DE3212609A1

DE3212609A1 - Einrichtung mit sorptionsspeicher und kompressionswaermepumpe

Info

Publication number: DE3212609A1
Application number: DE19823212609
Authority: DE
Inventors: Georg Prof Dr Alefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-05
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1983-10-06

Description

5. April 1982 11207 Dr.ν.B/hl

Professor Dr. Georg Alefeld Josef-Raps-Straße 3, 8000 München 40

Einrichtung mit Sorptionsspeicher und Kompressionswärmepumpe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei Heizungsanlagen der Vorliegenden Art dient die Kondensationswärme eines im Kompressor komprimierten Arbeitsfluids als Desorptionswärme zum Austreiben des Arbeitsfluids aus einem Absorptionsmittel, das sich in einem Sorptionswärmespeicher befindet. Im bekannten Falle wird das ausgetriebene Arbeitsfluid vom Kompressor direkt angesaugt, komprimiert und in einem im Sorptions-Wärmespeicher angeordneten Kondensator kondensiert. Das kondensierte, flüssige Arbeitsfluid wird in einem Vorratsgefäß gespeichert. Bei Wärme- oder Kältebedarf wird das gespeicherte Arbeitsfluid durch minderwertige Wärme, wie Solar- oder Umgebungswärme, oder bei Kühlen abgeführte Wärme verdampft und das dampfförmige Arbeitsfluid wird dem Sorptionsspeicher zugeführt, wo es im Absorptionsmittel absorbiert wird und dabei Absorptionswärme erzeugt, die über einen Wärmeaustauscher aus dem Wärmespeicher entnommen und zu Heizzwecken verwendet oder wenn die Einrichtung ausschließlich zur Kühlung dient, an die Umgebung abgeführt werden kann (siehe z.B. H. Voigt: Kältemaschinenprozesse für Speicherbetrieb, Vortrag auf der Tagung des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins e.V., Lindau, 23 . Oktober 1981; und H. Stymne: Improvement of the Efficiency of Energy Transformation Processes, Utilizing a Chemical Heat Pump, Proceedings from the International Seminar on THERMOCHEMICAL ENERGY STORAGE, Stockholm 1980, Editor: G. Wettermark, Verlag: Svensk Bygqtjänst, S. 65-77)

Da nur unter ganz speziellen Bedingungen die beim Kondensieren des Arbeitsfluids freiwerdende Kondensationswärme gleich der zum Austreiben einer entsprechenden Menge von Arbeitsfluid aus dem Absorptionsmittel benötigten Desorptionswärme ist, läßt sich ein stabiler Betrieb der bekannten Einrichtungen im allgemeinen nicht erreichen. Ist nämlich die Kondensationswärme einschließlich der Uberhitzungswärme kleiner als die Desorptionswärme, so fallen Temperatur und Druck im Sorptionsspeicher, während Druck und Temperatur im Sorptionsspeicher steigen, wenn die Kondensationswärme einschließlich der uberhitzungswärme größer als die Desorptionswärme ist. Dies ist sehr ungünstig, insbesondere da die Änderungen unkontrolliert ablaufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß ein stabiler Betrieb gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

in der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Einrichtung kann als Speicher-Kühl- oder -Heizungsanlage dienen und enthält einen Energiespeicher in Form eines Sorptionsspeichers 10, der ein Absorptionsmittel enthält, in dem ein Arbeitsfluid exotherm sorbiert werden kann.

Im Sorptionsspeicher 10, der in der Praxis selbstverständ- ^ lieh mit einer thermischen Isolierung (nicht dargestellt) umgeben ist, sind ein Kondensator 12 und ein Wärmetauscher 14 angeordnet, die in engem Wärmekontakt mit dem im Sorptionsspeicher 10 enthaltenen Absorptionsmittel stehen.

Der Sorptionsspeicher 10 hat eine Einlaßleitung 16 und eine Auslaßleitung 18 für flüssiges bzw. gasförmiges Arbeitsmittel, die jeweils ein Ventil 20 bzw. 22 enthalten. Die Einlaßleitung 16 ist an einen Auslaß eines Wärmetauschers 24 angeschlossen, der ein Wärmetauscherelement 26 enthält, durch das ein Wärmeträger geleitet wird. Die Auslaßleitung 18 führt zu einem Ausgleichsgefäß 28, das ebenfalls ein Wärmetauscherelement 30 enthalten kann. Das Ausgleichsgefäß 28 hat einen Flüssigkeitsauslaß, der über eine Leitung 32, die eine Drossel 34 enthält, mit einem Flüssigkeitseinla-ß eines Vorratsgefäßes 35 verbunden ist.

