DE3031033A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben einer monovalent alternativen adsorptionsheizanlage - Google Patents

Description

ο -j o IuJj

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(S 416) S 80/51

Fa/fz 14.08.1980

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer monovalent alternativen Absorptionsheizanlage, die oberhalb einer, vorgegebenen Umgebungstemperatur im Wärmepumpe «atrieb und bei tieferen Temperaturen im Direktheizbetrieb arbeitet, mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein Kältemittel aus einem kältemittelreichen Lösungsmittel ausge— trieban, 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 Aufnaime von Absorptionswärme erwärmt wird.

Ein Verfahren dieser Art dient beispielsweise zur Raum- und/ oder 3rauchwasserheizung in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Der Begriff "monovalent alternativ" besagt, daß die Absorptionshei z? llage mit nur einer Primärenergieart bis zu einer vorwähll iren I Li>!:;Uti Außen \ u ί t I «."inperutur cilu Wärmepumpe arbeitet, ind unterhalb dieser Temperatur durch direkte Wärmeübertragung vom selben Primärenergieträger auf das Heizmittel betrieben wird.

Form. 5729 7.78

BAD ORIGINAL

- ^s - :." CC 1 O 3

Eine nach einem solchen Verfahren arbeitende Absorptionsheizanlage ist in der Deutschen Offenlegungsschrift 27 58 773 beschrieben. Dort sine, 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 d_e Wärme an das Heizmittel übertragen wird. Im anderen Fall wi.-d das aufgeheizte Lösungsmitlei nacheinander im Kältemittc verflüssiger und im Absorber in Wärmetausch mit dem Hcizmit el gebracht. 10

In beiden Fällen ist es jedoch als nachteilig anzu ehen, daß mehrere Anlagenteile, wie z.B. der Absorber, der Verflüssiger und die Lösungsmittelpumpe, gegenüber dem Wärmepumplietrieb deutlich wärmer werden, was zu erheblichen Wärmeverlus-.en führt.

^Da überdies der Wämetausch zwischen kältemittelarr.cm und kältemittelreichem Lösungsmittel unterbrochen wird, führt die Expansion des kältemittelarmen Lösungsmittels vom höheren Druck des Austreibers auf den niedrigeren Druck den Absorbers zu einer starken Abkühlung des Lösungsmittels und iiaxit zu einer Verkleinerung der TemperaLurdif f crotr/. zwischen Lösungsmittel und Heizmittel im Absorber.

Es hat sich außerdem als nachteilig erwiesen, daß -:as käl'emittelarme Lösungsmittel bei Direktheizbetrieb in äen Kondensator gelangt. Beim Zurückschalten auf Wärmepumpbe-zrieb gelangt Lösungsmittel in den Verdampfer was zu sehr großen Kälteleistungsverlusten führt. Ferner treten beim Umschalten von Wärmepump- auf Direktheizbetrieb erhebliche Wärmeverluste auf, da der aus dem Lösungsmittel ausgetriebene Kältemi -teldampf bei der Kondensation im Verdampfer seine Kondensat Lonswärme an die Umgebung (Wärmequelle) abgibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, Jas sich durch geringe Wärmeverlustc und bessere Heizleistung aua-

^Form·⁵⁷²⁹⁷·⁷⁸ BAD ORaGiNAL

zeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei Direkthi-izbetrieb das Heizmittel unter Umgehung von Kältemittelverflüssiger und Absorber über einen von dem Kältemittelverflüss.ger separaten Wärmetauscher geleitet und dort durch Direktzufuhf von Verbrennungswärme im Wärmegenerator oder durch Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel angewärmt wird.

"^ Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Erwärmung des Heizmittels beim Direktheizbetrieb in einem ausschließlich für diesen Zweck vorgesehenen Wärmetauscher durchgeführt. Der separate Wärmetauscher wird entweder von kältemittelarmem Lösungsmittel durchströmt oder er ist im Wärmegenerator angeordnet und

¹^ es wird ihm direkt die im Brenner des Wärmegeneratörs erzeugte Verbrennungswärme zugeführt.

Durch den Erfindungsgegenstnad wird der Vorteil erreicht, daß die Wärmeübertragung auf das Heizmittel unter optimalen Bedingunge.-i durchgeführt wird. Insbesondere läßt sich auf diese Weise auch eine Erwärmung des Absorbers und des KältemittelverfIMssigers Vermeiden. Die Wärmeverluste der Anlage werden somit reduziert.

