DE3216489A1

DE3216489A1 - Sorptionswaermepumpe

Info

Publication number: DE3216489A1
Application number: DE19823216489
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr. 5630 Remscheid Kantner
Original assignee: Joh Vaillant GmbH and Co
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1982-04-29
Publication date: 1983-11-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln des Sollwertes eines Temperatur- oder Druckreglers einer Absorptionswärmepumpe. Wesentlich für einen solchen Regler ist die Klimazone des Ortes, an dem die Wärmepumpe zur Aufstellung gelangt sowie die maximale Außentemperatur, bis zu der noch eine Heizung stattfinden soll. Die minimale Temperatur am Aufstellort der Wärmepumpe sowie die maximale Außentemperatur bis zu der geheizt werden soll, stellen Endpunkte von Kurven dar, so daß man dazwischenliegenden Temperaturen bestimmte Vorlauftemperaturwerte zuordnen kann. Diesen Vorlauftemperaturwerten werden Werte für den Lösungsmittel- und Brennstoffdurchsatz zugeordnet und zwar nach der Beziehung ↓R ↓V = V ↓R ↓V ↓m ↓i ↓n A (N - N ↓m ↓i ↓n) (1 ( ξ V ↓R ↓V ↓m ↓i ↓n-V ↓R ↓V)) ugeordnet, wobei V ↓R ↓V den Gasdurchsatz, V ↓R ↓V ↓m ↓i ↓n den mini malen Gasdurchsatz, A eine Konstante, N die laufende Leistung und N ↓m ↓i ↓n die Leistung bei dem Punkt, ab dem der Brenner nicht mehr kontinuierlich geregelt wird, ξ V ↓R ↓V ↓m ↓i ↓n das Wärmeverhältnis bei der entsprechenden Leistung N ↓m ↓i ↓n und ξ V ↓R ↓V alle Wärmeverhältnisse von N ↓m ↓i ↓n bis N ↓m ↓a ↓x bedeuten.

Description

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Jon. Yaillant Grnbil u. Co DIi 895

2 7. 04. 82

Sorptionswärmepumpe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Solche Sorptionswärmepumpen, insbesondere ATssorptionswärmepumpen, werden häufig dazu eingesetzt, Wärmeenergie mit einem Temperaturniveau einer Umweltenergiequelle, sei es Luft oder Grundwasser, auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, um mit der Wärmeenergie des höheren Niveaus eine Heizungsanlage eines Ein- oder Mehrfamilienhauses zu speisen und/oder eine Brauchwasserversorgung eines solchen Hauses zu gewährleisten.

Es ist bekannt, daß sich der Wirkungsgrad jeder Wärmepumpe, der auch in der Leistungszahl oder im Wärmeverhältnis ausgedrückt werden kann, verkleinert, wenn das Temperaturniveau

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dor LJinweltoner^ioquello fällt, obwohl ßorade boi fallendem Temperaturniveau der Urnweltenergiequelle der Wärmebedarf des Verbrauchers zunimmt.

Fällt die Temperatur der Umweltenergiequelle bei gegebener Anlagenauslegung unter ganz bestimmte kritische Grenzen, z. B. kleiner - 5 °C oder - 10 °C, so ist es nicht mehr möglich, im Verdampfer der Absorptionswärmepumpe den großen Kältemittelstrom, den man zur Wärmedeckung im Kocher austreiben muß, zu verdampfen, da der Absorber diese großen Mengen nicht mohr aufnehmen kann.

Die Folge davon ist, daß sich entweder Kältemittel im Verdampfer ansammelt und schließlich der Prozeß zum Erliegen kommt oder aber bei entsprechender stärkerer Drosselung des Kältemittelstromes durch das-Expansionsventil sich das Kältemittel im Kondensator ansammelt. Dadurch kann unter Umständen ein unerwünschter Druckaufbau im Hochdruckventil der Anlage den Prozeß zum Erliegen bringen oder aber sicherheitstechnisch, da der Dampf nicht mehr ausreichend kondensiert werden kann, die Konzentration im Kocher sich so stark nach der armen Seite verschieben, daß dort unzulässig hohe Temperaturen erreicht werden.

