ABSORPTION HEAT PUMP

Abstract: In the heat pump the solvent is comprised of a water absorbing solvent in the form of an aqueous solution of a plurality of different metal salts, and the heat conveying agent is a condensate of water vapor from a source external to the heat pump and formed in one or a plurality of absorbers. A regenerator (5) intended to expel water condensed in the solvent is used alone or in collaboration with solvent coolers to form a vapor regenerator for a user (6, 7) external to the heat pump. Said heat pump enables to use the potential of water and the naturally wet water heat by means of an absorbent condensation and by using the absortion heat and the solar radiation heat. The utilisation field of the heat pump extends on a gain temperature range of 10<o> C up to a useful temperature of 180<o> C. Sources of latent and natural heat or transformed into such sources may be thereby exploited.

Description: BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine AbsorPtionswärmepumpe mit einem im geschlossenen Kreislauf über wenigstens einen Absorber (Ic),einen Regenerator (R) und einen Lösungskühler (K2) geführten Lösungsmittel und einem vom Lösungsmittel absorbierbaren Wärmemittel und aus diesem wieder austreibbaren Wärmemittel. Bisher bekannte Absorptionswärmepumpen arbeiten meist mit einem Wasser-Ammoniak Gemisch,wobei ammoniakhältiges Wasser als Lösunesmittel und Ammoniak als Wärmemittel dient und sowohl das Lösungsmittel als auch das Wärmemittel in eschlossenen WÅarmeDumpeninternen Kreisläufen beführt werden. Diese AbsorptionswärmepumPen sind daher auch gewissermassen wärmeseitig genutzte Absorptionskältemaschinen, die jeweils einen als Kühlwärmetauscher wirkenden VerdamDfer für das ausgetriebene und kondensierte Wärmemittel aufweisen, wodurch der wesentliche Nach teil entsteht, die auf höheres Temperaturniveau zu -"Dumpende" Wärme allein durch die VerdamDferfläche in Abhängigkeit der Temperatur- differenz zwischen Wärmeouelle und "kalt"- verdampfendem Wärmemittel aufnehmen zu können Dadurch bleibt die Anwendung dieser bekannten Wärmepumpen relativ unwirtschaftlich, wozu noch kommt, dass das wärmeDumpenintern im geschlossenen Kreislauf geführte Wärmemittel eine direkte Nutzung bereits dampfförmiver Wärmeouellen einerseits und die wärmeDumpenexterne Verwendung des im Regenerator entstehenden Dampfes andererseits ausschliesst. Zur Vermeidung dieser Nachteile ist bei einer AbsorDtionswärme- pumpe der eingangs geschilderten Art erfindunzsgemäss als Lösungsmittel ein wasserabsorbierendes Lösungsmittel in Form einer wässerigen Lösung von Lithium bromid- oder chlorid, jeweils gemischt mit -Calziumbromidoder chlorid und Zinkbromid- oder chlorid und als Wärmemittel (Arbeitsmedium) das absorntiv gebildete Kondensat aus Wasserdampf allein, wie z.B. Brüden aus natürlichen Thermalauellen, geothermischen Ouellen, technischen Prozessen z.B. Salzzewinnunn, ZuckerDroduktion, Milchtrocknung u.s.w.' oder aus dessen Gemisch mit Luft, insbesondere natürlicher Umgebungsluft, oder aus Trocknungsabluft vorgesehen, wobei der Regenerator (R) zum Austreiben des vom Lösungsmittel absorptiv kondensierten Wassers für sich allein oder gemeinsam mit jedem als Dampfgefäss ausneführten Lösungskühler (K2) einen Dampferzeuger für einen Dampfturbinengenerator (21c),(22c) , eine