Die Erfindung betrifft einen Hochtemperatur-Wärmepumpen- transformator mit einem Lösungskreislauf eines Zweistoff- Arbeitsmittels, insbesondere eines Ammoniak-Wasser-Gemischs mit einem Vorlauf-Leitungszweig, in welchem eine arme Lö¬ sung des Arbeitsmittels durch Pumpen stufenweise von nied¬ rigem auf hohen Druck angehoben und durch Wärmezufuhr von einem niedrigeren auf ein höheres Temperaturniveau ge¬ bracht, einem Resorber zuströmt, welchem von einem Kompres¬ sor auf Resorberdruck erhöhte gasförmige Arbeitsmittelkom¬ ponente zugeführt und unter Abgabe von Resorptionswärme in der Lösung resorbiert wird, wodurch reiche Lösung hohen Drucks entsteht, die in einen Rücklauf-Leitungszweig des

Lösungskreislauf mit wenigstens einem eingeschalteten Dros¬ selorgan unter Druckabsenkung und Wärmeabfuhr einem Desor¬ ber zuströmt, in welchem unter Zufuhr von Wärmeenergie gas¬ förmige Arbeitsmittelkomponente ausgetrieben und dem Kom- pressor zugeführt wird, wobei im Lösungskreislauf weitere Entgaser vorgesehen sind, in welchen durch Wärmeübertragung von der im Rücklauf-Leitungszweig strömenden reichen Lösung auf die im Vorlauf-Leitungszweig strömende arme Lösung auε

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dieser zusätzlich gasförmige Arbeitsmittelkomponente ausge¬ trieben und in den Lösungskreislauf zurückgeführt wird.

Aus der DE-PS 37 16 642 ist eine Zweistoff-Wärmepumpe (oder Kältemaschine) dieser Art bekannt, deren Leistungsziffer gegenüber älteren bekannten Zweistoff-Wärmepumpen dadurch erhöht ist, daß bei einem zwischen Resorber- und Desorber- druck liegenden Zwischendruck mittels eines zusätzlichen Entgasers durch Übertragung von Wärmeenergie aus der im Rücklauf-Leitungszweig strömenden reichen Lösung auf die im Vorlauf-Leitungszweig strömende arme Lösung zusätzlich gas¬ förmige Arbeitsmittelkomponente ausgetrieben und unter Druckerhöhung durch den Kompressor dem Resorber zugeführt wird, wobei die Antriebsleistung des Kompressors für die im zusätzlichen Entgaser ausgetriebene gasförmige Arbeitsmit¬ telkomponente entsprechend dem geringeren Druckunterschied zwischen dem zusätzlichen Entgaser und dem Resorber gerin¬ ger ist, als in dem Fall, in dem die Entgasung (wie bei den älteren bekannten Zweistoff-Wärmepumpen) ausschließlich auf dem niedrigen Druck des Haupt-Desorbers oder Entgasers un¬ ter Zufuhr von aus der Umgebung, z.B. einem Fließgewässer oder von Umweltwärme, erfolgen würde. Da die am Haupt- Desorber zur Entgasung der reichen Lösung zur Verfügung stehende Wärmeenergie aus der Umwelt bzw. einem Fließgewäs- ser relativ niedrige Temperatur hat , ist das Temperaturni¬ veau der im Resorber gewonnenen Resorptionswärme bei der bekannten Wärmepumpe immer noch relativ niedrig, so daß die gewonnene Resorptionswärme in der Regel nur für Heizzwecke verwendbar ist. In vielen Fällen ist jedoch Wärme auf einem deutlich höheren Temperaturniveau, beispielsweise als Pro¬ zeßwärme, erforderlich, wobei Abwärme aus dem Prozeß oder von anderen Wärmequellen auf niedrigerem, aber deutlich über der Umweltwärme oder der Wärme von Fließgewässern lie¬ genden Temperaturniveau zur Verfügung steht. Anstelle des Einsatzes einer Wärmepumpe bietet sich bei diesen Tempera¬ turbedingungen der Einsatz von Wärmetransformatoren (DE-PS 33 44 599, Fig. 3 und 4) zur Gewinnung der Nutz- bzw. Pro¬ zeßwärme auf erhöhtem Temperaturniveau an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das System der bekannten Wärmepumpe so weiterzuentwickeln, daß sie nach Art eines Wärmetransformators bei höheren Temperaturniveaus einsetzbar ist und dabei ein im Vergleich zu bekannten