Bei c ner vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes w rd nach seinem Wärmetausch mit dem Heizmittel das kältemitte arme Lösungsmittel in einem Temperaturwechsler in Wärmetausch mit kältemittelreichem Lösungsmittel gebracht. Mit dieser V jrfahrensweise läßt sich die obenerwähnte zu starke Abkühlung des kältemittelarmen Lösungsmittels verhindern.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn in Weiterbildung des Erfindu'igsgegenstandes das Heizmittel zusätzlich durch Wärmetauscn mit aus einem Rektifikator abströmendem Dampf in einem Rücklaufkondensator und/odor mit aus dem Wärmegenerator abForm 5729 7.78

BAD ORIGINAL

- 7 - ::. j ι: 3 3

ziehendem Rauchgas angewärmt wird.

Durch den Wärmotausch mit dem Rauchgas wird dio in· Rauchgas enthaltene Restwärme gcnulxL. Dieser Wü ι met. auschvo gang ist nicht zu verwechseln' mit der erfindungsgomäßen Direktübertragung von Verbrennungswärme auf das Heizmittel.

Es ist von Vorteil, wenn gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Direktheizbetrieb Einrichtungen zur Zuführung von Wärme aus der Umgebung zum Kiltemittel·- verdampfer und Absorber abgeschaltet .werden. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise Ventilatoren zur Zuführung von Umgebungsluft und Ventile zur Unterbindung der Kältemit-

telzufuhr vom Verdampfer zum Absorber. 15

Als zweckmäßig hat sich eine weitere Ausgestaltung dos F.rfindungsgegenstandes erwiesen, gemäß der die bei der -imschal tung von Wärmepumpe- auf Direktheizbetrieb und umgekehrt erforderlichen Schalt- und Regelungsvorgänge von einer zentralen Re- ^ geleinheit gesteuert werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des er findungsgi :::ä ßon Verfahrens umfaßt einen Kältemittelkreislauf, der eir-.-n Austreiber, einen Verflüssiger, einen Verdampfer und einen Absorber

^⁵ enthält, sowie einen.mit dem Verflüssiger und dem Absorber in wärmetauschender Verbindung stehenden Heizmittelkreislauf,und ist gekennzeichnet durch einen separaten Wärmetauscher in der Heizmittelvorlaufleitung, der einen weiteren Ströir.ungsquerschnitt für kältemittelarmcs Lösungsmittel aufweist, oder im Wärmegenerator angeordnet ist.

Im ersten Fall befindet sich der separate Wärmetauscher außerhalb des Wäriuegeno ra tor:-;, im zweit en Fall bcti.ndi.-i er sich in der Nähe des Wärmeerzeugers im Wärmegenerator. Bej der zweiten Ausführungsform ist der Wärmeerzeuger beim Wärmepump- und

Form 57,29 7.78

BAD ORIGINAL

Di rek hcizbetrieb aLtornat. i ν clem Austreiber bzw. dorn separateii W iremaustauscher zugrordnoL. Zwischen dem Wänuogmeialor und dem Austreiber bzw. dem Wäremtauscher sind drehbare Klappen angeordnet, die je nach Stellung bewirken, daß Wärme nur an den Austreiber oder nur an den Wärmetauscher übertragen wird.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsemäßen Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Rektifikator zur Rektifi- ^ kai ion dos aus dem Lösunsmittel ausgetriebenen Kältemittel/ Lösunjsmittel-Dampfgemisches, mit einem an die Heizmittelvorlaufleitung angeschlossenen Rücklaufkondensator.

Es is ζ weiterhin von Vorteil, wenn nach dem Rücklaufkondenator in Rauchgasstrom des Wärmegenerators ein Rauchgaskühler in der Heizmittelvorlaufleitung angeordnet ist.

Rückl lufkondensator und Rauchgaskühler dienen zur zusätzlichen Erwärmung des Heizmittels.
20

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine den Verflüssiger und den Absorber umgehende absperrbare BypaßLeitung für das Kältemittel vorgesehen.

Die Erfindung und weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhanl von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:
30

Figur 1 eine schematische Darstellung einer Absorptionsheizanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren;; ,

Ki'jm '/ '-iinMi W.'i r Hu-q<-in-t . 11 of für eine imI' i in Iiiriqr.qcinäßo Ab — '^ sorpLiomiheizu-ii 1 <i<j«.-.

Form. 5729 7.78

BAD

Die in Figur 1 dargestellte Absorptionshoizanlagc weist einen Wärmegenerator 1 au: , der mit einem Wärmoerzeuger 2, beispielsweise einem atmosph.' rischcn Gasbrenner 2, aur.gosta¹ tot ist. Die Absorptionsheizaiilaije enLhält einen Lösungsmit. flkicu;-lauf, der in Strömungsrichtung des Löungsmittels η icheinander eine Lösungsmittelpumpe 3, einen Temperaturwec.isler 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 Verdampf ;r 1 1 .zum Absorber 8 führt, und dort in den Lösungsmittclkre islaui" übergeht.

