[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage mit den
im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen. Weiterhin betrifft die Erfindung
eine nach diesem Verfahren betreibbare Wärmepumpenanlage mit den im Oberbegriff des
Anspruches 7 angegebenen Merkmalen.
[0002] Bei Absorptionswärmepumpenanlagen wird der Kocher (Austreiber) durch einen Gas- oder
ölbrenner oder durch einen elektrischen Heizstab beheizt und treibt den Kältemitteldampf
aus dem Lösungsmittel. Der Kältemitteldampf wird durch diesen Vorgang auf ein Hochdruck-
und Hochtemperaturniveau gebracht. Er strömt vom Kocher zum Kondensator und gibt dort
die Kondensationswärme ab und kondensiert. Das stark abgekühlte, entspannte Kältemittel
kann im Verdampfer Umgebungsenergie aufnehmen.
[0003] Das vom Verdampfer kommende Kältemittel wird im Absorber in dem vom Kocher abgezogenen,
an Kältemittel verarmten Lösungsmittel absorbiert, und die dabei entstehende Lösungs-und
Mischungswärme werden an einen Verbraucher abgeführt. Die dabei entstehende reiche
Lösung wird von einer Lösungspumpe von dem Niederdruckniveau des Absorbers (ungefähr
Verdampferdruck) auf das Hochdruckniveau des Kochers gefördert.
[0004] Wird die Beheizung des Kochers abgeschaltet, wird durch die Wärmekapazität im Kocher
so lange weiter Kältemitteldampf ausgetrieben, bis zum einen die Druckdifferenz zwischen
dem Hochdruckteil und dem Niederdruckteil ausgeglichen ist und zum anderen die Kochertemperatur
unter den Siedepunkt gefallen ist. Dabei wird die im Betrieb vorliegende Konzentrationsschichtung
im Kocher abgebaut und auf das Niveau einer armen Lösung gebracht. Bei Wiederinbetriebnahme
des Prozesses muß die durch die Beheizung zugeführte Energie zunächst die Kochertemperatur
auf Siedezustand und außerdem auf das erforderliche Hochdruckniveau anheben. Während
dieses instationären Anfahrvorgangs kann erst durch allmähliches Zuführen der reichen
Lösung eine für den stationären Betriebszustand erforderliche Konzentrationsschichtung
im Kocher aufgebaut werden. Es sind daher bei Wiederinbetriebnahme einer solchen Anlage
erhebliche Anfahrzeiten und Energieverluste in Kauf zu nehmen.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Verzögerungen und Energieverluste
bei der Wiederinbetriebnahme einer Wärmepumpenanlage zu vermeiden.
[0006] Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß man beim Ausschalten zusätzlich die den Kocher mit dem Absorber
verbindenden Strömungswege verschließt und daß man den Strömungsweg des Kältemittels
vom Kocher zum Absorber beim Uberschreiten eines Maximalwertes des Druckes im Kocher
kurz öffnet, bis der Druck im Kocher wieder unter den Maximalwert des Druckes gefallen
ist.
[0007] Mit anderen Worten sollen der Hochdruckteil der Anlage (Kocher, Kondensator) vom
Niederdruckteil der Anlage (Verdampfer, Absorber) abgetrennt werden, so daß ein Druckausgleich
zwischen Hochdruckteil und Niederdruckteil nach dem Abschalten der Anlage nicht möglich
ist.
[0008] Da der Kocher aufgrund seiner Wärmekapazität noch weiter Kältemitteldampf austreibt,
ist weiterhin vorgesehen, daß zur Vermeidung eines übermäßigen Druckanstieges im Kocher
kurzzeitig der Strömungsweg vom Kocher zum Absorber geöffnet wird, so daß sich ein
übermäßiger Druck über diesen Strömungsweg abbauen kann. Dabei wird dieser Strömungsweg
jedoch nur so kurz freigegeben, daß der
[0009] Druck im Hochdruckteil nicht auf den Druck im Niederdruckteil absinkt, sondern lediglich
auf einen Wert absinkt, der unterhalb eines kritischen Druckmaximalwertes liegt.
[0010] Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Maximalwert des Drukkes gleich oder höher liegt
als der Betriebsdruck des Kochers.
[0011] Der Strömungsweg wird auf jeden Fall wieder geschlossen, wenn ein Minimalwert erreicht
ist, der in jedem Fall oberhalb des Stillstandsdruckes liegt, der sich beim Stillstand
der Anlage einstellen würde, wenn ein Druckausgleich zwischen Kocher und Absorber
möglich wäre.