In jedem Fall ist ein solcher Betrieb der Anlage bei tiefen Außentemperaturen sowohl sicherheits-regelungstechnisch als auch energetisch-thermodynamisch keineswegs optimal.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Durchsatzregelung für den Verdampfer zu entwickeln, so daß dem Verdampfer in Abhängigkeit von meßbaren Kriterien nur so viel Kältemittel in der Zeiteinheit zugeführt wird, daß dessen Verdampfung und anschließende Absorption gesichert ist und daß sich damit auch überschüssiges Kältemittel nicht im Kondensator ansammelt, sondern am Verdampfer vorbei dem Austreiber wieder zugeführt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den kennzeichnenden Merkmalen der Nebenansprüche.

Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche bzw. gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die anhand der Figuren eins bis vier der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutern.

Es zeigen:

Figur eins eine Prinzipachaltung einer Sorptionswärmepumpe,

Figur zwei eine Schaltungsvariante zu Figur eins,

Figur drei eine weitere Schaltungsvariante,

Figur vier eine weitere Variante der Erfindung.

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In allen vier Figuren bedeuten gleiche Bezugszeichen jeweils die gleichen Einzelheiten.

Die Sorptionswärmepumpe gemäß Figur eins und zwei weist einen Kocher oder Austreiber 1 aus, der von einem Brenner 2 "beheizt ist. Gegebenenfalls führt zum Brenner 2 eine von einem Magneten 3 mit einem Ventil 4 beherrschte Brennstoff- bzw. Luftzuleitung 5· Der Kocher 1 weist einen Dom 6 auf, von dem eine Kältemitteldampfleitung 7 abgeht. Als Kältemittel wird beim Ausführungsbeispiel Ammoniak, als Lösungsmittel Wasser verwendet. Die Kältemitteldampfleitung 7 führt zu einem Kondensator 8, von dem eine Kondensatleitung 9 zu einem Drei-Wege-Ventil 10 führt, das von einem Stellmotor 11 beherrscht ist, das über eine Stelleitung 12 an einen Regler 13 angeschlossen ist. Von dem einen Anschluß des Drei-Wege-Ventiles führt eine Rückflußleitung 14 zurück zur Leitung 7· Vom anderen Anschluß des Drei-Wege-Ventiles führt eine Kältemittelleitung 15 über ein von einem Stellglied 16 beherrschtes Expansionsventil 17 zu einem Verdampfer 18. Im Verdampfer 18 ist alternativ ein Temperaturfühler 19 oder ein Schwimmer angeordnet, die beide Istwert-Signale vom Inneren des Verdampfers über eine Meßleitung 20 zum Regler 13 geben. Der Verdampfer wird von einer nicht weiter dargestellten Umweltenergiequelle, zum Beispiel der Außenluft, mit Wärme beaufschlagt. An den Verdampfer schließt sich eine Leitung 21 für verdampftes Kältemittel an, die zu einem Absorber 22 führt.

Vom Austreiber 1 führt eine Leitung 23 für arme Lösung gleich-

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falls in den Innenraum des Absorbers 22. Den Absorber verläßt reiche Lösung über eine mit einer von einem Motor 24 angetriebene Lösungsmittelpumpe 25 versehene Leitung 26, die zum Austreiber 1 führt.

Eine Brauchwasserleitung 27 ist an ein speisendes Kaltwassernetz angeschlossen und wird über eine im Innenraum des Absorbers 22 angeordnete Wärmetauscher-Rohrschlange 28 geführt, die über eine Verbindungsleitung 29 mit einer analogen Wärmetauscher-Rohrschlange 30 in Verbindung steht, die im Innenraum des Kondensators 8 vorgesehen ist. Die Leitung 29 setzt sich als Zapfleitung 31 fort und führt zu einem Zapfventil 32.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur eins weist folgende Punktion auf:

Wenn der Meßfühler 19 als Schwimmerfühler ausgestaltet ist, mißt er den im Verdampfer vorhandenen Pegel an kondensiertem Kältemittel. Unter der Voraussetzung, daß dem Verdampfer Wärme auf einem zu niedrigen Außentemperaturniveau oder sinkenden Außentemperaturniveau zugeführt wird, ist die Verdampfungsfähigkeit des Verdampfers, insbesondere wegen der zu geringen Absorptionsfähigkeit des Absorbers, herabgesetzt, so daß der Füllstand im Verdampfer ansteigt. Diesen Füllstandspegel registriert der Schwimmerfühler und überträgt ihn entweder auf mechanische oder elektrische Weise auf den Regler 13· Der Regler 13 vergleicht den Istwert mit einem an einem Sollwertge-

