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Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb einer Wärmepumpe Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur gleichzeitigen Erzeugung von Kälte und Wärme bei einer
kontinuierli.iah wirkenden Absorptionskältemaschi:ne, wobei die bei der Kältemaschine
abzuführende Wärme an Wasser übertragen und gegebenenfalls gespeichert und nach
Ladung des Speichers automatisch an den Verbraucher abgegeben oder an die Umgebungsluft
abgeführt wird. Ein Teil des Speichers wird bei Stillstand oder Betriebspausen der
Kältemaschine durch ein mittels Fremdenergie beheiztes Bauelement auf einer gewünschten
Temperatur gehalten. Durch dieses Heizelement kann die Wassertemperatur aber auch
laufend heraufgesetzt werden, so daß die durch die Wärmepumpe abgegebene Speicherwärme
um einen bestimmten festgelegten Betrag aufgestockt wird. Das Verfahren wird durch
eine Anordnung von Bauelementen ergänzt, die die Speicherung und automatische Abführung
des erwärmten Wassers, nach Temperaturzonen verteilt, gestattet. Hierbei wird von
der Tatsache Gebrauch gemacht, daß beim Arbeitsprozeß einer Absorptionskältemaschine
die im Verflüssiger, Rücklaufkühler bzw. Dephlegmator und im Absorber abzuführende
Wärme in verschiedenen Temperaturbereichen anfällt. Diese verschiedenen Temperaturbereiche
werden erfindungsgemäß zur stufenweisen Erwärmung des Wasser ausgenutzt, wobei durch
zweckentsprechende Gestaltung des Arbeitsprozesses der Absorptionskältemaschine
diese Temperaturen nach Bedürfnis eingestellt werden können. Diese verschiedenen
Temperaturbereiche stellen sich bereits bei der normalen einstufigen Absorptionskältemaschine
ein, bei der in der 'Niederdruckseite Verdampfer und Absorber und in der Hochdruckstufe
Austreiber, Rücklaufkühler und Verflüssiger vorhanden sind, so daß für höhere Temperaturbereiche
keine zusätzliche Druckstufe benötigt wird.
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Bei der hier vorausgesetzten kontinuierlich wirkenden Absorptionskältemaschine
fallen die Wärmemengen verschiedener Temperaturbereiche stetig und gleichzeitig
an und können somit dauernd zur Wärmeerzeugung ausgewertet werden.
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Bei den nach bekanntgewordenen Vorschlägen vorzugsweise am Verbundbetrieb
mit Kompressionskältemaschinen durchgeführten Versuchen ergab sich ein schlechter
Wirkungsgrad, da der Warmwasserspeicher nur dann Abwärme aufnimmt, wenn seine warmwasserseitige
Inanspruchnahme in die Betriebsperiode der Kältemaschine fällt. Im übrigen wird
jedoch während der Betriebspausen der Kältemaschine der Warmwasserspeicher mit Fremdenergiie
beheizt, so daß die Anlage ihrer eigentlichen Aufgabe, Abwärme der Kältemaschine
zu speichern, nur unvollkommen gerecht werden kann. Um mit der Abwärme von Kompressionskältemaschinen
eine möglichst hohe Wassererwärmung zu erreichen, ist bereits vorgeschlagen worden,
den Verflüssiger in zwei getrennte, als Wasservorratsbehälter ausgebildete Abteilungen
zu unterteilen, die vom Kühlwasser und vom Kältemittel im Gegenstrom zueinander
durchströmt werden, und in einem weiteren Behälter die Temperatur des erwärmten
Kühlwassers im Bedarfsfall durch zusätzliche Fremdbeheizung weiter zu erhöhen, wobei
das erwärmte Wasser den einzelnen Behältern getrennt entnommen werden kann.
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Die bei einer solchen Anlage abzuführende Wärme fällt aber nur in
einem einzigen, durch den Kondensationsdruck gegebenen Temperaturbereich an, der
sich nach Erwärmung des vom Kältemittel zuerst durchströmten Behälters in den zweiten
Behälter verlagert. Eine derartige Anlage erfordert außerdem, um auch bei geringer
Wasserentnahme eine ausreichende Kühlung des Verflüssigers zu gewährleisten, sehr
große Wasservorratsbehälter, die dann aber bei starker Wasserentnahme ungenügend
aufgeheizt werden und deshalb in hohem Maße auf die Fremdbeheizung angewiesen sind.
