DE102005032266A1

DE102005032266A1 - Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe und Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102005032266A1
Application number: DE102005032266A
Authority: DE
Inventors: Stefan Petersen
Original assignee: Technische Universitaet Berlin
Current assignee: SK SONNENKLIMA GMBH, 12435 BERLIN, DE
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-02-15
Also published as: EP1904796A1; WO2007006289A1; US20090217680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe (1), wobei in einem Rohrleitungssystem ein Zuflußabschnitt (9), ein hierzu abgewinkelter Abflußabschnitt (6) und ein Ansaugabschnitt (5) gebildet sind, welcher mit dem Zuflußabschnitt (9) und dem Abflußabschnitt (6) in Verbindung steht, wobei bei dem Verfahren ein Lösungsmittel (8) unter Bildung von Kontraktionswirbeln aus dem Zuflußabschnitt (9) in den Abflußabschnitt (6) geführt wird, das abzuführende Gas infolge der Kontraktionswirbel vom Lösungsmittel (8) aufgenommen und nach dem Abfließen durch den Abflußabschnitt (6) aus dem Rohrleitungssystem abgeführt wird, sowie eine Wärmepumpe (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe und eine Wärmepumpe.

Eine Wärmepumpe dient dem Austausch von Wärme zwischen einem Nutzbereich und einem Puffermedium. Beispiele für Wärmepumpen umfassen Raumklimaanlagen und Absorptionskältemaschinen, bei denen Wärme vom Nutzbereich, beispielsweise einem Wohnraum oder einem Kühlschrank, auf ein Puffermedium übertragen wird.

Derartige Wärmepumpen umfassen in der Regel ein Kältemittel, welches in einem Kreislaufprozeß unterschiedliche Aggregatzustände und Temperaturbereiche durchläuft und aufgrund einer abwechselnden Nähe zu einem Nutzbereichsmedium und einem Puffermedium mit diesen Medien Energie in Form von Wärme austauscht, beispielsweise unter Verwendung von Wärmetauschern. Neben dem Wärmepumpmedium umfaßt eine Absorptionswärmepumpe in der Regel auch ein Absorptionsmittel, in welchem das Wärmepumpmedium in einem als Absorber bezeichneten Abschnitt der Wärmepumpe gelöst werden kann. Anschließend wird Wärme zwischen dem Nutzbereichsmedium und dem Nutzbereich ausgetauscht.

Aus unterschiedlichen Gründen, beispielsweise wegen Korrosionen oder Leckagen, können in der Wärmepumpe unerwünschte Gase, sogenannte Fremdgase, auftauchen. Diese Gase wirken sich im allgemeinen negativ auf die thermodynamischen Eigenschaften des Wärmepumpprozesses aus und führen letztendlich zu einer Verminderung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe. Darüber hinaus können die Gase aufgrund chemischer Reaktionen mit dem Wärmepumpmedium und/oder mit anderen Teilen der Wärmepumpe und/oder aufgrund eines Druckaufbaus zu einer Schädigung der Wärmepumpe führen. Es ist daher von großer Bedeutung, diese Gase, möglichst kontinuierlich und vollständig, aus der Wärmepumpe abzuführen.

Für das Abführen von Gasen aus Wärmepumpen wurden bereits unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen. In bekannten Vorrichtungen wird hierzu eine externe Vakuumpumpe verwen det, welche in festgesetzten Intervallen in Betrieb genommen wird, um die Gase aus den verschiedenen Abschnitten der Wärmepumpe abzusaugen. Diese Pumpen sind jedoch sehr kostenintensiv und zudem feuchtigkeitsempfindlich.

Es kann ein Hilfsabsorber verwendet werden, welcher nach dem gleichen Prinzip wie der Absorber, jedoch auf einem relativ niedrigeren Temperaturniveau, arbeitet, und somit einen Saugdruck erzeugt. Dieser so geschaffene relative Unterdruck wird verwendet, um ein Gas anzusaugen und so aus der Wärmepumpe abzuführen. Die Rückströmung des Gases in die Wärmepumpe wird mittels einer stehenden Flüssigkeitssäule in einem Verbindungsrohr verhindert. Der Hilfsabsorber arbeitet parallel zum Absorber der Wärmepumpe. Die Saugwirkung liegt jedoch in diesem Fall unterhalb dessen, was durch eine externe Vakuumpumpe erreichbar ist. Des weiteren erfordert das Betreiben des Hilfsabsorbers eine gewisse Energie, was zu einer Verringerung des Wirkungsgrades und einer Erhöhung der Irreversibilitäten der Wärmepumpe führt.

Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, bei denen Strahlpumpen zum Absaugen eines Gases aus einer Wärmepumpe verwendet werden. Strahlpumpen nutzen einen Treibstrahl aus einer Flüssigkeit und erzeugen nach dem Bernoulli-Prinzip mittels einer Strömungsveränderung in einem Saugraum einen lokalen Unterdruck. Eine Strömungsveränderung wird im allgemeinen mittels Durchströmen einer Rohrverengung erreicht. Der mit Strahlpumpen erreichbare minimale Saugdruck ist der Dampfdruck der Treibstrahlflüssigkeit. Zusätzlich kann eine mechanische Vakuumpumpe vorgesehen sein, die zur Absaugung eingesetzt wird. Reine Strahlpumpensysteme zum Absaugen des Gases konnten bisher noch nicht realisiert werden. Da der Treibstrahl für das Erzeugen des lokalen Unterdrucks in der Strahlpumpe einen angemessenen Druck, in diesem Fall einige hundert Millibar (mbar) aufweisen muß, ist hier der Einsatz einer Pumpe erforderlich, um den Treibstrahl mit der benötigten Pumpleistung durch die Strahlpumpe zu pumpen. Derartige zusätzliche Pumpen steigern jedoch den Energiebedarf und den Preis der Vorrichtung.

Die Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe und eine Wärmepumpe zur Verfügung zu stellen, mit denen auf effiziente und kostengünstige Weise ein Gas aus einer Wärmepumpe abgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem unabhängigen Anspruch 1 und eine Wärmepumpe nach dem unabhängigen Anspruch 10 gelöst.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe vorgesehen, wobei in einem Rohrleitungssystem ein Zuflußabschnitt, ein hierzu abgewinkelter Abflußabschnitt und ein Ansaugabschnitt gebildet sind, welcher mit dem Zuflußabschnitt und dem Abflußabschnitt in Verbindung steht, wobei bei dem Verfahren ein Lösungsmittel unter Bildung von Kontraktionswirbeln aus dem Zuflußabschnitt in den Abflußabschnitt geführt wird, das abzuführende Gas infolge der Kontraktionswirbel vom Lösungsmittel aufgenommen und nach dem Abfließen durch den Abflußabschnitt aus dem Rohrleitungssystem abgeführt wird.

Gegenüber bekannten Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe hat die Erfindung den Vorteil, daß keine Vorrichtungsteile bewegt und somit Verschleißerscheinungen vermieden werden. Die Kontraktionswirbel führen dazu, daß das Gas im Lösungsmittel aufgenommen wird. Beispielsweise kann sich das Gas im Lösungsmittel auflösen oder es kann im Lösungsmittel Bläschen bilden. Durch das Abführen des Gases bildet sich ein Unterdruck im Ansaugabschnitt aus, wodurch weiteres Gas aus dem Rohrleitungssystem in den Ansaugabschnitt gesaugt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Lösungsmittel im Abflußabschnitt, welches dort als Gas-/Lösungsmittelmischstrom vorliegt, mittels Schwerkraft getrieben bewegt wird. Dies hat den Vorteil, daß keine zusätzliche Pumpleistung für das Absaugen des Lösungsmittels aufgewendet werden muß. Es fällt somit kein, mit dem Verwenden einer zusätzlichen Pumpe verbundener, zusätzlicher Kosten- und Materialaufwand an. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Lösungsmittel in den Zuflußabschnitt mittels Schwerkraft bewegt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Lösungsmittel aus dem Abflußabschnitt abgepumpt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird eine Fließgeschwindigkeit im Zuflußabschnitt geregelt und hierdurch eine Abführrate für das Abführen des Gases aus der Wärmepumpe gesteuert. Dies hat den Vorteil, daß die Abführrate den Betriebsbedingungen der Wärmepumpe angepaßt werden kann. Beispielsweise könnte das Abführen des Gases nur bei Vorhandensein einer Leckage vorgenommen werden. Das Abführen kann zum Beispiel auch in Intervallen erfolgen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als Lösungsmittel Wasser verwendet. Dies führt zur Verwendung eines für die Umwelt unschädlichen Lösungsmittels, dessen Entsorgung auf einfache Weise umweltgerecht vorgenommen werden kann.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Lösungsmittel zusammen mit dem abzuführenden Gas aus dem Rohrleitungssystem abgeführt. Dies hat den Vorteil, daß das Gas ohne Umwege aus der Wärmepumpe abgeführt werden kann. Es werden somit keine zusätzlichen Verfahrensschritte benötigt, um beispielsweise das im Lösungsmittel aufgenommene Gas aus dem Lösungsmittel herauszunehmen.