Das Ausgleichsgefäß 28 hat einen Auslaß für gasförmiges Arbeitsfluid, der über eine Leitung 36 mit dem Einlaß eines Kompressors 38 verbunden ist. Der Kompressor 38 hat einen Auslaß, der mit dem Einlaß des Kondensators 12 verbunden ist. Der Auslaß des Kondensators 12 ist über eine Leitung 40, die eine Drossel 42 enthält, mit einem Flüssigkeitseinlaß des Ausgleichsgefäßes 28 verbunden.

Beim Stand der Technik fehlt das Ausgleichsgefäß 28, die Leitung 18 ist direkt mit dem Einlaß des Kompressors verbunden und die Leitung 40 führt direkt zum Vorratsgefäß 35.

Das Ausgleichsgemäß 28 dient a) zur Stabilisierung der Temperatur- und Druckverhältnisse im Sorptionsspeicher 10, Dies geschieht dadurch, daß am Wärmetauscherelement 30 je nach den Betriebsbedingungen bzw. der Konstruktion der Anlage überschüssige Wärme abgeführt oder fehlende Wärme zugeführt wird. In der Praxis regelt man die Wärmezufuhr oder Abfuhr durch das Wärmetauscherelement 30 so, daß die Bedingung n~Q = η ..Q, erfüllt ist, was durch Regelung des Verhältnisses von H₂Zn₁ immer erfüllbar ist, selbst wenn sich Q^ im Laufe des Prozesses ändert.

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n₁ bedeutet dabei den Arbeitsfluidstrom in der Auslaßleitung 18 des Sorptionsspeichers 10 und n2 den Arbeitsfluidstrom in der Einlaßleitung 36 des Kompressors 38; Q die Kondensationswärme einschließlich der Überhitzungswärme und Q, die Desorptionswärme pro Masseeinheit.

b) Das Ausgleichsgefäß dient weiterhin zur Abkühlung des aus dem Sorptionsspeicher 10 ausgetriebenen, überhitzten gasförmigen Arbeitsfluids, bevor dieses vom Kompressor 38 angesaugt wird.

c) Das Ausgleichsgefäß ermöglicht ferner, daß gasförmiges Arbeitsfluid, das beim Entspannen der kondensierten Flüssigkeit in der Drossel 42 entsteht, vom Kompressor 38 gleich wieder angesaugt werden kann.

Das Wärmetauscherelement 30 kann entfallen, wenn man die Temperatur im Ausgleichsgefäß 28 und damit den Ansaugdruck über den Desorptionsdruck im Sorptionsspeicher 10 sich so einstellen läßt, daß sich der Kompressionswirkungsgrad entsprechend dem Arbeitsfluidstrom n₂ so anpaßt, daß die Wärmebilanz im Sorptionsspeicher 10 ausgeglichen ist. Da im allgemeinen die Kondensationswärme von nicht überhitztem Dampf kleiner ist, als die Desorptionswärme, hängt die Wärmebilanz im Sorptionsspeicher 10 und damit im Ausgleichsgefäß 28 von der durch den Kompressor 38 erzeugten Uberhitzungswärme und damit vom Druckverhältnis und Wirkungsgrad des Kompressors ab.