Wärmetransformatoren noch verbessertes Wärmeverhältnis er¬ bringt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß in den an den Auslaß des Desorbers anschließenden Teilab¬ schnitt des Vorlauf-Leitungszweigs ein Drosselorgan für eine weitere Druckabsenkung eingeschaltet und der Teilab¬ schnitt dann zum Einlaß eines auslaßseitig an den anschlie¬ ßenden Teilabschnitt des Vorlauf-Leitungszweigs angeschlos- senen Absorbers geführt ist, dem außerdem zum Zwecke der Voranreicherung der Lösung die über die weiteren Entgaser ausgetriebene gasförmige Arbeitsmittelkomponente zugeführt und unter Abgabe von Absorptionswärme auf einem unteren Temperaturniveau gelöst wird, daß in die die in den weite- ren Entgasern ausgetriebene gasförmige Arbeitsmittelkompo¬ nente in den Absorber führende(n) Verbindungsleitung(en) wenigstens eine den Druck im gasförmigen Arbeitsmittel ab¬ senkende und in mechanische Energie umwandelnde Expansions¬ maschine eingeschaltet ist, und daß dem Auslaß des Absor- bers in dem anschließenden Teilabschnitt des Vorlauf-Lei¬ tungszweigs eine den Druck der im Absorber vorangereicher¬ ten armen Lösung wenigstens auf den Desorberdruck erhöhende Pumpe nachgeschaltet ist.

Der im Aufbau der bekannten Wärmepumpe entsprechende Systemteil kann dann - entsprechend den bekannten Wärmetransformatoren - desorber- und resorberseitig bei höheren Temperaturniveaus arbeiten, wobei durch die Absorp¬ tion der in den zusätzlichen Entgasern ausgetriebenen gas- förmigen Arbeitsmittelkomponenten in einen bei Umgebungs¬ temperatur betriebenen Absorber ein hinreichendes Tempera¬ tur- und Druckgefälle erhalten wird, um in der Expansions¬ maschine zusätzliche mechanische Energie zu gewinnen, die

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entweder zur Erzeugung elektrischer Energie in einem an der Expansionsmaschine angekoppelten Generator oder - bei direkter Ankoppelung am Kompressor - auch zur Verringerung der Antriebsleistung des Antriebsmotors für den Kompressor des Systems verwendbar ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind der dem Absorber unmittelbar nachgeschalteten, den Druck auf Desor- berdruck erhöhenden Pumpe im anschließenden Teilabschnitt des Vorlauf-Leitungszweigs wenigstens zwei, den Druck aufeinanderfolgend stufenweise auf Resorberdruck erhöhende Pumpen nachgeschaltet, wobei einer der weiteren Entgaser in dem auf Desorberdruck befindlichen Bereich des Vorlauf-Lei¬ tungszweigs zwischen der ersten und der zweiten Pumpe und ein anderer weiterer Entgaser in dem auf einem Zwischen¬ druck zwischen dem Desorber- und Resorberdruck befindlichen Bereich des Vorlauf-Leitungszweigs zwischen der zweiten und der dritten Pumpe eingeschaltet ist, und die weiteren Ent¬ gaser andererseits in einen auf Resorberdruck befindlichen Abschnitt des Rücklauf-Leitungszweigs eingeschaltet sind.

Die Auslässe für die gasförmig ausgetriebene Arbeitsmittel¬ komponente der weiteren Entgaser können jeweils mit dem Einlaß einer gesonderten Expansionsmaschine verbunden sein, deren Auslässe mit dem Anschluß des Absorbers für die gasförmige Arbeitsmittelkomponente verbunden sind.

Alternativ können die Auslässe für die gasförmige Arbeitsmittelkomponente der weiteren Entgaser mit zwei unterschiedlichen Druckstufen zugeordneten Einlassen einer gemeinsamen - dann zweckmäßig als mehrstufige Turbine aus¬ gebildeten - Expansionsmaschine verbunden sein, deren Aus¬ laß mit dem Einlaß des Absorbers für die gasförmige Arbeitsmittelkomponente verbunden ist.

Der Druck in dem zwischen der zweiten und der dritten Pumpe im Vorlauf-Leitungszweig angeordneten weiteren Entgaser ist vorzugsweise auf einen, etwa der Wurzel aus dem Produkt des

Desorberdrucks und des Resorberdrucks entsprechenden Zwi¬ schendruck eingestellt, da hierdurch - bei Betrachtung als Wärmepumpe - die Leistungsziffer bzw. - bei Betrachtung als Wärmetransformator - das Wärmeverhältnis opitimiert wird.

Da in der Expansionsmaschine mechanische Energie gewonnen wird und andererseits zum Antrieb des Kompressors entspre¬ chende mechanische Energie von einem Antriebsmotor zur Verfügung gestellt werden muß, ist es sinnvoll, den Kom- pressor und den ihn antreibenden Antriebsmotor mechanisch mit der Expansionsmaschine zu koppeln. Die Antriebsleistung des den Kompressor antreibenden Motors kann dann um die von der Expansionsmaschine zur Verfügung gestellte Abtriebs¬ leistung niedriger bemessen werden.