Wassergewinnungsanlage (6c), (7c), oder dgl. bildet. Günstig ist es dabei,.wenn erfindungsgemäss als Wärmemittel (Arbeitsmedium) Abluft aus einem Hallenschwimmbad oder dgl. vorgesehen ist, wobei vorzugsweise der im Regenerator (R) erzeugte Dampf nach seiner Kondensierung dem Badewasser zugemischt wird, oder wenn als Wärmemittel (Arbeitsmedium) Abluft aus einer Trocknungsanlage vorgesehen ist, wobei der im Regenerator (R)- erzeugte Dampf als Heizmedium der Trockenanlage zugeführt wird. In einer besonders zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung kann weiters als Wärmemittel Abdampf einer Kraftwerks-,insbesondere Turbinenanlage, vorgesehen sein, wobei vorzugsweise der im Regenerator (R) erzeugte Dampf gegebenenfalls nach einer Überhitzung als Antriebsdampf in die Anlage eingespeist wird, da so ein üblicher Kondensator zum Kondensieren des Abdampfes vermieden wird, indem bei Dampfkraftwerken der grösste und wegen der damit verbundenen Umweltbelastunp auch unerwünschteste Wärmeverlust auftritt. Um z.B. auf wirtschaftliche Weise primäre Strahlungswärme und sekundäre Solarenergie in Form der Luftfeuchtigkeit zur Gewinnung mechanischer Energie ausnützen zu können, führt erfindungsgemäss der Lösungsmittel-Kreislauf über mehrere, vorzugsweise drei Absorber und einen gemeinsamen, wahlweise nach Aufnahme solarer Strahlungswärme mittels Kollektor (31) im Wege der Lösung beheizten Regenerator (R) und als Wärmemittel ist absorptiv gebildetes Kondensat aus feuchtwarmer Um gebungsluft vorgesehen, wobei der im Regenerator und wahlweise in den als Dampfgefäss ausgebildeten Lösunp,skühler erzeugte Dampf einem Turbinengenerator zugeleitet wird Bei der erfindungsgemässen Absorptionswärmepumpe wird nur das Lösungsmittel im geschlossenen Kreislauf gefuhrt, nicht aber das Wärrnemittel (Arbeitsmedium), das sozusagen nach seinem Austreiben aus dem Lösungsmittel das eigentliche Wärmepumpensystem verlässt, was auch die Ausnutzung einer externen, bereits dampfförmigen Wärmequelle erlaubt. Der Wärmeübergang-erfolgt somit aus der dampfförmigen Wärmequelle bei gleichzeitigem Stoftübergang im Absorber, und zwar auf Grund der Dampfdruck differenz zwischen der Absorberflüssigkeit bzw. deren Dampf und dem der Wärmequelle. Da letzterer Druck ein Vielfaches gegenüber dem von Kaltdampf beträgt, kann auch die Temperatur bzw. der Dampfdruck der Absorptions flüssigkeit ein Vielfaches der Wert bekannter Absorptionswärmepumpen betragen. Dieser entscheidende Vorteil erlaubt es, z.B. die aus Dampfkraftwerken im Abdampf anfallende, bisher nicht mehr nutzbare Verdampfungswärme im Abdampf auf exergetisch nutzbarem Temperaturniveau ohne externe Wärmeabführung zurückzugewinnen. Der w-rfindungsregenstand wird an Hand der Zeichnung noch näher erläutert, in der die Figur lbis 4 Anlagenschemata verschiedener Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Absorptionswärmepumpe zeiten In Fig. 1 ist an Hand eines Hallenschwimmbades die Anwendung der erfindungsgemässen Absorptionswärmepumpe bei einer Anlage mit einem Wärme- aber keinem Kühlbedarf veranschaulicht.. Als Wärmemittel (Arbeitsmedium) für die Absorptionswärmepumpe dient Abluft aus dem Hallenschwimmbad B,die mit einer Temperatur von ca. 320C und 60% relativer Feuchtigkeit über einert Ventilator 1 einem Absorber 2 zugeführt wird, wo ein Lösugsmittel, beispielsweise