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ber 33 vorgegebenen Wert und verstellt als Regelgröße die Aufteilung des kondensierten Kältemittels, das über die Leitung 9 am Drei-Wege-Ventil 10 ansteht, in Richtung auf die Parallelschaltung der beiden weiterführenden Kältemittelleitungen 14 und 15· Auf einen steigenden Kältemittelpegel im Verdampfer 18 folgt eine Drosselung des Kältemitteldurchsatzes auf der Leitung 15 zum Verdampfer, damit der Kältemittelpegel dort absinkt. Da der Gesamtdurchsatz an Kältemittel aus dem Austreiber zunächst konstant ist, wird das überschüssige Kältemittel über die Leitung 14 unmittelbar in den Austreiber gegeben.

Das bedeutet im Extremfall, daß bei einer minimalen Verdampfungsfähigkeit des Verdampfers 18 durch die minimale Absorptionsfähigkeit des Absorbers bei sehr niedrigen Außentemperaturen praktisch das gesamte Kältemittel aus dem Kondensator 8 unmittelbar zurück in den Austreiber 1 gegeben wird.

Da die Verdampfungsfähigkeit des Verdampfers 18 statt über den Kältemittelpegelstand auch über die Temperatur des Dampfes nach der Verdampfung ermittelt werden kann, kann der Meßwertgeber auch als Kältemitteldampf-Temperaturfühler 19 ausgebildet sein und im Verdampfer oder in der Kältemitteldampfleitung 21 angeordnet sein. Die im Verdampfer herrschende, vom Temperaturfühler 19 abgefühlte Temperatur ist eine dem Pegel entsprechende Größe und kann für den gleichen Regelzweck unmittelbar ausgenutzt werden.

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Bei der Schaltung der Wärmepumpe gemäß Figur zwei ist der Temperaturfühler 19 im Verdampfer fortgelassen, statt dessen ist als Meßgröße die Temperatur vom Temperaturfühler 19 angefühlt, die vom Absorber abgeleitet ist. Dieser Ausführung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein mangelndes Arbeiten des Verdampfers und Absorbers, also ein zu geringer oder gar kein Kältemitteldurchsatz, der nicht mehr im Absorber aufgenommen werden kann, zu einer Temperaturerniedrigung im Absorber 22 führt. Diese Temperaturerniedrigung im Absorber wird aber auch dem Brauchwasserdurchsatz auf der Leitung 27/29 mitgeteilt, analog sinkt die Brauchwassertemperatur. Also kann bei sonst gleichen Verhältnissen die Brauchwassertemperatur hinter dem Absorber Meßgröße für den Regler 13 sein. Eine mangelnde Verdampfungsfähigkeit des Verdampfers und Absorptionsfähigkeit des Absorbers aufgrund sehr geringer Außentemperaturen wird somit gleichermaßen vom Regler mit einem Verstellbefehl auf der Leitung 12 beantwortet, weniger Kältemittel auf die Leitung 15 zu geben, vielmehr das Kältemittel über die Leitung 14 unmittelbar nach Kondensation in den Austreiber zu geben. Auf diese Weise erreicht man, daß sich die Konzentration im Kocher nicht durch Auslagerung von Kältemittel im Kondensator und/oder Verdampfer in Richtung einer ungewünschten zu niedrigen Konzentration mit den daraus resultierenden zu hohen Kochertemperaturen verschiebt. Bei umgekehrter Änderung des Meßwertes ist der Stellbefehl invers.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur drei ist unmittelbar die Temperatur der den Absorber verlassenden reichen Lösung

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vom Temperaturfühler 19 abgeführt, und dieses Signal wird über die Leitung 20 auf den Regler 13 gegeben. Der Verbraucher besteht im Ausführungsbeispiel der Figur drei aus einer Fußbodenheizungsanlage 34, die über eine Pumpe 35 rücklaufseitig an die Leitung 27 und vorlaufseitig an die Leitung 31 angeschlossen ist.