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schaltplan eines in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildeten Wärmepumpentransformators;

Fig. 2 die im Wärmepumpentransformator gemäß Figur 1 ablaufenden Zustandsänderungen des

Arbeitsmittels schematisch in einem p,ξ - Diagramm; und

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem über der am Desor- ber des erfindungsgemäßen Wärmepumpentrans¬ formators zur Verfügung stehenden Tempera¬ tur das Verhältnis der erfindungsgemäß er¬ reichten Leistungsziffer bzw. des erfin¬ dungsgemäß erreichten Wärmeverhältnisses zur entsprechenden Carnot-Leistungsziffer bzw. zum entsprechenden Carnot-Wärmever¬ hältnis aufgetragen ist.

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Der in Figur 1 veranschaulichte, in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Zweistoff-Wärmepumpentrans¬ formator weist einen Entgaser oder Desorber 12 auf, in wel¬ chem bei einem Druck p^ _. durch Zufuhr von Wärmeenergie auf einem mittleren Temperaturniveau aus einer reichen Zwei¬ stoff-Arbeitsmittellösung gasförmige Arbeitsmittelkompo¬ nente ausgetrieben wird. Bei Verwendung des bevorzugten Ammoniak-Wasser-Gemischs als Arbeitsmittel wird im Desorber 12 also Ammonaik gasförmig aus der Lösung ausgetrieben. Die zur Entgasung der reichen Lösung erforderliche Wärmeenergie möge beispielsweise als Abwärme mit Temperaturen zwischen 40 und 100°C - in jedem Falle aber noch deutlich über der Umgebungswärme - zur Verfügung stehen. Die dabei entste¬ hende arme Lösung wird über einen ersten Leitungszweig 14 zunächst unter Druckabsenkung zu einem Absorber 16, dessen Funktion später noch im einzelnen erläutert wird, und dann unter mehrstufiger Druckerhöhung auf einen Druck p ₂ zu ei¬ nem Resorber 18 gepumpt, während die gasförmige Arbeitsmit¬ telkomponente dem Resorber über eine Leitung 20 mit einge- schaltetem Kompressor 22 zugeführt wird. Die im Resorber 18 bei der Resorption des gasförmigen Arbeitsmittels in der armen Lösung auf hohem Temperaturniveau anfallende Resorp¬ tionswärme kann beispielsweise als Prozeßwärme in Arbeits¬ prozessen Verwendung finden. Die durch Resorption des gas- förmigen Arbeitsmittels wieder reiche Lösung wird aus dem Resorber 18 über einen zweiten Leitungszweig 24 unter Druckabsenkung auf das Druckniveau p _j des Desorbers in ei¬ nem Drosselorgan 26 wieder in den Desorber 12 zurückgeführt und dort wieder entgast.

Wie bereits erwähnt, wird die aus dem Desorber austretende arme Lösung zunächst in einem ersten Teilabschnitt des Lei¬ tungszweigs 14 unter Druckabsenkung durch ein Drosselorgan 27 einem Absorber 16 zugeführt, in welchem die arme Lösung durch Wärmeabfuhr an die Umgebungsatmosphäre bzw. ein Fließgewässer auf die Temperatur ^ _g abgekühlt wird. Dadurch ist es möglich, eine gewisse Menge von über eine Leitung 28 von einer - beispielsweise als Turbine 30 ausge-

bildeten - Expansionsmaschine zugeführten gasförmigen Arbeitsmittelkomponente in der armen Lösung im Absorber 16 zu absorbieren, so daß die Lösung gegenüber der vom Desor¬ ber 12 zuströmenden Lösung bereits etwas angereichert ist. Über eine dem Absorber 16 im Leitungszweig 14 nachgeschal¬ tete Pumpe 32 und weitere Pumpen 34 und 36 wird dann der Druck stufenweise auf den Resorberdruck p ₂ erhöht, wobei der Druck in dem zwischen der ersten Pumpe 32 und der fol¬ genden Pumpe 34 liegenden Teilabschnitt des Leitungszweigs 14 etwa gleich dem im Desorber 12 herrschenden Druck P _j _ sein möge, während dann folgerichtig in dem zwischen der zweiten und dritten Pumpe 34 bzw. 36 liegenden Teilab¬ schnitt des Leitungszweigs 14 ein zwischen dem Desor- berdruck ± und dem Resorberdruck p ₂ liegender Druck herrscht.

