Resorptions-Wärmewandleranlage

Die Erfindung betrifft Resorptions-Wärmewandleranlagen, wie Wärmepumpen, Kälteanlagen oder Wärmetransformatoren, die mit einem Zweistoff-Arbeitsmittel, insbesondere einem Ammoniak-Wassergemisch., betrieben werden, um von einer äußeren Wärmeenergiequelle zugeführte Wärme¬ energie auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben, wobei die Anlage zwei Lösungskreisläufe aufweist, in welchen das Arbeitsmittel in flüssiger Phase von einem niedrigeren auf ein höheres Druckniveau gebracht und wieder auf das niedrigere Druckniveau entspannt wird, und zwischen den beiden Kreisläufen sowohl niederdruck- als auch hochdruckseitig je eine Verbindung besteht, in welchen in der Dampfphase befindliches Arbeitsmittel übertritt.

Solche, mit Ammoniak-Wassergemisch als Arbeitsmittel betriebene Resorptions-Wärmewandlerazxlagen können beispielsweise als Wärmepumpen eingesetzt werden, mit welchen der Umwelt, z.B. der Umgebungsluft, Gewässern oder dem Erdreich Wärmeenergie auf relativ niedrigem

Temperaturniveau entzogen und auf ein höheres Temperatur niveau gebracht werden kann, auf welchem sie dann zu Heizzwecken, für die die Erwärmung von Brauchwasser o.dgl. zur Verfügung steht.

Wenn andererseits Wärmeenergie, z.B. bei Fabrikations¬ prozessen in Form von Abdampf- oder Brüden bereits auf höherem Temperaturniveau zur Verfügung steht, kann diese Energie durch sogenannte Wärmetrans oπnatorβn auf ein solches Tβmpβraturnivβau angehoben werden, daß sie als Prozeßwärme erneut im Fabrikationsprozeß nutzbar gemacht werden kann.

Der kontinuierliche Betrieb solcher Anlagen setzt voraus, daß die Mengenbilanz des zwischen den beiden Kreisläufen der Anlage hoch- und niederdrucksei ig überströmenden dampfförmigen Arbeitsmittels, und zwar auch hinsichtlich der Einzelbestandteile des Zwβistoff- Gemischs ausgeglichen ist. Bei den bekannten Anlagen (Handbuch der Kältetechnik, Bd. 7, R. Plank, Verlag

Springer,19 9* Seiten 7-19) wird dies dadurch gelöst, d das Arbeitsmittel sowohl hoch- wie niederdrucksei ig in gleicher Menge und mit gleicher Konzentration aus¬ schließlich in Damp orm ausgetauscht wird, wobei die Anpassung der Konzentration den Einsatz einer Rektifi¬ zierungskolonne in dem Strömungszweig erfordert, in welchem ohne eine solche Rektifizierung sonst infolge der Betriebsweise des betreffenden Kreislaufs ein dampfförmiges Zweistoff-Gemisch mit höherem Anteil des höher siedenden Bestandteils als bei der aus dem andere Kreislauf ausströmenden, dampfförmigen Phase ausge¬ tauscht würde. Das Erfordernis der Verwendung einer solchen Rektifizierungskolonne und der Regelung ihres Betriebes derart, daß sie kontinuierlich ein dampfföπni Zweistoff-Gemisch liefert, dessen Konzentration und

Menge genau dem im anderen Strömungszweig überströmende Zweistoff-Gemisch entspricht, führt zu einem hohen Gerä aufwand für die Rektifizierungskolonne, welcher ent¬ sprechend hohe Investitionskosten für die bekannten Anlagen erfordert.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bei den bekannten Resorptions-Wärmewandleranlagen zu ihrem Betrieb erforderlichen ger tetechnischen Aufwand für die Rektifizierungskolonne zu eliminieren und somit die für ihre Herstellung erforderlichen Investitionskosten wesentlich zu verringern.