Vorteilhafterweise wird als Lösungsmittel bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe verwendet. Hierzu kann beispielsweise ein Teil des im Rohrleitungssystem der Wärmepumpe fließenden Arbeitsfluids mittels eines Abzweigelementes abgezweigt und dem Zuflußabschnitt zugeführt werden. Es entfällt die Notwendigkeit, der Wärmepumpe zusätzliche Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen. Somit entfallen zahlreiche Anforderungen bezüglich Speicherung und Entsorgung dieser zusätzlichen Flüssigkeiten.

Das vom Lösungsmittel aufgenommene Gas wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels eines Abscheiders aus dem Lösungsmittel entfernt. Das hat den Vorteil, daß das Lösungsmittel anschließend im wesentlichen in reiner Form vorliegt und wiederbenutzt werden kann.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das aus dem Lösungsmittel entfernte Gas in einem Sammelbehälter gesammelt. Hiermit ist die Möglichkeit gegeben, das Gas zu einem späteren Zeitpunkt umweltgerecht zu entsorgen.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen weisen die in Verbindung mit den zugehörigen Verfahrensansprüchen aufgeführten Vorteile entsprechend auf.

Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine als Absorptionskältemaschine ausgeführte Wärmepumpe;
2 einen Dampfdruck-Diagramm für Wasser-Lithiumbromid-Lösungen;
3 eine Absaugeinrichtung mit einem Ansaugabschnitt, einem Zuflußabschnitt und einem Abflußabschnitt;
4 einen Abschnitt einer Wärmepumpe mit einem Absorber, einer Absaugeinrichtung und einem Abscheider;
5 einen Abschnitt einer weiteren Wärmepumpe mit einem Absorber, einer Absaugeinrichtung und einem Abscheider;
6 einen Abschnitt einer anderen Wärmepumpe mit einem Kondensator und einer Absaugeinrichtung; und
7 einen Diagramm, welches die Wirkung eines Verfahrens zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe darstellt.
1 zeigt eine Ausführung einer Wärmepumpe 1, die als Absorptionskältemaschine bezeichnet wird. Die Wärmepumpe 1 umfaßt folgende Komponenten: Einen Verdampfer 10, einen Absorber 11, einen Austreiber 12, der häufig auch als Generator oder Desorber bezeichnet wird, und einen Kondensator 13. In 1 sind darüber hinaus weitere Komponenten wie Pumpen 14, 15, ein Lösungswärmetauscher 18 und Drosselmittel 16, 17, beispielsweise U-Rohre, dargestellt. In dem Verdampfer 10 wird ein Wärmepumpmedium 2, beispielsweise Wasser, bei niedrigem Druck verdampft. Der Druck im Verdampfer 10 entspricht in diesem Fall dem Dampfdruck des Wärmepumpmediums 2 bei einer Temperatur von etwa 5°C bis 15°C. Hierbei entzieht das Wärmepumpmedium 2 einem Nutzbereichsmedium 20, beispielsweise Wasser, Energie in Form von Wärme. Dies erfolgt beispielsweise dadurch, daß der Verdampfer 10 einen Wärmetauscher umfaßt und daß Wasser eines Klimakaltwasser-Kreislaufs eines Gebäudes durch den Wärmetauscher fließt und dort abgekühlt wird.
Das verdampfte Wärmepumpmedium 2 wird daraufhin in den Absorber 11 geleitet, was in 1 mit einem Pfeil A verdeutlicht ist. In dem Absorber 11 wird das verdampfte Wärmepumpmedium 2 von einem Absorptionsmittel, zum Beispiel einer konzentrierten Lithiumbromid-Lösung (LiBr-Lösung), bei einem Absorptionsprozeß absorbiert. Der Absorber 11 umfaßt einen Wärmetauscher, der von einem Puffermedium 21 durchflossen wird, welcher sich auf einem mittleren Temperaturniveau befindet. Hiernach liegt das Wärmepumpmedium 2 im Absorptionsmittel aufgelöst in einer reichen Lösung 22 vor. Im Absorber 11 herrscht ein Druckniveau, welches einem Druckniveau im Verdampfer 10 im wesentlichen gleicht. Die reiche Lösung 22 wird mit Hilfe einer Pumpe 15 auf ein höheres Druckniveau in einen Austreiber 12 gepumpt. Der Austreiber 12 umfaßt einen weiteren Wärmetauscher, der beispielsweise von heißem Wasser oder Wasserdampf durchflossen ist. In dem Austreiber 12 wird das Wärmepumpmedium 2 aus der reichen Lösung 22 verdampft und nimmt dabei Energie auf. Im Austreiber 12 bleibt eine arme Lösung 23 zurück. Die arme Lösung 23 weist eine niedrigere Konzentration an gelöstem Wärmepumpmedium 2 auf, als die reiche Lösung 22. Die arme Lösung 23, welche somit eine höhere Konzentration an Lithiumbromid aufweist, steht dann wieder für den Absorptionsprozeß zur Verfügung.