Die beschriebene Einrichtung arbeitet folgendermaßen:

Zum Aufladen des Sorptionsspeichers 1 0 , was zweckmäßigerweise zu Schwachlastzeiten des Stromversorgungsnetzes, also z.B. nachts, geschieht, wird das Ventil 22 geöffnet, das Ventil 20 geschlossen und der Kompressor 38 eingeschaltet. Der Kompressor 38 saugt den Arbeitsfluidstrom n~

aus dem Ausgleichsgefäß 28 an und komprimiert das Arbeitsfluid. Das komprimierte und dabei erhitzte Arbeitsfluid wird im Kondensator 12 kondensiert und gibt dort seine Überhitzungs- und Kondensationswärme an das Sorptionsmittel im Sorptionsspeicher 10 ab, wodurch Arbeitsfluid ausgetrieben wird. Der ausgetriebene Arbeitsfluidstrom n- wird über die Leitung 18 in das Ausgleichsgefäß 28 eingeleitet und gibt dort die Uberhitzungswärme ab. Das im Kondensator 12 verflüssigte Hochdruckgas wird in der Drossel 42 auf den Druck entspannt, mit dem aus dem Speicher ausgetrieben wird bzw. mit dem der Kompressor 3 8 ansaugt. Zum Ausgleich der Wärmebilanz kann, wie erwähnt, über den Wärmetauscher 30 Wärme zu- oder abgeführt werden. Überschüssiges, verflüssigtes Arbeitsfluid strömt über die Drüssel 34 in das Vorratsgefäß 35.

Im Sorptionsspeicher 10 wird durch das Austreiben des Arbeitsfluids aus dem Absorptionsmittel Desorptionswärme gespeichert, außerdem wird im Absorptionsmittel spezifische Wärme gespeichert. Die spezifische Wärme kann nach Beendigung des Austreibens über den Wärmetauscher 14 entnommen und nutzbar gemacht werden.

Die Desorptionswärme ist eine latente Wärme und kann daher ohne aufwendige Wärmexsolationsmaßnahmen über praktisch beliebig lange Zeiten gespeichert werden.

Nach Beendigung der Aufladung des Sorptionsspeichers wird das Ventil 22 geschlossen und der Kompressor 38 abgestellt.

Wenn dann die Sorptionswärme aus dem Sorptionsspeicher entnommen und/oder Kälte im Verdampfer 4 4 und/oder im Wärmetauscher 26 erzeugt werden soll, wird das Ventil 20 geöffnet und dem Wärmetauscher 24 wird über das Wärmetauscherelement 2 6 minderwertige Niedertemperaturwarme oder abzuführende Wärme zugeführt, die das flüssige Arbeitsfluid erwärmt.

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Das flüssige Arbeitsfluid vom Auslaß des Wärmetauschers 24 wird einem Verdampferraum 4 4 zugeführt, der ein Wärmetauscherelement 46 enthält. Normalerweise genügt es, entweder den Wärmetauscher 24 oder das Wärmetauscherelement 46 für die Wärmezufuhr vorzusehen. Das im Raum 44 nicht verdampfte Arbeitsfluid fließt durch eine Leitung 48 in ein Vorratsgefäß 50, aus dem es durch eine Leitung 52, die eine Pumpe 54 enthält, wieder zur Eingangsleitung 16 gefördert wird. Der Verdampfer arbeitet also als Umlaufverdampfer.

Das Vorratsgefäß 35 ist über eine Leitung 56, die ein Regelventil 58 enthält, mit einem Nachfülleingang des Vorratsgefäßes 50 verbunden. Das Regelventil 58 wird durch einen im Vorratsgefäß angeordneten Schwimmer oder dgl. so gesteuert, daß das im Speicher 10 absorbierte Arbeitsfluid ergänzt wird.

Die Entstehung von Sorptionswärme im Sorptionsspeicher 10 kann über die Wärmezufuhr zum Verdampfer 24 und/oder das Ventil 20 und/oder die Förderleistung der Pumpe 54 geregelt werden. Die freigesetzte Sorptionswärme kann wieder über den Wärmetauscher 14 entnommen werden.

Anstatt flüssiges Arbeitsfluid im Verdampferraum 44 des Umlaufverdampfers zu verdampfen, kann auch der Wärmetauscher 24 als Verdampfer verwendet werden. Das flüssige Arbeitsfluid aus dem Vorratsgefäß 35 wird dann über eine Leitung 60 einer Drossel 62 zugeführt, dort entspannt und über eine Leitung 16' im gasförmigen Zustand in den Sorptionsspeicher 10 eingespeist. Die Drossel 62 kann als Regelventil ausgebildet sein.