Lithiumchloridlösung, die Feuchtigkeit der Abluft absorbiert. Dieses Lösungsmittel gelangt mittels der Lösungspumpe 3 aus dem Absorber 2 über einen Wärmetauscher 4 in den direkt befeuerten Regenerator 5, wo es auf 1800C aufgeheizt und die Feuchtigkeit als Wasserdampf ausgetrieben wird. Das heisse Lösungsmittel strömt aus dem Regenerator 5 über den Wärmetauscher 4, in dem es das dem Regenerator 5 zufliessende gesättigte Lösungsmittel auf 1600Cvorwärmt, in den Absorber 2 zurück. Der aus dem Regenerator ausströmende 1800-ige Wasserdampf gibt über einen Luft/Dampf Wärmetauscher 6 Wärme an die Umluft ab und das 40 bis 500-ige Kondensat wird dem Beckenwasser vor einer Filteranlage 7 wieder beigemischt. Die feuchte Abluft aus dem Hallenbad B wird im Absorber 2 getrocknet, so dass die den Absorber 2 verlassende trockene Luft als Umluft dienen kann und über den Wärmetauscher 6 der Lüftungsanlage des Bades rückgefuhrt wird, wobei dann nur ein entsprechender Frischluftanteil zur Abdeckung der vorgeschriebenen Frischluftrate dem Zuluftgerät beizumischen ist. Der mit dem heissen Wasserdampf beaufschlagte Wärmetauscher 6 liesse sich natürlich statt zur Luftwärmung genauso gut für eine Brauchwasserbereitung oder fur andere Heizzwecke heranziehen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist eine erfindungsgemässe Absorptionswärmepumpe bei einer Trockenanlage eingesetzt. Die als Wärmemittel (Arbeitsmedium) dienende Abluft dieser Ttocknungsanlage T mit einer Temperatur von ca. 800C und 60% relativer Feuchtigkeit wird über ein Filter la und einen Ventilator 2a dem Absorber 3a zugeführt. Im Absorber wird mittels des Lösungsmittels Feuchtigkeit entzogen und die trockene Luft/Dampf-Wärmetauscher 6a wieder der Trocknungsanlage bzw. dem Trocknungsprozess zugeführt, - wobei Frischluft nur zur Deckung der Leckverluste erforderlich ist. Das Lösungsmittel gelangt seinerseits mit ca. 1200C aus dem Absorber 3a über einen Lösungsmittel-Wärmetauscher 4a, wo es auf ca. 1600C aufgeheizt wird, in den Regenerator 5a. Hier wird das Lösungsmittel über eine externe Energiezuführung auf 1800C aufgeheizt und der austretende Dampf mit 1800C/I bar wird zur Luftwärmung über den Luft/Dampf-Wärmetauscher 6a geführt. Der Dampf kondensiert bei der Wärmeabgabe an die Umluft und wird mit ca. 600C wieder der Trocknungsanlage T zugeführt. Damit ist die Trocknung, beispielsweise die Papier oder Wäschetrocknung, unabhängig vom Aussenluftzustand und die Rückgewinnung der Trocknungswärme ohne systemexterne Einrichtungen möglich. Im Anführungspeispiel nach Fig. 3 ist die Abdampfverwertung durch eine erfindungsgemässe Absorptionswärmepumpe bei einer Kraftwerksanlage dargestellt. Vom Kessel lb,-beispielsweise einem Siedewasserreaktor, strömt Dampf mit z.B. 85 bar/5400C durch die Hauptdampfleitung 2b zur Hauptturbine 3b und wird.in dieser auf den Zustand 16 bar 2000C abgearbeutet. Durch die Abdampfleitung gelangt der Dampf in das Heizrohrbündel des Regenerators 4b, in dem sich 70%-ige Lösung mit der Temperatur von 1800C/1 bar befindet Unter Abgabe der zum Regenerieren erforderiichen Warme erreicht der Dampf bei Austritt aus dem Heizungsrohrbündel den Sättigungszustand von 1800C/l0 bar und gelangt zum Überhitzer 5b, wo er den mit 1000C/1 bar aus dem Dampfgefäss 6b kommenden Dampf auf 1800C überhitzt. Anschliessend gelangt der Dampf