. Ein solcher Prozess wird mit einer erfindungsgemäßen Sorptionswärmepumpe ausgeführt und zeichnet sich gleichermaßen durch deren Vorteile aus.

[0012] Vorzugsweise strömt in einem erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess die reiche Lösung durch jeden der Luftkühler jeweils im Normalbetrieb und im Abtaubetrieb in entgegengesetzten Richtungen. Durch die Umkehrung der Strömungsrichtung in den vorhandenen Rohrleitungen können die erforderlichen Bypassleitungen minimiert werden.

Ausführungsbeispiel

[0013] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die in der Figur gezeigte erfindungsgemäße Sorptionswärmepumpe 1 weist einen Absorber 2, eine Kühleinrichtung 3, einen Abscheider 4, einen Verdichter 5, eine Pumpe 6 sowie Rohrleitungen 7 auf, die Absorber 2, Kühleinrichtung 3 und Abscheider 4 in dieser Reihenfolge zu einem kreisförmig geschlossenen System verbinden, wobei der Verdichter 5 in einem Kältemittelzweig 8 und die Pumpe 6 in einem dazu parallel verlaufenden Lösungsmittelzweig 9 den Abscheider 4 mit dem Absorber 2 verbinden. Die Rohrleitung 7 zwischen Absorber 2 und Kühleinrichtung 3 und der Lösungsmittelzweig 9 sind durch einen Lösungswärmeübertrager 10 geführt.

[0014] Die Kühleinrichtung 3 weist zwei parallel angeordnete Kühlregister 11 auf. Ausgehend von dem Absorber 2 bis zum Abscheider 4 weist jedes Kühlregister 11 ein Drosselventil und ein parallel dazu angeordnetes Rückschlagventil 13, einen Luftkühler 14 und ein erstes Absperrventil 15 auf. Über ein jeweils parallel zu dem ersten Absperrventil 15 angeordnetes zweites Absperrventil 16 sind die Luftkühler 14 mit einem Bypass 17 verbindbar, der vor den Drosselventilen 12 abzweigt. Zwischen dem Abzweig 18 des Bypasses 17 und den Drosselventilen 12 weist die Kühleinrichtung 3 ein Regelventil 19 auf.

[0015] Mittels der Absperrventile 15, 16 sind die Kühlregister 11 jeweils in einen Normalbetrieb und einen Abtaubetrieb schaltbar.

[0016] In einem erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess mit Ammoniak (NH₃) als Kältemittel in Wasser als Lösungsmittel absorbiert in dem Absorber 2 ein Strom der armen Lösung einen Strom des Kältemittels und gibt Heizleistung an ein Heizmedium ab.

[0017] In einem Betriebsfall mit beiden Kühlregistern 11 im Normalbetrieb wird die unter einem Hochdruck von 27 bar mit 1,39 kg/s aus dem Absorber 2 austretende reiche Lösung gleichmäßig auf beide Kühlregister 11 aufgeteilt, durch beide Drosselventile 12 auf denselben Niederdruck entspannt, kühlt dabei ab und wird in beiden Luftkühlern 14 erhitzt. Die in den beiden Luftkühlern 14 erhitzte reiche Lösung wird über die geöffneten ersten Absperrventile 15 im nachfolgenden Abscheider 4 zusammengeführt und scheidet das Kältemittel gasförmig ab. Die verbleibende arme Lösung wird im Lösungsmittelzweig 9 durch die Pumpe 6 und das gasförmige Kältemittel im Kältemittelzweig 8 durch den Verdichter 5 wieder auf den Hochdruck gebracht und in den Absorber 2 gefördert. Im Absorber 2 nimmt die arme Lösung das Kältemittel wieder auf, wird abgekühlt und gibt Heizwärme an ein Heizmedium ab.

[0018] Im Normalbetrieb bereifen die nicht dargestellten Lamellen der Luftkühler 14. Um die Bereifung abzutauen, werden im erfindungsgemäßen Sorptionskreisprozess die Kühlregister 11 abwechselnd aus dem Normbetrieb in einen Abtaubetrieb geschaltet.

[0019] Um das erste Kühlregister 11 abzutauen, wird das Regelventil 19 und im ersten Kühlregister 11 das erste Absperrventil 15 geschlossen und das zweite Absperrventil 16 geöffnet. Über das zweite Absperrventil 16 strömt dann ein Teilstrom, der hier die gesamte reiche Lösung umfasst, mit 30 °C unter dem Hochdruck in den Luftkühler 14 des ersten Kühlregisters 11, heizt diesen und die Außenluft mit einer Abtauleistung von 138 kW, verlässt ihn mit 10 °C und strömt über das Rückschlagventil 13 in das weiter im Normalbetrieb laufende zweite Kühlregister 11.

[0020] Im zweiten Kühlregister 11 wird die reiche Lösung vom Drosselventil 12 auf einen Niederdruck von 2,2 bar entspannt und kühlt dabei auf -10 °C ab, nimmt im Luftkühler 14 aus der Außenluft 785 kW auf und strömt bei -5 °C über das offene erste Absperrventil 15 aus der Kühleinrichtung 3.