[0012] Das beschriebene Verfahren läßt sich nicht nur bei einer Anlage anwenden, die im
reinen Absorptionswärmepumpenbetrieb betrieben wird, sondern auch bei einer Anlage,
die im Kesselbetrieb betrieben wird, bei der also das Kältemittel aus dem Kocher unter
Umgehung des Kondensators und des Verdampfers unmittelbar dem Absorber zugeführt wird.
Auch in diesem Falle kann nach dem Abschalten der Druckausgleich zwischen Hochdruckteil
und Niederdruckteil vermieden werden, so daß beim Wiederanfahren von einem Zustand
des Kochers ausgegangen werden kann, der zumindest weitgehend dem Betriebszustand
entspricht. Es ist dabei unerheblich, ob die Anlage vor der Stillsetzung im Kesselbetrieb
oder im Wärmepumpenbetrieb betrieben worden ist.
[0013] Günstig ist es, wenn man beim Wärmepumpenbetrieb den Strömungsweg des Kältemittels
beim Abschalten zwischen Kocher und Kondensator und zwischen Verdampfer und Absorber
verschließt, und wenn man bei Überschreiten des Maximaldrukkes im Kocher den Strömungsweg
nur im Bereich zwischen Kocher und Kondensator kurz öffnet, während man den Strömungsweg
zwischen Verdampfer und Absorber geschlossen hält. Überschreitet der Druck im Kocher
den Maximaldruck, kann Kältemittel in den Kondensator gelangen, so daß der Druck im
Kocher reduziert werden kann. Trotzdem ist bei dieser Lösung der Niederdruckteil weiterhin
vollständig vom Hochdruckteil abgetrennt.
[0014] Es hat sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn man beim Einschalten der
Anlage zunächst nur die Strömungswege des Lösungsmittels zum Absorber und der reichen
Lösung zum Kocher öffnet, während man den Strömungsweg des Kältemittels vom Kocher
zum Absorber erst öffnet, wenn im Kocher durch dessen Beheizung zumindest annähernd
Betriebsdruck und/oder Betriebstemperaturen erreicht sind. Auf diese Weise läßt sich
der stationäre Betriebszustand besonders schnell erreichen.
[0015] Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Wärmepumpenanlage
so auszubilden, daß sie entsprechend den vorstehenden Verfahrensangaben betreibbar
ist.
[0016] Diese Aufgabe wird bei einer Wärmepumpenanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in den Strömungswegen zwischen Kocher und Absorber Verschlußorgane
angeordnet sind, die gleichzeitig mit der Abschaltung der Kocherheizung dauerhaft
verschließbar sind.
[0017] Für den Betrieb der Anlage im Kesselbetrieb kann eine unmittelbar vom Kocher zum
Absorber führende Bypassleitung vorgesehen sein, in der sich ein weiteres Verschlußorgan
befindet, das gleichzeitig mit der Abschaltung der Kocherheizung verschließbar ist.
[0018] Bei einer im Wärmebetrieb betriebenen Anlage kann vor
ge-sehen sein, daß das Verschlußorgan im Strömungsweg des Kältemittels zwischen Kocher
und Kondensator angeordnet ist und daß zwischen Verdampfer und Absorber ein zweites
Verschlußorgan angeordnet ist, welches gleichzeitig mit der Abschaltung der Kocherheizung
dauerhaft verschließbar ist.
[0019] Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann das Verschlußorgan im Strömungsweg des
Kältemittels auch stromaufwärts der Drossel und stromabwärts des Kondensators angeordnet
sein, dann ist jedoch kein zweites Verschlußorgan notwendig.
[0020] Vorzugsweise ist das Verschlußorgan im Strömungsweg des Kältemittels vom Kocher zum
Absorber ein Uberdruckventil, welches sicherstellt, daß der Druck im Kocher einen
bestimmten Maximalwert nicht überschreitet, welches aber andererseits dafür sorgt,
daß der Druck im Kocher nicht unter einen vorbestimmten Minimalwert sinkt.
[0021] Besonders günstig ist es, wenn das Verschlußorgan in der Bypassleitung im stromlosen
Zustand geöffnet ist. Dadurch wird sichergestellt, daß im Falle des Stromausfalles
oder bei Störungen anderer Art, bei denen die Anlage unerwartet abgeschaltet wird,
im Kocher kein Überdruck entstehen kann.