Ausgehend von einer Wärmewandleranlage der eingangs erwähnten Art wird diese Aufgabe βrfindunga emäß dadurch gelöst, daß in der hoch- und der niederdruck¬ seitigen Verbindung der beiden Kreisläufe je ein Druck und ein Temperatur-Meßfühler vorgesehen sind, deren Meßwerte zu einem Maß für die Konzentration der leicht siedenden dampfförmigen Komponente des Zweistoff-Arbei mittels bezogen auf die gesamte dampfförmige Menge des Arbeitsmittels zusammengefaßt werden, daß in einer der beiden Verbindungen ein Mengenmesser für die Menge des durchströmenden dampfförmi en Arbeitsmitte s und paral zu den Verbindungen eine Ausgleichsverbindung für strömendes flüssiges Arbeitsmittel abweichender Konzen tration vorgesehen ist, wobei in der AusgleichsVer¬ bindung zur Ermi tlung des Konzentrationswertes des dort strömenden flüssigen Arbeitsmittels ebenfalls ein Druck- und ein Temperatur-Meßfühler und zusätzlich ein steuerbares Regelventil vorgesehen sind, und daß »ine über Signalleitungen mit den Meßfühlern und dem Mengenmesser verbundene zentrale Rechnereinheit vorgesehen ist, in welcher die über die Signalleitunge zugeführten meßwertproportionalen Signale laufend verarbeitet und zu einem Stellsignal für die Öffnung oder Schließung des in der Ausgleichsverbindung ange¬ ordneten Regelventils umgewandelt werden, welches die Öffnung des Regelventils derart steuert, daß die Mengen bilanz des zwischen den beiden Kreisläufen strömenden

dampfförmigen Arbeitsmittels ausgeglichen wird. Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird also auf die Rektifizierungskolonne verzichtet und zunächst in Kauf genommen, daß über die hoch- und die niederdruck- seitige Verbindung ungleiche Mengen von dampff rmigem Arbeitsmittel mit unterschiedlichen Konzentrationen strömen. Der Ausgleich der Mengenbilanz wird dabei dur eine in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Konzen¬ trationen des in den beiden Verbindungen und der Menge in einer der Verbindungen strömenden Arbeitsmittels mengengesteuerte AusgleichsStrömung von flüssigem Arbeitsmittel parallel und zusätzlich zu der anderen Verbindung bewirkt, wobei auch die Konzentration des Arbeitsmittels in der Aus leicheStrömung berücksichtigt wird. Die Berechnung der Menge der Ausgleichsströmung und ihre Einstellung über ein entsprechendes öffnen bzw. Schließen des Regelventils erfolgt dabei konti¬ nuierlich durch die zentrale Rechnereinheit.

Wenn die erfindungsgemäße Wärmewandleranlage eine Wärm pumpe (oder Kälteanlage) ist, ist die Ausgestaltung vorzugsweise so getroffen, daß der Mengenmesser in der hochdruckseitigen Verbindung zwischen den Kreis¬ läufen und die Ausgleichsverbindung parallel zur niederdruckseitigen Verbindung angeordnet sind.

Wenn die Wärmewandleranlage dagegen als Wärmetransfor- mator ausgebildet ist, wird die Ausgestaltung vorzugs¬ weise so getroffen, daß der Mengenmesser in der nieder druckseitigen Verbindung zwischen den Kreisiäufen und die Ausgleichsverbindung parallel zur hochdruckseitige Verbindung angeordnet sind.

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

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild einer

Resorptions-Wäxmepumpe mit bekanntem Aufbau; e Fig. 2 ein schematisches Schaltbild einer gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Wärme¬ pumpe in der erfindungsgemäßen Veise abgewandelten Växmepumpβ;

*L0 Fig. 3 ein Schaltbild eines nach dem Rβsorptio prinzip arbeitenden Wärmetransformators mit bekanntem Aufbau; und

Fig. 4 ein Schaltbild eines gegenüber dem in - _j e Fig. gezeigten Wärme rans oπnator in der erfindungs emäßen Yeise abgewandelte Wärmetransformators.