Das verdampfte Wärmepumpmedium 2 wird in einen Kondensator 13 geleitet, was in 1 mit einem Pfeil B verdeutlicht ist. Im Kondensator 13 wird das verdampfte Wärmepumpmedium 2 verflüssigt und anschließend mit Hilfe des Drosselmittels 16 auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht und in den Verdampfer 10 geleitet. Mit dem Drosselmittel 16, 17 werden Gasdurchschläge in der Wärmepumpe 1 verhindert, indem fließende Fluide von einem hohen auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht werden. Der Kondensator 13 umfaßt einen Wärmetauscher, der vom Puffermedium 21 auf einem mittleren Temperaturniveau, beispielsweise bei Umgebungstemperatur durchflossen wird. Das Druckniveau im Kondensator 13 und im Austreiber 12 wird vom Gleichgewichtsdruck des Wärmepumpmediums 2 bei der Kondensation vorgegeben. Dort herrschen in der Regel Temperaturen zwischen etwa 25°C und etwa 40°C.
Absorptionskälteanlagen können mit unterschiedlichen Stoffpaaren betrieben werden. In Abhängigkeit von den thermodynamischen Eigenschaften dieser Stoffpaare werden die Absorptionskälteanlagen im Überdruck, beispielsweise beim Stoffpaar Ammoniak-Wasser, oder im Unterdruck betrieben, beispielsweise beim Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid. Im Forschungsbereich der Kühlung und Gebäudeklimatisierung spielen Wärmepumpen 1, bei denen als Wärmepumpmedium 2 Wasser und als Absorptionsmittel Lithiumbromid eingesetzt werden eine herausragende Rolle.
2 zeigt ein Dampfdruck-Diagramm für das Stoffpaar Wasser-Lithiumbromid. Im Dampfdruck-Diagramm sind Kurven 31 gezeigt, welche jeweils den Druck in Abhängigkeit von der Temperatur für ein bestimmtes Mischverhältnis einer Wasser-Lithiumbromid-Lösung darstellen. Aus dem Dampfdruck-Diagramm ist beispielsweise zu entnehmen, daß Wasser, das heißt, eine Wasser-Lithiumbromid-Lösung mit einem Mischungsverhältnis von 1,0, im Verdampfer 11 bei einer Temperatur von etwa 10°C und einem Druck von 12mbar verdampften kann. Die Kondensation im Kondensator 13 kann dann beispielsweise bei 36°C, und somit bei einem Druck von 59mbar, stattfinden. 12mbar und 59mbar sind dann die absoluten Druckniveaus im Betrieb einer solchen Wärmepumpe 1. In dem Dampfdruck-Diagramm 30 ist ein Prozeß einer Wärmepumpe 1 nach 1 schematisch mittels einer so genannten Anlagenkennlinie 32 dargestellt. Hiebei sind thermodynamische Zustände, in denen sich die Wasser-Lithiumbromid-Lösung im Verdampfer 10, im Absorber 11, im Austreiber 12 oder im Kondensator 13 befindet, mittels Buchstaben V, A, G, K in der Anlagenkennlinie 32 gekennzeichnet. Verbindungslinien zwischen den Zuständen stellen in der Wärmepumpe 1 auftretende Zustandsänderungen dar.
Der Druck im Verdampfer 10 hat einen Wert, bei dem das Wärmepumpmedium 2 bereits bei einer Temperatur von zum Beispiel –15°C verdampft. Das verdampfte Wärmepumpmedium 2 wird im Absorber 11 im Absorptionsmittel gelöst, wobei eine hierbei entstehende Wärme mit dem Puffermedium 21 abgeführt wird. Die aufgrund des Lösens des Wärmepumpmediums 2 im Absorptionsmittel entstehende reiche Lösung 22 wird mittels einer Pumpe 15 auf ein höheres Druckniveau gefördert wird. Mittels Zuführen von Antriebswärme mit einer Temperatur von zum Beispiel 110°C wird das verdampfte Wärmepumpmedium 2 im Austreiber 12 wieder aus der reichen Lösung 22 ausgetrieben, so daß im Austreiber 12 das Absorptionsmittel nun als arme Lösung 23 vorliegt. Das ausgetriebene verdampfte Wärmepumpmedium 2 wird zum Kondensator 13 geleitete und dort mit Hilfe des Puffermediums 21 auf eine Temperatur von etwa 30–40°C gebracht, was zu einer Verflüssigung des Wärmepumpmediums 2 führt. Nach der Drosselung des Wärmepumpmediums 2 steht dieses dann erneut bereit, um im Verdampfer 10 verdampft zu werden. Die im Austreiber 12 entstandene arme Lösung 23 wird anschließend über den Lösungswärmetauscher 18 geleitet und schließlich dem Absorber 11 zugeführt.