Als Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch wird beispielsweise ein Gemisch von Ammoniak und Kasser verwendet. Dieses Gemisch wird aus dem Sumpf des Absorbers 8 entnommen, im Timperatur-

* wechsler 4 in Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel gebracht und dann dem Rektifikator 5 zugeführt. Dort erfolgt im Austausch mit einer kä] teinittelreichen Gasfraktion eine Konzentrierung dieses Gasgemisches an Kältemittel, während sich ein kä 11 vm i t I ο 1 η..· i Hi' ··'. I .t "> ■: t in« j i; m i I t c 1 im Sumpf. Ίογ. RHit ii ikator.s 0 ansammelt. D,i:; kä I I cm i I. Le 1 ι < ■ i Hie Lösung:.:u i I t d wird dem Austreiber G züge· Γuhrt. , dort dui ch Zufuhr von Verbrennungswärme erhitzt und auf hohen Druck gebracht, und im nachfolgenden Abscheider 7 in eine kältemittel reiche Can fraktion und einskältemittelarmes 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 kältemittelreichcm Lösungsmittel gebracht und anschließend über einer die Durchflußmenqe in Abhängigkeit vom Fl ü:;.ⁱ;igkc i 1 :-;yl.incl im Sunnf des

Form 5729 7 78

⁶ID ORIQ;, „Au.

Rektiiikdtors 'j iegelnden K ι ntiehtung , z.b. einem SchwJiumi. i_-cj — ler, 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 Mthrwege-Magnetventil 19 über Heizschlangen 14 und 15 im Verflässiger 10 und im Absorber 8 geführt, wo es jeweils Wärme aufnimmt. In einem im Kopf des Rektifikators 5 angeordneten R.icklaufkühlor 9 und einem im Rauchgasabzug des Wärmegenerators 1 ango< irdneten Rauehgaskühl or 16 wird das Heizmittel wi'iLor erwü ι ml. .über ο i iuti it 1 Lndungsgemäßen Würemtauscher 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 bei 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. Dor separate Wärmetauscher 18 ist entsprechend den aurtretenden Wäriru'Lau^rlibcd inqungon dimensioniert und ermöglieiit daher eine Optimierung der Heizleistung der Anlage. Nach Darchströmen. des separaten Wärmetauschers 18 wird das kälte:ni ttel iirme Lösungsmittel wie beim Wärmetauschbetrieb 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 Anlagenteile mit allen damit verbundenen Nachteilen bei Direktheizbetrieb .vermieden '.

Außerdem wird bei der Betriebsumschaltung die Dampfrücklei-

Funn S.V-i / ,'Ii

BAD ORIGINAL

- 11 - - i - ο ο

tung vom Luftkühler 11 zum Absorber abgesperrt und der Ventilator 17 abgeschaltet.

Sämtliche Schaltvorqünge wurden entsprechend einer vorproqrammierten Funktionsfolge für üirektheiz- ouer Wärmopv.mpbeLriob 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.

Figur 2 zeigt einen Wärmegenerator 1 für das erfindungsgemäße Verfahren, wobei der separate Wärmetauscher 28 im Wärmegenerator 1 angeordnet ist.

Der Wärmegenerator 1 enthält einen Wärmeerzeuger, im gezeigten Beispiel einen atmosphärischen Gasbrenner 2. Oberhalb des Brenners 2 ist einerseits der Austreiber 6 und andererseits

²^ der erfindungsgemäße Wärmetauscher 28 angeordnet. Der Wärmetauscher 28 besteht im gezeigten Beispiel aus mehr ;ren Heizschlangen, die über den inneren Umfang des Wärmegenoraters 1 um den Austreiber herum angeordnet sind. Austreiber 6 uniWärmetauscher 28 sind durch einen Mantel 29 voneinander getrennt.

²^Am unteren Rand des Mantels 29 sind Klappen 30 ang ,-ordnet ,die je nach Betriebszustand der Heizanlage zwischen Br inner 2 und Austreiber 6 (bei DirektheizbeLrieb) oder Wärmetauscher 28 (Wärmepumpbetrieb, gestrichelte Darstellung) gestellt sind. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß bei Direktheizbetrieb die im Wärmegenerator freigesetzte Wärme direkt an den Wärmetauscher 28 übertragen. Oberhalb des Austreiburs G und des Wärmetauscher 28 befindet sich im aus dem Wärmegenorator 1 abziehenden Rauchgasstrom (Pfeil 33) der Rauchgaskühler 16.