20 Aus dem in Figur 1 gezeigten grundsätzlichen schaltungs¬ mäßigen Aufbau einer bekannten Rβsorptions-Wärmepumpe 10 geht hervor, daß diese zwei innere Kreisläufe X und XX für flüssiges Arbeitsmittel aufweist, in deren - in der Zeichnungsfigur rechts dargestellten - Kreislauf X ein 5 En gaser 12 und ein Resorber 14 durch Leitungen 16 und 18 mit eingeschalteter Lösungspumpe 20 bzw. Drossel¬ organ 22 und in der Zeichnung links dargestellten zweitem Kreislauf XX ein Absorber 24 und ein Desorber 26 durch Leitungen 23, 3 mit eingeschalteter Lösungspumpe 0 32 bzw. Drosselorgan zusammengβschaltet sind. Im

Entgaser 12 des ersten und dem Absorber 24 des zweiten Kreislaufs steht das Arbeitsmittel unter einem niedrigen Druck p _Q , während es im Resorber 14 und im Desorber 26 auf einem höheren Druck p gehalten wird. 5

Durch eine niedβrdruckseitig den Entgaser 12 und. den Absorber 24 verbindende erste Verbindungsleitung 38 und eine hochdruckseitig den Dejβorber 26 und den Resorbe 14 verbindende zweite Verbindungsleitung 40 sind die ⁰ internen Kreisläufe X und IX der Wärmepumpe 10 mit¬ einander verbunden, wobei zwischen die Verbindungs-

leitung 40 und den hochdruckseitigen Desorber 2ό noch eine Rektifizierungskolonne 42 zwischenge¬ schaltet ist.

Die auf dem niedrigeren Temperatumiveau t zur Ver-

0 fügung stehende Energie wird im Entgaser 12dazu ver¬ wendet, aus dem flüssigen Arbeitsmittel, d.h. dem Ammoniak-Wassergemisch, die leichter flüchtige Komponente, d.h. Ammoni k, auszutreiben, welche in einer Menge x mit der Konzentration _™ entstehen möge und über die Verbindungsleitung 38 zum Absorber 24 strömt, wo sie im flüssigen Arbeitsmittel des Kreislau unter Energieabgabe bei dem angestrebten höheren Tempe nlveau t_. wieder absorbiert wird. Die Konzentration de im Kreislauf XX strömenden flüssigen Arbeitsmi-ttels wird im Absorber 24 also entsprechend erhöht. Durch di Lösungspumpe 32 wird das Arbeitsmittel erhöhter Konzen tration dann auf den Druck p erhöht und in den Resorbe 26 gefördert, in welchem die leichter flüchtige Kompone (Ammoniak) unter Zufuhr von Energie einer Temperatur t wieder desorbiert wird und - über die Rektifikations- kolσnne 42 - in die Verbindungsleitung 40 und durch di mit der Menge z und der Konzentration η zum Resorber 14 strömt, während der verbleibende flüssige Teil des Arbeitsmittels mit nun wieder geringerer Konzentration über die Leitung 30 zum Absorber 24 zurückströmt und dabei im Drosselorgan 34 wieder auf den Druck p _Q ent¬ spannt wird. Im Resorber 14 wird die über die Leitung 40 zugeführte gasförmige Komponente des Arbeitsmittels wieder unter Energieabgabe (auf dem Temperaturniveau t« im flüssigen Arbeitsmittel des Kreislaufs X resorbiert welches dann über die Leitung 18 zum Entgaser 12 zurüc strömt, wobei es im Drosselorgan 22 ^" vom Druck p auf

^■

den Druck p _π entspannt wird. Im Entgaser wird wiederu ein Teil der flüchtigen Komponente ausgetrieben und - in der bereits beschriebenen Weise - über die Vβrbi dungsleitung 38 zum Absorber 24 geführt, während der aus dem Entgaser abströmende verbleibende Anteil des flüssigen Arbeitsmittels nun wiederum ver¬ ringerter Konzentration von der Lösungspumpe 20 im Druck erhöht und zum Resorber 14 gefördert wird.