Im Lösungswärmetauscher 18 wird die aus dem Absorber 11 kommende reiche Lösung 22 mittels der vom Austreiber 12 kommenden, eine höhere Temperatur aufweisenden, armen Lösung 23 vorgewärmt.
Bei einer Absorptionskälteanlage wird wie bei einer Kompressionskälteanlage die Tatsache ausgenutzt, daß das Wärmepumpmedium 2 druckabhängige Siede- und Schmelzpunkte besitzt. Im Falle einer Kompressionskälteanlage wird zur Druckerhöhung eines Kältemittel dampfes auf das Druckniveau eines Kondensators ein elektrisch betriebener Verdichter eingesetzt. Im Unterschied dazu wird bei einer Sorptionskälteanlage hierfür ein zweiter Absorptionsmittelkreislauf genutzt, wobei der Kältemitteldampf verflüssigt wird. Da der Kältemitteldampf dann in Lösung vorliegt, und somit ein kleineres spezifisches Volumen aufweist, kann er unter bedeutend geringerem elektrischen Energieaufwand auf einen höheren Druck gebracht werden.
Die von der Wärmepumpe 1 umfaßten Komponenten Verdampfer 10, Absorber 11, Austreiber 12 und Kondensator 13 umfassen jeweils Wärmetauscher, welche Wärme zwischen externen, das heißt außerhalb einer jeweiligen Komponente fließenden, und internen, das heißt innerhalb einer jeweiligen Komponente fließenden, Medien transportieren. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird, bei gewünschten Kondensations- und Absorptionsprozessen, wie sie im Kondensator 13 und Absorber 11 stattfinden, durch Anwesenheit unerwünschter Gase, auch Fremdgase genannt, herabgesetzt. Leistungseinbußen von 50% sind schon bei einem Fremdgasanteil von 3–5 Vol.% zu erwarten. Ist außerdem Sauerstoff Bestandteil der Fremdgase, so kann dieser in Verbindung mit der Lösung des Wärmepumpmediums 2 im Absorptionsmittel, beispielsweise in Verbindung mit der Wasser-Lithiumbromid-Lösung, zu Korrosionen in der Wärmepumpe 1 führen, was zur Schädigung des thermodynamischen Prozesses, aber auch der Anlagenlebensdauer führen kann.
3 zeigt eine Absaugeinrichtung 3 mit einem Ansaugabschnitt 5, einem Abflußabschnitt 6 und einem Zuflußabschnitt 9. Pfeile 8, 8', 8'' in 3 geben Fließrichtungen an. Der Ansaugabschnitt 5 dient dazu, ein aus der Wärmepumpe abzuführendes Gas in die Absaugeinrichtung 3 zu führen. Durch den Zuflußabschnitt 9 wird ein Lösungsmittel 8 in einen Bereich 7 der Absaugeinrichtung 3 geführt. In dem Bereich 7 bilden sich Kontraktionswirbel, welche dazu führen, daß das sich im Bereich 7 befindende Gas im Lösungsmittel 8 aufgenommen wird. Hierbei kann das Gas Bläschen im Lösungsmittel 8 bilden. Das Gas könnte sich auch, zumindest teilweise, im Lösungsmittel 8 lösen. Die Kontraktionswirbel bilden sich beispielsweise dadurch, daß das Lösungsmittel 8 frei in den Ablaufabschnitt 6 fällt. Die Wirbelbildung unterstützende Maßnahmen können das Vorsehen von Prallblechen oder seitlichen Einströmungen sein.