[0022] Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im
Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt schematisch
den Aufbau einer Wärmepum
penanla
qe, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
[0023] Ein Austreiber oder Kocher 1 wird von einer Heizung 2 beheizt, beispielsweise einem
Gas- oder ölbrenner. In dem Kocher 1 befindet sich ein Gemisch aus einem Lösungsmittel
und einem darin gelösten Kältemittel. Durch die Heizung wird im Kocher das Kältemittel
verdampft, es gelangt über eine Kältemittelleitung 3 zunächst in einen Rektifikator
4 und von dort über einen Kondensator 5, einen Nachkühler 6, eine Drosselstelle 7,
einen Verdampfer 8 unter erneutem Durchgang durch den Nachkühler 6 zu einem Absorber
9.
[0024] Das im Kocher verbleibende und an Kältemittel verarmte Lösungsmittel wird über eine
Lösungsmittelleitung 10 und eine Drosselstelle 11 ebenfalls dem Absorber 9 zugeführt.
[0025] Aus dem Absorber 9 führt eine Rückführleitung 12, in die eine Lösungspumpe 13 eingeschaltet
ist, über den Rektifikator 4 zum Kocher 1.
[0026] Der Rektifikator 4 ist mit einer Rückflußleitung 15 für kondensiertes Kältemittel
versehen.
[0027] Die bisher beschriebene Anlage ist für den reinen Wärmepumpenbetrieb geeignet. Um
diese Anlage auch im sogenannten Kesselbetrieb betreiben zu können, ist eine Bypassleitung
16 vorgesehen, die eine direkte Führung des aus dem Rektifikator 4 austretenden Kältemittels
zum Absorber 9 ermöglicht. In diese By
passleitung ist eine Drosselstelle 17 eingeschaltet. Außerdem ist für den Kesselbetrieb
in die Lösungsmittelleitung 10 parallel zur Drosselstelle 11 eine weitere Drosselstelle
18 eingeschaltet.
[0028] Wesentlich für den Betrieb dieser Anlage sind Schließventile, die in die einzelnen
Leitungen eingesetzt sind, und zwar ein Schließventil 19 in der Kältemittelleitung
3 zwischen Rektifikator 4 und Kondensator 5 und stromabwärts der Abzweigung der Bypassleitung
16, ein Schließventil 20 zwischen Nachkühler 6 und Absorber 9 stromaufwärts der Einmündung
der B
ypassleitung 16, ein Schließventil 21 in der Lösungsmittelleitung 10 zwischen der Drosselstelle
11 und dem Absorber 9 sowie ein Schließventil 22 in der Bypassleitung 16 zwischen
der Drosselstelle 17 und der Einmündung in die Kältemittelleitun
g 3 und ein Schließventil 23 in der Lösungsmittelleitung zwischen der Drosselstelle
18 und dem Absorber 9.
[0029] Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel wird statt der beiden Ventile 19 und
20 in der Leitung 3 stromaufwärts der Drossel 7 und stromabwärts des Kondensators
5 ein einziges Ventil 19a eingeschaltet. Dies ist in der Zeichnung gestrichelt wiedergegeben.
[0030] Im Betrieb der beschriebenen Anlage wird in an sich bekannter Weise durch die Heizung
2 Kältemitteldampf aus dem Lösungsmittel ausgetrieben. Dieser Kältemitteldam
pf gelangt durch den Rektifikator, in dem eine weitere Trennung vom Lösungsmittel erfolgt,
im Wärmepumpenbetrieb zum Kondensator 5, in dem eine Verflüssigung unter Wärmeabgabe
erfolgt. Die Kältemittelflüssigkeit wird entspannt und im Verdampfer 8, dem in der
in der Zeichnung angedeuteten Weise ein motorgetriebener Ventilator zugeordnet sein
kann, unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebung wieder verdampft. Das verdampfte,
jedoch unter geringem Druck stehende Kältemittel gelangt in den Absorber. In diesen
wird über die Lösungsmittelleitung 10 an Kältemittel verarmte Lösung (arme Lösung)
nach Entspannung an der Drosselstelle 11 eingeleitet. Arme Lösung und Kältemitteldampf
vereinigen sich im Absorber unter Abgabe von Misch- und Lösungswärme, die dabei entstehende
reiche Lösung wird über die motorgetriebene Lösungspumpe 13 und über den Rektifikator
wieder dem Kocher zugeleitet.