Der beschriebene Kreislauf kann nur dann kontinuierlic aufrechterhalten werden, wenn neben der Energiebilanz auch die Mengenbilanz des im System strömenden Arbeits mittels ausgeglichen und dabei sichergestellt wird,daß das Arbeitsmittel in den einzelnen Funktionskomponente der Wärmepumpe, d.h. im Entgaser 12, Absorber 24,

Desorber 26 und Resorber 14 bei den bestehenden Druck¬ niveaus auch die erforderlichen Konzentrationen hat, u daß diese Konzentrationen auch ständig aufrechterhalte werden. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß diese Bedingung für einen kontinuierlichen Betrieb der Wärme pumpe nur dann erfüllt ist, wenn die Menge z und die Konzentration 7 _DE des über die Verbindungsleitung 38 strömenden Arbeitsmittels gleich der Menge z und der Konzentration ^- - _Q des über die Verbindungsleitung 40 zurückströmenden Arbeitsmittels ist. D.h. es gelten di Gleichungens

X a Z

IDE ³ DD

Die kontinuierliche Durchführung des Prozesses derart, daß diese Bedingungen ständig eingehalten werden, ist insbesondere deshalb schwierig, weil im Desorber 26 durch die Zufuhr von Wärmeenergie t ₂ aus dem als Arbei

mlttel verwendeten Ammon ak-Wassergemisch neben dem leichter flüchtigen Ammoniak auch ein relativ hoher Anteil von Wasserdampf austritt. Die dem Desorber 26 nachgeschaltete Rektifzierungskolonne 42 dient also der Konzentrlerung des Ammoniaks auf eine der Konzen¬ tration des in der Verbindungsleitung 38 strömenden Arbeitsmittels entsprechende Konzentration durch Kond sation des ¥asserdampfs und Rückführung in den Desorb Es ist klar, daß hierfür zusätzlich zu der in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Rektifizierung kolonne auch noch eine Überwachung für die Mengen x und z sowie die Konzentrationen >-n- _> ^xvά. '-n-n vorge¬ sehen sein muß, welche in der nur schematischen Zeich der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingetrag ist.

Xn Figur 2 ist demgegenüber eine in ihrer grundsätzli Funktion der vorstehend beschriebenen Wärmepumpe ähnliche Wärmepumpe 10* in der erfindungs emäß weiter gebildeten Ausgestaltung gezeigt, bei welcher die

Rektifizierungskolonne 42 entfällt, so daß die Konzen tration '- _Q - der leichter siedenden Komponente des in der Verbindungsleitung 40 zum Resorber 14 über¬ strömenden Arbeitsmittels während des Betriebs der Wä pumpe 10 * in der Regel niedriger sein wird als die

Konzentration 7- _QE in der Verbindungsleitung 38. Somit würde es also zu einer Anreicherung von Ammoniak im Kreislauf XX bzw. einer Verarmung von Ammoniak im Kreislauf X kommen, wenn die Konzentrationsunter- schiede nicht - unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Mengenbilanz des zwischen den Kreisläufen I und X insgesamt strömenden Arbeitsmittels - ausgeglichen würden. Dies erfolgt bei der Wärmepumpe 10* dadurch,

da _ß niederdruckseitig zwischen den Kreisläuf n I und IX des flüssigen Arbeitsmittels eine Ausgleichsleitung 44 eingeschaltet ist, wobei ein Regelventil 46 mit steuerbarem Durchlaßquerschnitt eine Mengensteuerung des vom Kreislauf I zum Kreislauf XX überströmenden flüssigen Arbeitsmittels mit der Konzentration * ^■ } _a£ gestattet. Um einen vollständigen Mengenausgleich zwischen beiden Kreisläufen X und XX unter Berück¬ sichtigung der unterschiedlichen Konzentrationen des inden Verbindungsleitungen 38 und 40 sowie der Aus¬ gleichsleitung 44 strömenden Arbeitsmittels zu erhalte erfolgt die Steuerung des Regelventils 46 von einer zentralen Prozeßrechnereinheit 48 aus, welcher laufend Informationen über die jeweiligen Konzentrat!onewer e nn' r__ ^und ' _a _E ^aoviβ zusätzlich den Mengenstrom z des die Verbindungsleitung 40 durchströmenden Arbeits¬ mittels eingegeben und zu einem Stellsignal für die Einstellung des DurchlaßquerSchnitts des Regelventils 46 aufbereitet werden. Die Konzentrationswerte lassen sich jeweils rechnerisch über die Messung des Drucks und der Temperatur des in der jeweiligen Leitung ström Arbeitsmittels ermitteln, während der Mengenstrom des Arbeitsmittels in der Leitung 40 beispielsweise über eine Differenzdruckmessung an einer Venturi-Düse oder Drosselblende in bekannter Weise ermittelbar ist«