zum Heizungsrohrbündel dieses Dampfgefässes 6b, um das dort befindliche Reinwasser (Kondensat) auf 1000C/1 bar aufzuheitzen. Der hiebei kondensierende Dampf wird über eine Kondensatpumpe 13b in ein Kondensatsammelgefäss 14b gepumpt, das an den Kessel lb bzw. das Dampfgefäss 6b angeschlossen ist. Der im Dampfgefäss erzeugte Dampf von 1 bar strömt über die Dampfleitung 7b durch den Überhitzer 5b und erreicht mit 1800C/l bar die als Gleichdruckturbine ausgeführte Niederdruckturbine 8b. Aus dem Abdampfstutzen der Niederdruckturbine strömt der Dampf nach Abarbeiten der Temperatur von 1800C/1 bar in den mit einer 1800-igen Lösung beheizten Überhitzer lib und gelangt mit dem Zustand l600Cauf 1000C/1 bar und anschliessend gelangt der Dampf in den Absorbrer lOb. Hier wird die Lösung durch laufende Abgabe der Lösungswärme im Überhitzer leib, durch den die Lösung gepumpt wird, auf 1800C/1 bar gehalten. Aus dem Absorber lOb wird nähnlich die Lösung mittels Lösungspumpe 12b dem Dampfüberhitzer lib und paralell zu diesem dem Regenerator 4b zugeleitet. Der heisse Lösungsstrom, der natürlich auch in einem eigenen Kreis durch den Überhitzer llb geführt werden könnte, wird im Überhitzer llb unter Angabe der Überhitzungswärme an den zur Turbine 9b strömenden Abdampf gekühlt. Im Regenerator 4b wird die Lösung durch den -Abdampf der Hauptturbine 3b auf 1800C aufgeheizt und der entstehende Dampf wird in die Dampfleitung zur Niederdruckturbine 8b eingespeist. Durch eine solche Anwendung des Absorptionswärmeprinzips, nach dem der Abdampf anstatt unter Abkühlung in einem Kondensator zu kondensieren, im Absorber ohne Abgabe von Prozesswärme unter Temperaturerhöhung kondensiert bzw. absorbiert wird, ist ein Kondensationsdainpfkrat- werk unabhängig vom Kühlwasser, und es entfallen somit bei der Standortwahl alle das Kühlwasser und die Wärmebelastung der Umwelt betreffenden Aspekte. Fig. 4 zeigt den besonders zweckmässigen Einsatz einer erfindungsgemässen Absorptionswärmepumpe zur Energie- und Wassergewinnung aus feuchter Umgebungsluft. Ein Ventilator 5c saugt warmfeuchte Umaebungs- luft z.B. vom Zusatnd 50 C/80% relative Luftfeuchtigkeit an und fördert sie durch den Eintrittsstutzen 10c in den Absorber lc, wo sie nach Kontakt mit der durch diegeordneten Packungen llc verteilten Lösungen von 1100C unter Wärmeentwicklung auf 120 t ihre Feuchtigkeit abgibt. Durch den Austrittsstutzen 12c verlässt die entfeuchtete Luft den Absorber lc . Die verdünnte Lösung von 1200C wird durch die Umwelzpumpe 13c aus dem Absorber Ic abgesaugt und strömt durch die Leitung 14c zum Lösungskühler Kl. Durch die Abgabe der Absorptionswärme wird das durch das Rohr 16c in den Kühler eintretende Wasser verdampft, welcher 11O0-ige Dampf durch die Leitung 17c und dem Eintrittstutzen 27c in den zweiten Absorber 2c strömt, wo er von der aus dem Lösungskühler K2 durch das Rohr 18c kommenden Lösung von 1100C absorbiert wird. Die warme Lösung von 1800C gelangt durch das Rohr 19c zurück in die Leitung 14c, doch könnte statt dieser Einbindung auch ein Wärmetauscher vorgesehen sein, was allerdings ein zweites Leitungspaar erforderlich machen würde. Da erfindungsgemäss nicht auf eine Kälteleistung in einem Verdampfer Rücksicht zu nehmen ist, hat die möglichst einfache Anlagentechnik den Vorrang vor allfälligen Mischungs und/oder internen