Umgekehrt ist bei kleinen Wasserbehältern und geringer Wasserentnahme die erzielbare
Kühlwirkung nicht ausreichend.
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Es ist auch eine Wärmepumpenanlage zur Heißwassererzeugung bekannt,
bei der durch Abwärme verdampftes Kältemittel in einem mit einer Hochdruck- und
einer Niederdruckstufe versehenen Kompressor verdichtet und zunächst das verdichtete
Kältemittel der Hochdruckstufe für sich stufenweise in übereinander im Heißwasserspeicher
angeordneten Wärmeaustauschern herabgekühlt und sodann zusammen mit dem Kältemittel
der Niederdruckstufe in einem weiteren Wärmeaustauscher verflüssigt wird. Eine derartige
Anlage sichert zwar eine ausreichende Warmwassererzeugung, wenn genügend Abwärme
zur Verfügung steht; sie erfordert jedoch eine zusätzliche
Hochdruckstufe
und hat einen dementsprechend höheren Leistungsbedarf. Eine zusätzliche Erwärmung
durch Fremdbeheizung für die Zeiten ungenügenden Abwärmeanfalls oder eine entsprechend
der Temperaturschichtung des Warmwassers nach Temperaturzonen unterteilte Abführung
des Kühlwassers sowie eine gleichzeitige Erzeugung von Kälte und Wärme ist bei dieser
Anlage nicht vorgesehen.
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Es ist auch bereits eine Anordnung zur Erzeugung von Kälte und Warmwasser
mit Hilfe einer periodisch wirkenden Absorptionskältemaschine bekannt, bei der das
durch dile Kältemaschine fließende Kühlwasser in einem für den Tagesbedarf an Warmwasser
berechneten offenen Behälter gespeichert wird und die Speichertemperatur durch eine
elektrische Zusatzbeheizung erhöht oder bei Stillstand der Kältemaschine gehalten
werden kann. Bei einer anderen Anordnung wird das Kühlwasser nach Durchlaufen einer
Überlaufvorrichtung in einem zusätzlich elektrisch beheizten Behälter gespeichert.
Nach diesen Vorschlägen wird die Abwärme der Kältemaschinen jedoch auch nur in einem
einzigen, nämlich dein obersten Temperaturbereich gespeichert und an die Verbraucher
abgeführt. Für viele Verbrauchszwecke genügt aber Warmwasser einer niedrigeren Temperaturstufe;
es ist daher unwirtschaftlich, Wasser der obersten Temperaturstufe zu entnehmen
und für den Gebrauch wieder abzukühlen.
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Um den im Arbeitsprozeß einer Absorptionskältemaschine begründeten
Vorteil der in verschiedenen Temperaturstufen abzuführenden Wärme auszunutzen, wird
daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, beim Betrieb einer kontinuierlich wirkenden
Absorptionskältemaschine, die gleichzeitig als Wärmetransformationsanlage zur Warmwasserbereitung
benutzt wird, die in verschiedenen Temperaturbereichen abzuführende Wärme des Verflüssigers,
Absorbers und Rücklaufkühlers bzw. Dephlegmators. in getrennten, nach diesen Temperaturbereichen
in: einem Wärmespeicher angeordneten Wärmeaustauschflächen derart abzuführen, daß
das Kühlwasser zuerst mit den wärmeabgebenden Flächen in Berührung gebracht wird
und nach Aufladung eines darüber angeordneten Wärmespeichers automatisch, vorzugsweise
nach Temperaturzonen verteilt, in Abhängigkeit von der Temperaturschichtung des
Warmwassers den entsprechenden Wärmeverbrauchern zugeführt wird, wobei die Speicherwärme
ebenfalls in einer Temperaturschichtung durch eine fremde Wärmequelle auf eine höhere
Temperatur gebracht werden kann.