Gemäß 3 ist der Zuflußabschnitt 9 im rechten Winkel zum Abflußabschnitt 6 angeordnet. Hierdurch wird die Bildung von Kontraktionswirbel begünstigt. Der Zuflußabschnitt 9 kann jedoch auch mit dem Abflußabschnitt 6 einen anderen Winkel bilden. Beispielsweise kann die Absaugeinrichtung 3 Y-förmig gebildet sein. Außerdem kann der Ansaugabschnitt 5 einen in die Absaugeinrichtung 3 hineinragenden Rohrabschnitt (nicht dargestellt) umfassen. In der 3 weisen der Ansaugabschnitt 5, der Zuflußabschnitt 9 und der Abflußabschnitt 6 gleiche und gleichförmige Querschnitte auf. Die Querschnitte können jedoch für die einzelnen Abschnitte unterschiedlich sein. Außerdem kann vorgesehen sein, daß sich der Querschnitt entlang eines Abschnittes ändert. Insbesondere kann eine Querschnittsverengung im Bereich 7 vorgesehen sein, um die Bildung von Kontraktionswirbeln zu begünstigen.
Nach dem Durchlaufen des Bereich 7 fließt das Lösungsmittel 8 durch den Abflußabschnitt 6 ab, wobei es das im Bereich 7 aufgenommene Gas mitnimmt. In dem so geleerten Bereich 7 entsteht deshalb gegenüber dem Absaugabschnitt 5 ein Unterdruck, welcher für eine Saugwirkung vom Absaugabschnitt 5 zum Bereich 7 verantwortlich ist. Aufgrund dieser Saugwirkung strömt weiteres Gas vom Absaugabschnitt 5 in den Bereich 7.
In dem Aubflußabschnitt 6 bildet sich aufgrund des aus dem Zuflußabschnitt 9 dorthin fließenden Lösungsmittels 8 eine Flüssigkeitssäule aus dem Lösungsmittel 8 aus, welche durch einen Flüssigkeitsstand im Abflußabschnitt 6 nach oben begrenzt wird. Der Abflußabschnitt 6 wirkt als Fallrohr. In diesem Fall hängt die Stärke der Saugwirkung am Ansaugabschnitt 5 von der Länge der sich unterhalb des Flüssigkeitsstandes im Abflußabschnitt 6 erstreckenden Flüssigkeitssäule ab. Die Länge der Flüssigkeitssäule läßt sich mittels Auswahl der Länge des Abflußabschnitt 6 und der Einbauhöhe der Absaugeinrichtung 3 bestimmen.
Die Saugwirkung im Ansaugabschnitt 5 beruht auf einem Saugdruck, welcher mindestens so groß ist, wie der Dampfdruck des Lösungsmittels 8. Der Dampfdruck des Lösungsmittels 8 ist jedoch in jedem Fall geringer als der im Absorber 11 oder im Kondensator 12 herrschende Druck. Grund hierfür ist die Unterkühlung, die bei der Kondensation und der Absorption des Wärmepumpmediums 2 auftritt. Das Verfahren kann ohne Anlegen eines Vordrucks nur mittels des Drucks, welcher sich aufgrund einer Höhendifferenz zwischen einem Zuflußpunkt des Lösungsmittels 8 und dem Flüssigkeitsstand im Abflußabschnitt 6 ausbildet, durchgeführt werden.
In 4 ist ein Abschnitt der Wärmepumpe 1 in einer Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform wird das sich im Absorber 11 befindende Gas abgeführt. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, weil das absolute Druckniveau im Absorber 11 niedriger ist als im Kondensator 12 und sich somit das Gas bevorzugt im Absorber 11 sammelt. Der dargestellte Abschnitt umfaßt den Absorber 11, die Absaugeinrichtung 3, die Pumpe 15, einen Abscheider 40, einen Sammelbehälter 41 sowie ein Verbindungsrohr 42 zum Lösungswärmetauscher 18. Das Lösungsmittel 8, in diesem Fall die arme Lösung 23 aus dem Absorber 11, wird, anstatt gemäß 1 mittels der Pumpe 15 zum Lösungswärmetauscher 18 geleitet zu werden, zum Zuflußanschluß 9 der Absaugeinrichtung 3 befördert. Der Ansaugabschnitt 5 der Absaugeinrichtung 3 ist mit dem Absorber 11 verbunden, um ein sich im Absorber 11 befindendes Gas abzuführen. Das Lösungsmittel 8 nimmt das Gas auf und wird über den Abflußabschnitt 6 zu einem Abscheider 40 geleitet. Im Abscheider 40 wird das Gas aus dem Lösungsmittel 8 entnommen und das so gereinigte Lösungsmittel 8 wird als Absorptionsmittel über den Lösungswärmetauscher 18 dem Generator 12 zugeführt. Das abgeführte Gas wird in einem Sammelbehälter 41 gesammelt, sofern es nicht der Umwelt zugeführt werden darf, beispielsweise weil es giftig oder explosiv ist.