Das vom in der Figur nicht gezeigten RücklauFkühler 9 kommen-

Form. 5729 7.78

BAD ORIGINAL

- -12 -

"1 de Heizmittel 31 gelangt über ein Mehrwege-Magnetventil 32, das ebenfalls von der zentralen Regeleinheit 23 (Figur 1) gesteuert ist, entweder direkt in den Rauchgaskühler 16 (bei Wüi iiu'j-uinjHMiljc'l r i<-'b) odor wird -/.unüchst in den Wärmetauscher 28 geleitet und nach seiner Anwärmung zwischen dem'Magnetventil 32 und dem Rauchgaskühler 16 in die Heizmittelvorlauf leitung eingeleitet (Direktheizbetrieb)..

Bei dieser Anordnung entfällt selbstverständlich der Wärme- ^⁰ tauscher 18 und das'Mehrwege-Magnetventil 20 gemäß Figur

Form. 5729 7.78

BAD ORIGINAL

Leerseite

Claims (10)

1. (S 416) S 80/51

   Fi- /f ζ

   V. .08.1980

   Patentansprüche

   Verfahren zum Betreiben einer monovalcnt 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 /on kältemittelarmem Lösungsmitel absorbiert wird, sowie mit einem Heizmittelkreislauf, in dem ein Heizmittel durci Wärmetausch mit kondensierendem Kältemittel und durcn Aufnahme von Absorptionswärme erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Direktheizbetrieb das Heizmittel unter Umgehung von Kältemittelverflüssiger (10) und Absorber (B) über einen von dem Kältemittelverflüssiger (10) separaten Wärmetauscher (18, 20) geleitet und dort durch Direktzufuhr von Verbrennungswärme im Wärmegenerator (1) oder durch Wärmetausch mit kältemittelarmem Lösungsmittel angewärmt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichret, daß

   nach seinem Wiirmo tausch mil dem He i /.mi t.t ι·1 das '.ältemi ttelarme hü.sun'j^üü I Lu J πι Wa ι im- Lau:, ι Ίι πι ι I kalluitiJM ■ I ι < · ί > ·|ΐ.·ηι Lei-Form 5729 7 73 BAD ORIGINAL

   - 1 ~ · Q Π O 1 O O Q

   j ο I υ ο ο

   ο U

   ' sungsraittel in einem Temperaturwechsler (4) gebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizmittel zusätzlich durch Wärmetausch mit aus eineu Rektifikator (5) abströmendem Dampf in einem Rücklaufkondensator (9) und/oder mit aus dem Wärmegenerator (1) abziehendem Rauchgas angewärmt wird.
4. 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. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Umschaltung von Wärmepump- auf Direktheizbetrieb und umgekehrt erforderlichen Schalt- und Reuelungsvorqänge von einer zentralen Regeleinheit (23) gesteuert werden.

   ^
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem einen Austreiber, einen Verflüssiger, einen Verdampfer und einen Absorber enthaltenden Kältemittelkreislauf, sowie einem mit dem Verflüssiger und dem Absorber in wärmetauschender Verbindung stehenden Heizmit-

   ^ telkreislauf, gekennzeichnet durch einen separaten Wärme-' ta ischer (18 bzw. 28) in der Heizmittelvorlaufleitung, der eiien weiteren Strömungsquerschnitt für kältemittelarmes Lösungsmittel aufweist, oder im Wärmegenerator (1) angeord-

   ne:; ist.
   30
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Wärmetauscher (28) im Wärmegenerator (1) angeordnet ist, gekennzeichnet durch Klappen (3 0) _t die bei Direktheizbetrieb zwischen dem Wärmeerzeuger (2) des Wärmegenerators (1) und dem Austreiber (6), und bei Wärmepumpbetrieb zwischen dem Wärmeerzeuger (2) und

   Form. 5729 7.76

   C ^ Zi I U j j

   "* dem Wärmetauscher (28) angeordnet sind.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch einen Rektifikator (5) zur Rektifikation des aus dem Lösungsmittel ausgetriebenen Kältemittel/Lösungsir.ittel-Dampfgemisches, mit einem an die Heizmittelvorlaufleitung angeschlossenen Rücklaufkondensator (9).
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge-

   O kennzeichnet, daß nach dem Rücklaufkondensator (9) im Rauchgasstrom des Wärmoqoncra tor:; (1) ein Rauchgaskühler (16) in der Hoiziiiittelvorlauf loi tuncj angeordnet iyt.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeich- ^ net durch eine den Verflüssiger (10) und den Absorber (8) umgehende absperrbare Bypassleitung (24) für das Heizmittel. '

    BAD ORIGINAL

    Form. 5729 7.78