[0021] Im Abscheider 4 scheidet die reiche Lösung 0,67 kg/s gasförmiges Kältemittel ab, das im Verdichter 5 mit 365 kW auf den Hochdruck verdichtet wird. Die verbleibenden 0,72 kg/s arme Lösung werden in der Pumpe 6 mit 5 kW zum Absorber 2 gefördert und dabei im Lösungswärmeübertrager 10 auf 66 °C aufgeheizt.

[0022] Wenn das erste Kühlregister 11 vollständig abgetaut ist, wird es durch Umschalten des Regelventils 19, des ersten Absperrventils 15 und des zweiten Absperrventils 16 wieder in den Normalbetrieb genommen.

[0023] Das Regelventil 19 erlaubt alternativ, im Abtaubetrieb nur einen echten Teilstrom der reichen Lösung in das erste Kühlregister 11 zu führen. Hierdurch wird die Abtauleistung vermindert und die zum Abtauen benötigte Zeit erhöht.

In den Figuren sind

[0024] 

1

Sorptionswärmepumpe

2

Absorber

3

Kühleinrichtung

4

Abscheider

5

Verdichter

6

Pumpe

7

Rohrleitung

8

Kältemittelzweig

9

Lösungsmittelzweig

10

Lösungswärmeübertrager

11

Kühlregister

12

Drosselventil

13

Rückschlagventil

14

Luftkühler

15

Absperrventil

16

Absperrventil

17

Bypass

18

Abzweig

19

Regelventil

Ansprüche

1. Sorptionswärmepumpe (1) mit

• einem gasförmigen Kältemittel und einem flüssigen Lösungsmittel,

• einer armen und einer reichen Lösung, wobei die arme und die reiche Lösung einphasige Mischungen des Lösungsmittels und des Kältemittels sind,

• einem Absorber (2), in dem die arme Lösung auf einem Hochdruckniveau das Kältemittel absorbiert und dabei Wärme abgibt und

• einer Kühleinrichtung (3), die mehrere Kühlregister (11) aufweist, in denen jeweils in einem Normalbetrieb die reiche Lösung in einem Drosselventil (12) auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, in einem Luftkühler (14) aus Umgebungsluft Wärme aufnimmt und dabei das Kältemittel austreibt, wobei die Luftkühler (14) jeweils in einem den Normalbetrieb unterbrechenden Abtaubetrieb durch Zufuhr von Heizwärme abtaubar sind,

dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) einen Bypass (17) aufweist, der jeweils im Abtaubetrieb eines der Kühlregister (11) durch dieses einen Teilstrom der reichen Lösung auf dem Hochdruckniveau derart leitet, dass er die Heizwärme abgibt.

2. Sorptionswärmepumpe (1) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abgabe der Heizwärme im Abtaubetrieb der Teilstrom vorzugsweise durch jeweils ein Rückschlagventil (13) parallel zu dem Drosselventil (12) des jeweiligen Kühlregisters (11) wieder in die reiche Lösung geführt wird.

3. Sorptionswärmepumpe (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) Absperrventile (15, 16) aufweist, die entweder jeweils im Normalbetrieb eines der Kühlregister (11) die reiche Lösung aus dem Luftkühler (14) zu dem Absorber (2) oder im Abtaubetrieb die reiche Lösung aus dem Bypass (17) zu dem Luftkühler (14) führen.

4. Sorptionswärmepumpe (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (3) ein Regelventil (19) aufweist, das einen Reststrom der reichen Lösung parallel zu dem Bypass (17) regelt.

5. Sorptionswärmepumpe (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel Wasser und das Kältemittel Ammoniak ist.

6. Sorptionskreisprozess mit

• einem gasförmigen Kältemittel und einem flüssigen Lösungsmittel,

• einer armen und einer reichen Lösung, wobei die arme und die reiche Lösung einphasige Mischungen des Lösungsmittels und des Kältemittels sind,

• die arme Lösung auf einem Hochdruckniveau das Kältemittel absorbiert und dabei Wärme abgibt,

• in mehreren Kühlregistern (11) jeweils in einem Normalbetrieb die reiche Lösung auf ein Niederdruckniveau entspannt wird, in einem Luftkühler (14) aus Umgebungsluft Wärme aufnimmt und dabei das Kältemittel austreibt, wobei die Luftkühler (14) jeweils in einem den Normalbetrieb unterbrechenden Abtaubetrieb durch Zufuhr von Heizwärme abgetaut werden,

dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abtaubetrieb jeweils ein Teilstrom der reichen Lösung auf dem Hochdruckniveau die Heizwärme in dem Luftkühler (14) abgibt.

7. Sorptionskreisprozess nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die reiche Lösung durch jeden der Luftkühler (14) jeweils im Normalbetrieb und im Abtaubetrieb in entgegengesetzten Richtungen strömt.

Zeichnung