[0031] Wenn die Anla
qe nicht in dem beschriebenen Wärmepumpenbetrieb arbeiten soll, sondern im Kesselbetrieb,
wird das Kältemittel ausschließlich durch die Bypassleitung zum Absorber geführt,
wobei in der Drosselstelle 17 eine Entspannung auf niederen Druck erfolgt. Die arme
Lösung wird in diesem Falle nicht über die Drosselstelle 11, sondern über die parallel
geschaltete Drosselstelle 18 dem Absorber zugeführt, wobei die Drosselwirkung der
Drossel 18 geringer ist als die der Drosselstelle 11. Die Drosselwirkungen der Drosseln
17 in der Bypassleitung und 18 in der Kältemittelleitung sind aufeinander abgestimmt.
[0032] Die Schließventile 19 bis 23 können so gesteuert werden, daß die Anlage entweder
im Wärmepumpenbetrieb oder im Kesselbetrieb betrieben werden, bei Wärmepumpenbetrieb
sind die Schließventile 19, 20 und 21 geöffnet, die Schließventile 22 und 23 geschlossen,
bei Kesselbetrieb ist der Öffnungszustand umgekehrt.
[0033] Beim Abschalten der Anlage werden zunächst die Heizung 2 sowie die Motoren der Lösungspumpe
13 und des Verdampferventilators ausgeschaltet. Außerdem werden auch alle Schließventile
19 bis 23 geschlossen. Die Schließung dieser Schließventile und die Stillsetzung der
Lösungspumpe 13 trennt den Hochdruckteil der Anlage (Kocher, Rektifikator, Kondensator)
vom Niederdruckteil (Absorber, Verdampfer) ab, so daß nach dem Ausschalten ein Druckausgleich
zwischen Hochdruckteil und Niederdruckteil nicht mehr möglich ist.
[0034] Da nach dem Ausschalten der Heizung 2 im Kocher wegen dessen Wärmekapazität noch
über eine bestimmte Zeit Kältemitteldampf ausgetrieben wird, erhöht sich der Druck
im Kocher über den üblichen Betriebsdruck hinaus. Um hier den auftretenden Druck zu
begrenzen, werden das Schließventil 19 und eventuell auch das Schließventil 22 als
Überdruckventile ausgebildet, die beim überschreiten eines Maximaldruckes öffnen und
die beim Erreichen eines Minimaldruckes wieder schließen. Der Maximaldruck liegt vorzugsweise
oberhalb des im stationären Betrieb erreichten Betriebsdruckes, der Minimaldruck darunter.
Der Minimaldruck ist jedoch wesentlich höher als der Druck, der sich in der Anlage
einstellen würde, wenn nach dem Ausschalten Hochdruckteil und Niederdruckteil miteinander
verbunden wären. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß nach dem Abkühlen des Kochers
im Kocher immer ein Druck aufrechterhalten wird, der zwischen Minimal- und Maximaldruck
liegt, wobei diese Werte üblicherweise geringfügig unter bzw. geringfügig über dem
Betriebsdruck liegen.
[0035] Das beim öffnen der Schließventile 19 bzw. 22 austretende Kältemittel gelangt bei
öffnung des Schließventils 19 in den Kondensator, bei Öffnung des Schließventils 22
in den Absorber; in beiden Fällen verbleibt das Kältemittel dort.
[0036] Bei der Inbetriebnahme kann nunmehr von einem Zustand im Kocher ausgegangen werden,
der weitgehend dem Betriebszustand entspricht, d.h. die Druckwerte und auch die Kon-
zentrationsschichtun
g im Kocher können durch das Abtrennen des Hochdruckteils vom Niederdruckteil auch
bei Stillstand weitgehend aufrechterhalten werden. Dementsprechend kann die Inbetriebnahme
wesentlich schneller erfolgen als bei herkömmlichen Verfahren, außerdem wird dabei
Energie eingespart.
[0037] Eine weitere Beschleunigung läßt sich noch dadurch erreichen, daß bei Inbetriebnahme
zunächst nur der Kreislauf des Lösungsmittels in Betrieb genommen wird, d.h. daß zunächst
nur die Schließventile 21 und/oder 23 und die Lösungspumpe 13 in Betrieb genommen
werden, während die Schließventile 19, 20 und 22 noch geschlossen bleiben. Diese zuletzt
genannten Ventile werden erst geöffnet, wenn die Kochertemperatur erreicht wird.
[0038] Durch die Trennung des Hochdruckteils vom Niederdruckteil ist es bei Wiederinbetriebnahme
unerheblich, ob vor der Stillsetzung die Anlage im Kesselbetrieb oder im Wärmepumpenbetrieb
betrieben worden ist, der Zustand des Hochdruckteils wird in jedem Falle durch die
Abtrennung so weit bewahrt, daß nach dem Wiedereinschalten ein Kessel- oder Wärmepumpenbetrieb
ohne große Verzögerung wieder aufgenommen werden kann.