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Zu diesem Zweck ist der Boiler in vertikale Zonen geteilt, die durch
die Anordnung der verschiedenen mit dem Verflüssiger, Absorber und Rücklaufkühler
(bzw. Dephlegmator) in Verbindung stehenden Heizflächen entstehen. Da Wasser ein
schlechter Wärmeleiter ist, ermöglicht diese Anordnung eine Temperaturschichtung
innerhalb des Speichergefäßes. Je nach Dimensionierung können somit beliebige Mengen
verschieden temperierten Wassers übereinandergeschichtet gehalten werden, so daß
dieses Betriebsverfahren im wesentlichen folgende Vorteile hat: Jede beliebige Ablauftemperatur
des Warmwassers kann durch Zusatzbeheizung hergestellt werden, ohne daß der Wirkungsgrad
des Wärmespeichervermögens der Kälteanlage beeinflußt wird.
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Bei Betriebspausen der Kältemaschine tritt die Zusatzheizung so lange
nicht in Tätigkeit, solange das durch die durchschnittliche Abwärmeleistung der
Kältemaschine bedingte Speichervermögen dem `'Farmwasserverbrauch entspricht. Dabei
ist es von Vorteil, durch thermostatische Ventile unabhängig von der Inanspruchnahme
von Warmwasser die Temperatur in den einzelnen Zonen auf bestimmten festgelegten
Werten konstant zu halten, wodurch die Einrichtung auch vollständig unabhängig von
Elektrizität wird.
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Schließlich kann z. B. bei Wassermangel die automatische Umschaltung
auf luftgekühlte Systeme erfolgen. Bei Beheizung durch Brennstoff kann das Heizelement
auch aus einem Rauchrohr gebildet werden, um die Wärme der abziehenden Heizgase
zu nutzen.
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Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zeichnung
schematisch beispielsweise dargestellt.
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1 stellt den Boiler oder Warmwasserspeicher dar, der in Temperaturzonen
A bis E durch eingebaute Heizflächen 2 bis 5 aufgeteilt ist. 2 ist eine Zusatzheizung,
3 bis 5 sind von der Kühlmaschine abwärmebeheizte Flächen, die, wie dargestellt,
die verschiedenen Kreisläufe einer Absorptionskältemaschine bilden. 2a, 3a, 4a,
5 a sind Temperaturfühler zu den Thermostaten 2 b, 6, 7 und B. 6 a, 6 b, 7
a, 8 a und 8 b sindMagnetventile zurUmsteuerung der Zuführungsleitungen. 9 bis 11
sind Ventile, die von den Temperaturfühlern 3 b bis 5 b beeinflußt werden. Mit 12
ist die Absorptitonskältemaschine bezeichnet, die mit der Heizung 14 ausgestattet
ist. 15 stellt den Kühlschrank dar mit eingebautem Verdampfer 17 und Temperaturfühler
16 zur Regelung der Kühlmaschine über den Kraftschalter 18; 19 ist ein Lüfter, der
die luftgekühlten Wärmeaustauschflächen 22 bis 24 versorgt. Bei 20 erfolgt der Zufluß,
bei 21 der Abfluß des Kühlwassers.
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Die Ergänzung der Schaltung um die notwendigen Sicherheitsorgane braucht
nicht besonders beschrieben zu werden. Es ist möglich, die magnetisch wirkenden
Ventile 6 a und 6 b beispiielsweise durch ein Mehrwegeventil zu ersetzen.