In Figur 2 ist ein solcher Mengenmesser in Form einer schematisch dargestellten Drosselblende 0 in der Verbindungsleitung 40 schematisch dargestellt. In gleicher Weise sind die zur Ermittlung der Konzentrati werte er orderlichen Druck- und Temperatur-Meßfühler 52 und 54 an der Leitung 40, 56 und 58 an der Leitung 38 und 60 und 62 an der Ausgleichsleitung 44 schematis angedeutet. Der im Mengezanesser 50 ermittelte Mengen-

ström z ebenso wie die an den Druck- und Temperatur- Meßfühlern ermittelten und zu einem Konzentrations¬ wert zusammengefaßten Meßwerte werden dann über die in Figur 2 gestrichtelt eingezeichneten Signal- leitungen 64, 66, 68, 70 dem Prozeßrechner 48 zugeführt. Die Steuerung des Durchlaßquerschnitts des Regelventils 46 erfolgt dann durch das im Rechner umgeformte Stell¬ signal, welches über eine Signalleitung 72 die Betätigun des Regelventils 46 auslöst. Wenn der in der Ausgleichs leitung 44 strömende Mengenstrom des flüssigen Arbeits¬ mittels mit y bezeichnet wird, ist die rechnerische Bedingung für einen kontinuierlichen Betrieb der Wärme¬ pumpe 10» gegeben durchs

Diese Gleichung für die Wärmepumpe ergibt sich unter Berücksichtigung der oben erwähnten Bedingung einer ausgeglichenen Mengen- und Konzentrationsbilanz für das zwischen den Kreisläufen ausgetauschte Arbeitsmittel in der nachstehend hergeleiteten Weise.

Massenbilan g

Setzt man (l) in (2), bekommt man

Daraus..ergibt sich

Aus (1 ) und (3 ) ist

Hieraus ergibt sich nach Umformung die oben angegebene Gleichung.

Anhand der Figuren 3 und 4, in denen der Aufbau eines konventionellen bzw. eines in der erfindungsgemäßen Wei weitergebildeten Wärmetransformators 80 bzw. 80• schematisch schaltungstechnisch dargestellt ist, ist ersichtlich, daß der vorstehend in Verbindung mit der Wärmepumpe 10* beschriebene Erfindungsgedanke auch bei nach dem Resorptionsprinzip arbeitenden Wärme rans- formatoren verwirklichbar ist.

Gemäß der in Figur 3 dargestellten Schaltung des bekannten Wä-πnetransformators 80 weist dieser wiederum zwei Kreisläufe I und II auf, in denen einerseits ein niederdrückeeitiger Absorber 82 über Leitungen 84, 86 mit einem hochdruckseitigen Entgaser 88 zu einem innere Kreislauf I von flüssigem Arbeitsmittel zusammenge¬ schaltet sind, wobei eine Lösungspumpe 90 und ein Drosselorgan 2 in den Leitungen 84 bzw. 86 vorgesehen sind. Im Kreislauf II ist ein niederdrückeeitiger Ent¬ gaser 94 mit einem hochdruckseitigen Resorber 96 über Leitungen 98, 100 zusammengeschaltet, wobei auch hier wieder eine Lösungspumpe 102 und ein Drosselorgan 104 in den Leitungen 98 bzw. 100 eingeschaltet sind. Der niederdruckseitige Absorber des Kreislaufs I und Ent¬ gaser des Kreislaufs IX sind durch eine Verbindungs¬ leitung 106 und der hochdruckseitige Entgaser des Kreislaufs I mit dem Resorber des Kreislaufs II durch