Steigt die vom Temperaturfühler 19 gemessene Temperatur der reichen Lösung über den am Sollwertgeber 33 für den Regler 13 eingestellten Sollwert an, so bedeutet das, daß der Kältemitteldampfdurchsatz durch den Verdampfer 18 gedrosselt werden muß. Somit wird das Drei-Wege-Ventil 10 im Sinne einer verstärkten Rückgabe von Kältemittelkondensat in den Austreiber zurückerstellt. Andersherum bedeutet eine fallende Temperatur der reichen Lösung, daß der Kältemitteldurchsatz in Richtung auf den Verdampfer vergrößert werden kann.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur vier ist im Absorber ein Schwimmerfühler 40 vorgesehen, der den Flüssigkeitsstand an reicher Lösung im Absorber abfühlt und über die Meßleitung 20 an den Regler 13 meldet. Für die Funktion ist davon auszugehen, daß eine mangelnde Verdampfungsfähigkeit und Absorptionsfähigkeit aufgrund der Umweltbedingungen, denen der Verdampfer 18 ausgesetzt ist, dazu führt, daß zuwenig Kältemitteldampf in den Absorber gelangt und sich im Verdampfer sammelt. Dies wird dazu führen, daß der Flüssigkeitsstand von reicher Lösung im Absorber fällt. Ein fallender Flüssigkeitsstand im Absorber wäre ein Indiz dafür, den Durchsatz

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an armer Lösung zum Absorber zu erhöhen, falle es der Kocherfüllstand zuläßt, bzw. den Durchsatz an Kältemittel durch den Verdampfer zurückzunehmen, so daß die Speicherung von Kältemitteldampf im Verdampfer wieder abgebaut werden kann.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die vier Regelbeispiele aufgrund der unterschiedlichen Meßgrößen gleichwertig sind und zu gleichen Ergebnissen führen, was die Durchsatzregelung von Kältemittel durch den Verdampfer und Abstimmung der Verhältnisse Kältemitteldampf/armer Lösung im Absorber angeht.

Claims

Ansprüche

Sorptionswärmepumpe mit einem brennstoffbeheizten Austreiber, einem Kondensator, Verdampfer, Absorber, diese verbindenden Leitungen sowie Drosselstellen für Kältemitteldampf und arme Lösung und einem Regler für den Durchsatz des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße die Füllhöhe des Absorbers ist.
2. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch eins, dadurch
gekennzeichnet, daß im Innenraum des Absorbers
(18) ein Schwimmerfühler (19) vorgesehen ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.

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3· rjorptionawärraepumpe mit einem brennstoffbeheizten Austreiber, einem Kondensator, Verdampfer, Absorber, diese verbindenden Leitungen sowie Drosselstellen für Kältemitteldampf und arme Lösung und einem Regler für den Durchsatz des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße die Temperatur im Absorber ist.
4. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch drei, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Absorbers (22) ein Temperaturfühler (19) vorgesehen ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.
5· Sorptionswärmepumpe nach Anspruch drei, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße eine von der Temperatur im Absorber (22) abgeleitete Größe ist.
6. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch fünf, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeleitete Größe die Temperatur der den Absorber verlassenden reichen Lösung in der Leitung (26) ist.
7- Sorptionswärmepumpe nach Anspruch sechs, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der reichen Lösung in der Leitung (26) mit einem Temperaturfühler (19) abgefühlt ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.
8« Sorptionswärmepumpe mit einem brennstoffbeheizten Austreiber, einem Kondensator, Verdampfer, Absorber, diese verbindenden Leitungen sowie Drosselstellen für Kältemitteldampf und arme Lösung und einem Regler für den Durchsatz des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße der Füllstand im Verdampfer (18) ist.
9. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch acht, dadurch gekennzeichnet, daß im Verdampfer (18) ein Schwimmerfühler (19) vorgesehen ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.
10. Sorptionswärmepumpe mit einem brennstoffbeheizten Austreiber, einem Kondensator, Verdampfer, Absorber, diese verbindenden Leitungen sowie Drosselstellen für Kältemitteldampf und arme Lösung und einem Regler für den Durchsatz des Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgröße die Temperatur im Verdampfer (18) oder in einer Kältemitteldampfleitung hinter dem Verdampfer ist.
11. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch zehn, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Verdampfers (18) ein Temperaturfühler (19) vorgesehen ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.

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12. Sorptionswärmepumpe nach Anspruch vier mit einem als Wärmetauscher zur Aufheizung eines Verbrauchers ausgebildeten Absorbers, dadurch gekennzeichnet, daß an die Vorlaufleitung (22) des Verbrauchers stromab des Absorbers (22) ein Temperaturfühler (19) angeordnet ist, der über eine Meßleitung (20) mit dem Regler (13) verbunden ist.