In dieser Ausführungsform stellt sich im Abflußabschnitt 6 ein Gegendruck ein, welcher durch die folgende Formel beschrieben wird: p_G=Δp_Rohrverlust + Δp_LWÜ + Δp_hydrostat + p_Austreiber. Hierbei ist p_G der im Absorber 11 herrschende Druck, p_Austreiber der im Austreiber 12 herrschende Druck, Δp_Rohrverlust ein Druckabfall aufgrund von Rohrverlusten, Δp_LWÜ ein Druck, der benötigt wird, um das Absorptionsmittel durch den Lösungswärmeübertrager 18 zu treiben und Δp_hydrostat ein aufgrund einer hydrostatische Einlaufhöhe, welche der Höhe zwischen der Absaugeinrichtung 3 und dem Einlauf in den Generator 12 entspricht, sich einstellender Druck aufgrund der Flüssigkeitssäule.
Der am Ansaugabschnitt 5 anliegende Druck entspricht dem im Absorber 11. Somit muß die Absaugeinrichtung 3 genügend hoch eingebaut werden, so daß die Flüssigkeitssäule im Abflußabschnitt 6 einen ausreichend hohen hydrostatischen Druck erzeugen kann, um das Absorptionsmittel durch den Lösungswärmeübertrager 18, durch Rohrverbindungen, gegen die hydrostatische Einlaufhöhe im Austreiber 12 und gegen dem im Austreiber 11 herrschenden Druck zu fördern. Dies ist je nach Bauart der Wärmepumpe 1 ohne Schwierigkeiten machbar.
Als Alternative kann, wie in 5 veranschaulicht, in einer weiteren Ausführungsform lediglich ein Teilstrom aus der zum Austreiber 12 fließenden armen Lösung 22 abgezweigt und als Lösungsmittel 8 dem Zuflußabschnitt 9 zugeführt werden. Das Lösungsmittel 8 wird hierzu nach dem Abführen des Gases, im Abscheider 40 von dem Gas befreit und über ein weiteres Verbindungsrohr 43 zurück zum Absorber geleitet. Dies hat den Vorteil, daß der Gegendruck gering gehalten wird. Der Gegendruck unterhalb des Zwischenabschnitts 7 ergibt sich aus der folgenden Formel: p_G=Δp_Rohrverlust + Δp_hydrostat + p_Austreiber. Dieser Gegendruck ist wesentlich geringer als der bei der Ausführungsform nach 4. Gegebenenfalls kann neben einer Verbindung des Ansaugabschnitts 5 mit dem Absorber 11 auch eine Verbindung mit dem Kondensator 12 vorgesehen sein, damit Gase aus beiden Komponenten gleichzeitig mittels eines Ansaugabschnitts 3 abgeführt werden können.
Sollen die Gase aus dem Kondensator 12 abgeführt werden, so wird die Ausführungsform nach 6 gewählt. Hierbei wird die reiche Lösung 23 aus dem Kondensator 12 als Lösungsmittel 8 zum Abführen des Gases mittels der Absaugeinrichtung 3 verwendet. Ähnlich wie in den Ausführungsformen der 4 und 5 sind auch hier ein Abscheider 40 und ein Sammelbehälter 41 vorgesehen.
Es ist auch möglich, zur Effizienzsteigerung mehrere Absaugeinrichtungen 3 an unterschiedlichen Abschnitten der Wärmepumpe 1 vorzusehen. Diese Absaugeinrichtungen 3 können dann mit Lösungsmittel 8 aus einer einzigen Quelle oder aus mehreren unterschiedlichen Quellen betrieben werden.
7 veranschaulicht grafisch die Wirkung, die das Abführen des Gases auf die von der Wärmepumpe 1 erzielte Leistung hat. In diesem Fall wurde die vom Absorber 11 zum Lösungswärmetauscher 18 fließende reiche Lösung 22 als Lösungsmittel 8 verwendet. Die aus dem Absorber 11 austretende reiche Lösung 22 befindet sich bei dem im Absorber 11 herrschenden Druck im thermodynamischen Gleichgewicht oder ist leicht unterkühlt. Eine hermetische Pumpe dient als Pumpe 15 zur Förderung der reichen Lösung 22 in den Austreiber 12. Im vorliegenden Fall kann die Leistung einer frisch evakuierten Wärmepumpe 1 erreicht werden.
In 7 sind vier Wärmetauscherleistungen einer Absorptionskälteanlage gezeigt, sowie der Wirkungsgrad, hier als COP bezeichnet. Für zwei Volumenströme des Lösungsmittels durch die Absaugeinrichtung 3 wird gezeigt, wie nach dem bewußten Zuführen von Fremdgasen in die Absorptionskälteanlage, jeweils um 14:40 Uhr und um 16:54 Uhr, die Anlagenleistung und der Wirkungsgrad sich verringern, und nach erfolgreicher Evakuierung mittels der Absaugeinrichtung 3 wieder auf ihr optimales Leistungsniveau zurückkommen.