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Die Einrichtung arbeitet wie folgt: Nach einer längeren Betriebspause
erfolgt die Aufheizung des Speichers 1 mittels der Heizflächen 3, 4, 5, so daß schließlich
die Zone A und B entsprechend der eingestellten Solltemperatur aufgeheizt ist. Wird
kein Warmwasser bei 21 entnommen, so öffnet unter dem Einfluß der weiter ansteigenden
Temperatur in Zone B und A schließlich das Regelventil 9 bzw. 10 und 11 je nach
Temperaturverteilung in den Zonen C, D und E. Bei Warmwasserentnahme bei 21 rückt
der zwischen Zone B und C durch den bestehenden Temperaturunterschied gebildete
Flüssigkeitsspiegel nach Zone B vor, bis schließlich die Ventile 9 bis 11 unter
dem Einfluß der absinkenden Temperatur schließen. Hierdurch wird alle Abwärme wieder
dem Speicher zugeführt. Dieses Spiel setzt sich so lange fort, solange die durch
die Kältemaschine erzeugte Abwärmie größer ist als die durch die Warmwasserentnahme
abgeführte Wärmemenge. Ist die mit dem .entnommenen Warmwasser abgeführte Wärmemenge
gleich der erzeugten Abwärme in den Heizflächen 3, 4, 5, so stellt sich ein Gleichgewichtszustand
ein, wobei die Regelventile 9, 10 und 11 geschlossen sind. Die in Zone A und B herrschende
Temperatur entspricht dem gewünschten Wert, so daß das bei 21 entnommene Warmwasser
die richtige Temperatur besitzt. Wird die Anlage in verstärktem Umfange mit Warmwasserentnahme
belastet, so sinkt schließlich die Durchschnittstemperatur in den Zonen C, D und
E weiter, so daß auch die Temperatur in Zone B fällt. Wird weiterhin in gleichem
Umfange Warmwasser entnommen, so bepinnt
schließlich auch im unteren
Teil der Zone A die Temperatur abzusinken. Hierdurch spricht der Thermostat 2 b
durch die Abkühlung des Fühlers 2 a an und bewirkt über die Heizeinrichtung 2, daß
dem Wasser zusätzlich Wärme zugeführt wird.
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Die Einstellung der Regeleinrichtung 2 a/2 b kann auch so vorgenommen
werden, daß die Temperatur in Zone A laufend auf einem höheren Wert gehalten wird.
Die sich dabei entwickelnden Vorgänge sind analog.
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Wenn bei einer solchen Anlage zeitweise Wasserinangel besteht, so
kann sie vorteilhaft mit parallel wirkenden luftgekühlten Flächen ausgerüstet werden.
Der Betrieb dieser luftgekühlten Flächen wird gleichfalls automatisch geschaltet.
Die Thermostate 3a/6, 4a/7 sowie 5a/8 bewirken bei entsprechender Temperaturbewegung
im Boiler die Umschaltung der elektromagnetischen Ventile 6 a/6
b, 7 a.;7 b und 8 a/8 b,
so daß nunmehr die Wärmeabgabe in den
luftgekühlten Wärmeaustauschflächen 22, 23 und 24 erfolgen kann. Erst mit der Wiederherstellung
normaler Betriebsverhältnisse im Boiler 1 erfolgt dann die automatische Umschaltung
auf die Heizflächen 3, 4 und 5. Die Einrichtung kann auch so vorgesehen werden,
daß die Zurückschaltung auf den Boiler von Hand vorgenommen wird oder aber daß grundsätzlich
neben der Automatik auch eine Schaltung von Hand erfolgen kann.
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Die Regelung der Kältemaschine erfolgt in an sich bekannter Weise
über den Thermostat 16/18. Insbesondere bei Anlagen mit Kältespeicherung kann selbstverständlich
der Betrieb der Kältemaschine in Abhängigkeit von der Temperatur der Zone B beispielsweise
gestaltet werden, so daß der Warmwasserverbrauch für die Kälteerzeugung bestimmend
ist. Hierdurch läßt sich der Verbundbetrieb weiterhin günstig gestalten.
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Bei der dargestellten Vorrichtung können, ohne aus dem Rahmen der
Erfindung zu fallen, die luftgekühlten Flächen 22, 23, 24 ganz oder teilweise in
Wegfall kommen, ebenso ganz oder teilweise die zonenweise angeordneten thermostatischen
Kühlwasserventile 9, 10, 11. Ebenso kann auch der Arbeitsprozeß der Absorptionsmaschine
so eingestellt werden, daß die im Verflüssiger, Rücklaufkühler bzw. Dephlegmator
und im Absorber abzuführende Wärme in einer anderen Abstufung anfällt, so daß sich
eine andere Reihenfolge der zugeordneten Wärmeaustauschflächen ergibt.