Der Sorptionsspeicher 10 kann zusätzlich Heizvorrichtungen 64a bis 64c zur Wärmezufuhr enthalten, um ein Absorptionsmittel, das mit dem Arbeitsfluid ein Lösungsfeld bildet,

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weiter ausgasen zu können, als es durch die Kondensationswärme im Kondensator 12 alleine möglich ist. Die Heizvorrichtungen 64a bis 64c werden längs des Weges des im Kondensator 12 kondensierenden Arbeitsfluids angeordnet und während des Austreibens sukzessive eingeschaltet, um die Desorption zonenweise zu vervollständigen. Die Kondensationswärme des durch die Heizvorrichtungen zusätzlich ausgetriebenen Arbeitsfluids wird über den Wärmetauscher 3 0 abgeführt.

Beispiele geeigneter Arbeitsmittelsysteme sind:

Absorptionsmittel	Arbeitsfluid
Zeolithe	H₂O, NH₃, Frigene,
Silicagel	^H2°
Gemische aus Zeolith und
Silicagel	H₂O
AlO(OH)	H₂O
CaO	H₂O

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Claims

DR. DIETER V. BEZOLD

DIPL. ING. PETER SCHÜTZ

DIPL. ING. ¹WOLFGANG HEUSLER

MARIA-THERF.SIA-STRASSH 22 POSTFACH S6 02 60

D-8OOO MUENCHEN 86

ZUGELASSEN BEIM EUROPAISCHEN PATENTAMT

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIIiES EN BREVETS EUROPEEh

TELETON 009/4 70 60 TELEX 522 638

TELEGRAMM SOMBCZ

5. April ₁₉₈₂ Dr.v.B/hl - 11207

Professor Dr. Georg Alefeld Josef-Raps-Straße 3, 8000 München 40

Einrichtung mit Sorptionsspeicher und Kompressionswärmepumpe

Patentansprüche

Γ 1 Λ Einrichtung mit einem Sorptionsspeicher (10), der ein ^-—' Absorptionsmittel zum reversiblen, exothermen Absorbieren eines Arbeitsfluids enthält, einem im Sorptionsspeicher angeordneten Kondensator (12) zum Verflüssigen von gasförmigem Arbeitsfluid unter Erzeugung von Kondensationswärme zum Austreiben von absorbiertem Arbeitsfluid aus dem Absorptionsmittel, einem Kompressor (38), der einen mit einem Arbeitsfluidauslaß (18) des Sorptionsspeichers (10) gekoppelten Einlaß - (36) und einen mit einem Einlaß des Kondensators (12) gekoppelten Auslaß aufweist; einem Verdampfer (44), der einen mit einem Auslaß (40) des Kondensators (12) über ein Arbeitsfluid-Vorratscrefäß (35) gekoppelten Einlaß für flüssiges Arbeitsfluid sowie einen mit einem Arbeitsfluideinlaß des Sorptionsspeichers (10) gekoppelten Auslaß hat, und einer zwischen den Auslaß des Kondensators (12) und

POSTSCHECK MÖNCHEN NR. 691 4S-800

BANKKONTO MYPOBANK MÜNCHEN (UUZ 700 200 401 KTO. 60 6025737Ü SWIFT H V PO OE h

■-.'-. . J Z I Z b U a

den Flüssigkeitseinlaß des Verdampfers (4 4) geschalteten Drossel (42), gekennzeichnet durch ein Ausgleichsgefäß (28), das einen Gaseinlaß, der mit dem Arbeitsfluidauslaß (18) des Sorptionsspeichers (10) gekoppelt ist, einen Gasauslaß (36), der mit dem Einlaß des Kompressors (38) gekoppelt ist, einen Flüssigkeitseinlaß, der über die Drossel (42) mit dem Kondensator (12) gekoppelt ist, und einen Flüssigkeitsauslaß (32), der über eine zweite Drossel (34) mit dem Vorratsgefäß (35) gekoppelt ist, aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgleichsgefäß einen Wärmetauscher (30) zum Wärmetausch mit einem Wärmeträger enthält.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Vorratsgefäß (35) und dem Verdampfer (44) eine weitere Drossel (58) geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdampfer als Umlaufverdampfer ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Sorptionsspeicher zusätzliche Heizvorrichtungen (64a, 64b, 64c) enthält, die längs des Weges des im Kondensator (12) strömenden Arbeitsfluids angeordnet sind.