Die dem Diagramm 70 zugrunde liegende Ausführungsform der Wärmepumpe 1 weist eine freie Fallhöhe von 20cm auf. Das heißt, das Lösungsmittel 8 kann im Abflußabschnitt 6 eine Strecke von 20cm freifallend, also nur mittels der Schwerkraft geführt, zurücklegen. Eine Fallhöhe von mindestens 5cm hat sich als vorteilhaft erwiesen. Ferner weist das Lösungsmittel 8 im Zuflußabschnitt 9 ein Volumenstrom zwischen 260 und 330 Liter pro Stunde (l/h) auf. Ein derartiger Volumenstrom entspricht Volumenströmen, für welche übliche Wärmepumpen 1 ausgelegt sind. Die Absaugeinrichtung 3 weist einen Rohrdurchmesser von 16 mm auf. Bei Voruntersuchungen wurde herausgefunden, daß bei Strömungsgeschwindigkeiten von 20 bis 40cm/s, bei Verwendung von Wasser als Lösungsmittel 8, ein effektives Abführen von Gasen erzielt werden kann. Dies ist auch bei Verwendung einer Wasser-Lithiumbromid-Lösung der Fall.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims

Verfahren zum Abführen eines Gases aus einer Wärmepumpe (1), wobei in einem Rohrleitungssystem ein Zuflußabschnitt (9), ein hierzu abgewinkelter Abflußabschnitt (6) und ein Ansaugabschnitt (5) gebildet sind, welcher mit dem Zuflußabschnitt (9) und dem Abflußabschnitt (6) in Verbindung steht, wobei bei dem Verfahren ein Lösungsmittel (8) unter Bildung von Kontraktionswirbeln aus dem Zuflußabschnitt (9) in den Abflußabschnitt (6) geführt wird, das abzuführende Gas infolge der Kontraktionswirbel vom Lösungsmittel (8) aufgenommen und nach dem Abfließen durch den Abflußabschnitt (6) aus dem Rohrleitungssystem abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel (8) im Abflußabschnitt (6) mittels Schwerkraft getrieben bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel (8) aus dem Abflußabschnitt (6) abgepumpt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fließgeschwindigkeit im Zuflußabschnitt (9) geregelt und hierdurch eine Abführrate für das Abführen des Gases aus der Wärmepumpe (1) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel (8) Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösungsmittel (8) zusammen mit dem abzuführenden Gas aus dem Rohrleitungssystem abgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel (8) ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Lösungsmittel (8) aufgenommene Gas mittels eines Abscheiders (40) aus dem Lösungsmittel (8) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Lösungsmittel entfernte Gas in einem Sammelbehälter (41) gesammelt wird.
Wärmepumpe (1) mit einem Rohrleitungssystem, bei der eine Absaugeinrichtung (3) zum Abführen eines Gases gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugeinrichtung (3) einen Zuflußabschnitt (9), einen hierzu abgewinkelten Abflußabschnitt (6) und einen Ansaugabschnitt (5) aufweist, welcher mit dem Zuflußabschnitt (9) und dem Abflußabschnitt (6) in Verbindung steht, so daß ein Lösungsmittel (8) unter Bildung von Kontraktionswirbeln aus dem Zuflußabschnitt (9) in den Abflußabschnitt (6) überführbar ist, mit denen das abzuführende Gas vom Lösungsmittel (8) aufgenommen und durch den Abflußabschnitt (6) abgeführt werden kann.
Wärmepumpe (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuflußabschnitt (9) im wesentlichen rechtwinklig zum Abflußabschnitt (6) angeordnet ist.
Wärmepumpe (1) nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine mit dem Abflußabschnitt verbundene Pumpe zum Abpumpen des Lösungsmittels (8).
Wärmepumpe (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch ein mit dem Zuflußabschnitt (9) verbundenes Verbindungsstück, wodurch als Lösungsmittel (8) ein Arbeitsfluid der Wärmepumpe (1) nutzbar ist.
Wärmepumpe (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen Abscheider (40) zum Abscheiden des Gases aus dem Lösungsmittel (8).
Wärmepumpe (1) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch ein Verbindungsrohr (42, 43) zum Zurückführen eines als Lösungsmittel (8) verwendeten Arbeitsfluids der Wärmepumpe (1).
Wärmepumpe (1) nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen Sammelbehälter (41) zum Sammeln des aus dem Lösungsmittel (8) abgeschiedenen Gases.