Wie auch beim Stande der Technik üblich, sind zwischen den auf Resorberdruck p ₂ befindlichen Abschnitt des reiche Lösung führenden Leitungszweigs 24, d.h. den Rücklauf-Lei- tungszweig und den Vorlauf-Leitungszweig 14 Temperatur¬ wechsler 38 und 40 eingeschaltet, in denen durch Wärmeüber¬ tragung von der reichen auf die arme Lösung im Bereich des Zwischendrucks bzw. des Resorberdrucks p ₂ des Vorlauf-Lei¬ tungszweigs 14 die reiche Lösung abgekühlt wird. Ein ent- sprechender Temperaturwechsler 42 ist außerdem noch zwi¬ schen den den Desorber 12 mit dem Absorber 16 und dem zwi¬ schen der ersten und der zweiten Pumpe 32 bzw. 34 liegenden Teilabschnitt des Vorlauf-Leitungszweigs 14 geschaltet. Die dem Absorber 16 - wie oben erwähnt - von der Expansionsma- schine 30 über die Leitung 28 zugeführte gasförmige

Arbeitsmittelkomponente stammt von zwei weiteren, zwischen den Vorlauf- und den Rücklauf-Leitungszweig 14 bzw. 24 ge¬ schalteten Entgasern 44 bzw. 46, in welchen durch Wärme¬ übertragung von der reichen Lösung auf die arme Lösung gas- för ige Arbeitsmittelkomponente ausgetrieben und über

Leitungen 48 bzw. 50 der Expansionsmaschine 30 zugeführt wird.

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Es ist ersichtlich, daß der Druck der im weiteren Entgaser 44 aus der armen Lösung ausgetriebenen gasförmigen Arbeits¬ mittelkomponente etwa dem Desorberdruck p-^ entspricht und der Druck der aus dem weiteren Entgaser 46 ausgetriebenen gasförmigen Arbeitsmittelkomponente bei einem höheren Druck - zwischen dem Desorber- und dem Resorberdruck p bzw. p ₂ - liegt. In der Expansionsmaschine 30 wird die in den Ent¬ gasern 44, 46 ausgetriebene gasförmige Arbeitsmittelkompo¬ nente unter Entspannung auf den Absorber-Druck p ₀ in echa- nische Energie umgewandelt, welche durch mechanische Koppe¬ lung mit dem Kompressor 22 und dem Antriebsmotor 52 des Kompressors einen Teil der für die Förderung und Druckerhö¬ hung der im Desorber 12 ausgetriebenen gasförmigen Arbeits¬ mittelkomponente zum Resorber erforderlichen Antriebsener- gie übernimmt. Alternativ könnte die Expansionsmaschine 30 auch einen Generator zur Gewinnung von elektrischer Energie antreiben. Da die in den weiteren Entgasern 44, 46 ausge¬ triebene gasförmige Arbeitsmittelkomponente mit unter¬ schiedlichen Drücken, nämlich dem Druck p-^ und dem zwischen P und p ₂ liegende Zwischendruck p ₂ anfällt, werden die Leitungen 48 und 50 getrennt an entsprechend unterschied¬ lichen Druckstufen zugeordnete Einlasse der (mehrstufigen) Expansionsmaschine 30 geführt. Alternativ ist die Verwen¬ dung gesonderter Expansionsmaschinen denkbar, welche die unterschiedlichen Druckniveaus zwischen p-^ und p ₀ bzw. p _z und p ₀ verarbeiten. Berechnungen mit unterschiedlich ange¬ nommenen Werten für die Höhe des Zwisσhendrucks p ₂ haben ergeben, daß ein Optimum erreicht wird, wenn

p _z = 7p ₁ -p ₂

In dem in Figur 2 gezeigten Diagramm sind die Änderungen der Zustandsgrößen des Arbeitsmittels im vorstehend be¬ schriebenen Wärmepumpentransformator 10 schematisch in einem p,ζ -Diagramm veranschaulicht.

In Figur 3 ist schließlich noch ein Diagramm gezeigt, in welchem das Verhältnis der Leistungsziffer e bzw. des

Wärmeverhältnisses 'η zur entsprechenden Leistungsziffer e _c bzw. dem Wärmeverhältnis _c des Carnot-Prozesses Abhängig¬ keit von unterschiedlichen, am Desorber 12 zur Verfügung stehenden Temperaturen dargestellt ist, wenn für die Tempe- ratur t _mo am Absorber 25°C, d.h. Umgebungstemperatur, und für die am Resorber - beispielsweise zur Erzeugung von Pro¬ zeßdampf - geforderte Temperatur 150°C angenommen wird. Es ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Wärmepumpentrans¬ formator 10 bei den angenommenen Temperaturen rechnerisch eine Verbesserung zwischen Mitteltemperaturen von t _ml = 30°c bis t _ml = 120°C erbringt, wobei das Optimum bei etwa 65 bis 70°c liegt.

Der Investitionsaufwand für den erfindungsgemäßen Wärmepum- pentransformator ist also durchaus lohnend, wenn Abwärme im günstigen Temperaturbereich, beispielsweise zwischen 50 und 90°C zur Verfügung steht.

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