1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage als Absorptionswärmepumpe und/oder
Kesselheizung, bei dem man in einem Kocher eine Lösung eines Kältemittels in einem
Lösungsmittel erwärmt, das dabei verdampfende Kältemittel bei Wärmepumpenbetrieb über
einen Kondensator, eine Drosselstelle und einen Verdampfer bzw. bei Kesselbetrieb
unmittelbar einem Absorber zuführt, in dem man das Kältemittel mit dem aus dem Kocher
abgezogenen, an Kältemittel verarmten Lösungsmittel vereinigt und die dabei entstehende
reiche Lösung wieder dem Kocher zuführt, und bei dem man zum Ausschalten der Anlage
die Heizung des Kochers abschaltet,
dadurch gekennzeichnet , daß man beim Ausschalten zusätzlich die den Kocher mit dem
Absorber verbindenden Strömungswege verschließt und daß man den Strömungsweg des Kältemittels
vom Kocher zum Absorber beim Uberschreiten eines Maximalwertes des Druckes im Kocher
kurz öffnet, bis der Druck im Kocher wieder unter den Maximalwert des Druckes gefallen
ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert des Druckes
gleich oder höher liegt als der Betriebsdruck des Kochers.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strömungsweg
des Kältemittels vom Kocher zum Absorber nur so lange öffnet, bis der Druck im Kocher
einen unterhalb des Maximaldruckes liegenden Minimaldruck erreicht hat.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimaldruck oberhalb
des Stillstandsdruckes liegt, der sich beim Stillstand der Anlage einstellen würde,
wenn ein Druckausgleich zwischen Kocher und Absorber möglich wäre.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
man den Strömungsweg des Kältemittels beim Wärmepumpenbetrieb beim Abschalten zwischen
Kocher und Kondensator und zwischen Verdampfer und Absorber verschließt, und daß man
bei Uberschreiten des Maximaldruckes im Kocher den Strömungsweg nur im Bereich zwischen
Kocher und Kondensator kurz öffnet, während man den Strömungsweg zwischen Verdampfer
und Absorber geschlossen hält.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
man beim Einschalten der Anlage zunächst nur die Strömungswege des Lösungsmittels
zum Absorber und der reichen Lösung zum Kocher öffnet und daß man den Strömungsweg
des Kältemittels vom Kocher zum Absorber erst öffnet, wenn im Kocher durch dessen
Beheizung zumindest annähernd Betriebstemperatur und/oder Betriebsdruck erreicht ist.
7. Nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 6 betreibbare Wärmepumpenanlage mit einem
beheizten Kocher, einem Strömungsweg des Kältemittels vom Kocher über einen Kondensator,
eine Drossel und einen Verdampfer zu einem Absorber, einem Strömungsweg des an Kältemittel
verarmten Lösungsmittels zum Absorber und einem Rückströmungsweg vom Absorber zum
Kocher,
dadurch gekennzeichnet , daß in den Strömungswegen (Kältemittelleitung 3, Lösungsmit- telleitung 10, Rückführleitung 12) zwischen Kocher (1) und Absorber (9) Verschlußorgane
(Schließventile 19, 19a, 20,21, Pumpe 13) angeordnet sind, die gleichzeitig mit der
Abschaltung der Kocherheizung (2) dauerhaft verschließbar sind.
8. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den Betrieb
der Anlage im Kesselbetrieb eine unmittelbar vom Kocher (1) zum Absorber (9) führende
Bypassleitung (16) vorgesehen ist, in der sich ein weiteres Verschlußorgan (22) befindet,
das gleichzeitig mit der Abschaltung der Kocherheizung (2) verschließbar ist.
9. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verschlußorgan (19a) im Strömungsweg des Kältemittels (Kältemittelleitung 3) stromaufwärts
der Drossel (7) und stromabwärts des Kondensators (5) angeordnet ist.
10. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verschlußorgan (19) im Strömungsweg des Kältemittels (Kältemittelleitung 3) zwischen
Kocher (1) und Kondensator (5) angeordnet ist und daß zwischen Verdampfer (8) und
Absorber (9) ein zweites Verschlußorgan (20) angeordnet ist, welches gleichzeitig
mit der Abschaltung der Kocherheizung (2) dauerhaft verschließbar ist.
11. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verschlußorgan (19, 19a, 22) im Strömungsweg des Kältemittels vom Kocher (1)
zum Absorber (9) ein Überdruckventil ist.
12. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verschlußorgan (22) in der Bypassleitung (16) im stromlosen Zustand geöffnet ist.