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eine Verbindungsleitung 108 miteinander verbunden. Die zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden in dem niederdruckseitig vom Entgaser 94 zum Absorber 82 strömenden gasförmigen Arbeitsmittel (Konzentration _DN ) und dem hochdruckseitig vom Entgaser 88 zum Resorber 96 strömenden gasförmigen Arbeitsmittel (Konzentration / _QH ) dienende Rektifizierungskolonne 110 ist in diesem Fall zwischen den nied-cdrucksβitigen Entgaser 94 und die Verbindungsleitung 106 geschaltet.

Als Bedingung für den kontinuierlichen Betrieb des Wärmetransformators gilt wieder, daß die Menge und Konzentration des über die Verbindungsleitung 106 vom niedβrdruckseitigen Entgaser zum niederdruckseitigen Absorber 82 strömenden Arbeitsmittels gleich der Menge und Konzentration des vom hochdruckseitigen Entgaser 88 zum Resorber 96 strömenden gasförmigen Arbeitsmittels sein muß.

Bei der in Figur 4 gezeigten Schaltung des in der erfindungsgemäßen Weise weitergebildeten Wärmetrans¬ formators 80' ist die Rektifizierungskolonne 110 des bekannten Wärmetransformators - entsprechend der in Verbindung mit Figur 2 beschriebenen Wärmepumpe 10* - durch ein rechnerüberwachtes- und -gesteuertes Ausgleichs Schaltungssystem ersetzt, indem parallel zur hochdruck¬ seitigen Verbindungsleitung 108 eine Ausgleichsleitung 112 mit einem von einer zentralen Prozeßrechnerβinheit 114 stufenlos steuerbaren Regelventil 116 zwischen den Kreisläufen I und II vorgesehen ist. Der Rechnereinheit 114 werden wiederum die über Druck- und Temperatur- Meßfühler in den Verbindungsleitungen 106, 108 und der Ausgleichsleitung 112 ermittelten Konzentrationswerte 'DU* _DH und ξ _aE zugeführt und außerdem der

Mengenstrom z des in der Verbindungsleitung 106 strömenden Arbeitsmittels. Aus den zugeführten Me߬ werten wird in der Rechnereinheit 114 wiedertun ein Stellsignal für das Regelventil 116 umgeformt, welches die Menge des über die Ausgleichsleitung 112 strömende flüssigen Arbeitsmittels in der erforderlichen Weise so steuert, daß Mengen- und Konzentrationsunterschiede in den Kreisläufen I und II ausgeglichen werden und somit ein kontinuierlicher Betrieb des Wärmetransfor- mators 80* aufrechterhalten wird.

Die für die Aufrechterhaltung des kontinuierlichen Betriebs des erfindungsgemäßen Wärmetrans ormators einzuhaltende Bedingung lautet im vorliegenden Fall also»

worin y der Mengenstrom des in der Ausgleichsleitung 112 strömenden flüssigen Arbeitsmittels mit der

Konzentration "T- _p *- ist, während !_.„ die Konzentration des in der hochdruckseitigen Verbindungsleitung 108 und 1 -rt-t die Konzentration des in der niederdruck- seitigen Verbindungsleitung 106 strömenden gasförmigen Arbeitsmittels ist.

Die Gleichung für den Wärmetransformator wird - analog zur Gleichung für die Wärmepumpe - abgeleitets

Massenbilanzs x (l) ^x (2)

Setzt man (1) in (2), bekommt man

^X DH ^{+ z} " ^x) ^aE ^{β Z} ^DN

Daraus ergibt sich

Aus (1) und (3) ist

DN - aE

7 Z - X 3 Z - z -T ⁷ ? aE woraus sich durch Umformung die oben angegebene Gleichung ergibt.