Wärmeverlusten, welche Verluste zwangsläufig dem Gesamtsystem zugutekomrrien über die damit in den Lösungskühlern entwickelten Dampfmengen zur Wärmeentwicklung unter Temperaturerhöhung führen. Entscheidend ist dabei, dass alle Lösungsteilmengen im Regenerator R bei der höchsten im System auftretenden Temperatur (bis zu 1800C) regeneriert,d.h. konzentriert werden und der dabei entstehende.Dampf (18000/1 bar) durch das Rohr 23c einem Dampfturbinengenerator 21c, 22c, zugeteilt werden kann. Nach Kondensation in einem vorzugsweise luftgekühlten 500C/ 80% -Kondensator 6c sammelt sich das Wasser im Behälter 7c, wo es mittels der Pumpe 24c zu den Lösungskühlern gefördert, ausgeschieden, einer elektrolytischen Wasserstofferzeugung mittels des aus dem Turbogenerator stammenden Stromes zu geführt oder einer Trinkwasseraufbereitung zugeleitet werden kann. Im Regenerator R fungiert die aus dem Absorber 3c mittels Umwälzpumpe 26c abgesaugte heisse Lösung von 18500 als Heizmedium, das durch Abgabe der Absorptionswärme der Lösung aus dem Absorber 3c über die Heizfläche der Heizschlange 30c im Regenerator R die aus den Absorbern Ic und 2c kommende verdünnte Lösung zum Kochen bringt. Gleichzeitig muss aber auch das Heizmedium, die im Absorber 3c verdünnte heisse Lösung, ausgekocht bzw. regeneriert werden, was durch Zumischung dieser dünnen Lösung zur konzentrierten Lösung im Regenerator R durchgeführt wird. Dieser Vorgang erfolgt nach zunächst indirekter Wärmeabgabe an die kühlere Lösungsmenge, wobei die irreversible Mischungswärme der Antriebsdampferzeugung zugutekommt. Die konzentrierte Lösung gelangt aus dem Regenerator R über die Rohrleitung 28c mittels der Pumpe 25c zur endgültigen Abkühlung auf 1100C in den Lösungskühler K2 und von da zu den Absorbern lc, 2c, 3c zurück. Der Nutzanwendungsbereich des Erfindungsgegenstandes wird wesentlich erweitert durch die Verwendung von Dampf aus technisch für den Wärme- und/oder Stoff-Transport benutztem Wasser, z.B. Gas- oder Luftreinigungskreisläufen, Kühltürmen, Kondensatoren, Kraftwerken usw., als Wärmemittel (Arbeitsmedium) für die erfindungsgemässe Wärmepumpe. Hierzu wird das Wasser in eine evakuierte Trennkolonne oder dgl. geleitet, wo Dampf entsteht und gelöste Gase, Luftsauerstoff usw. über die Vacuumpumpe entfernt werden. Der Dampfraum der Trennkolonne steht mit dem Absorptionsraum eines oder meherer Absorber lc in Verbindung, wo der Dampf absorbiert wird und als absorptiv gebildetes Kondensat, in den Wärmepumpenkreislauf eingeht. Analog gilt die Erweiterung des Anwendungsbereiches auch für natürlich, geothermisch erw & mtes Wasser (Thermalwasser). Zusätzlich zur Nutzung der aus dem Wärmemittel aufRenommenen, latenten Wärme wird die Leistungstahigkeit der erfindungsgemässen Wärmepumpe erhöht, durch Zuführung bzw. Übertragung sensibler Wärme an den Lösungskreislauf z.B. an die Lösung vor Eintritt in den Regenerator R . Diese Zuführung sensibler Wärme ist generell von Vorteil, insbesondere aber für die grosstechnische Wasserstoffproduktion mittels Elektrolyse, da der sensible Wärmeeinsatz in Verbindung mit der aus dem Wärmemittel gewonnenen, latenten Wärme die Verluste aus dem Energieübertragungsw eg Wärmepumpe-Turb inengenerator-Elektrolyseeinrichtung 21c, 22c, 6c, 7c, deckt bzw. überwiegt, womit die grosstechnische Wasserstoffproduktion mittels erfindungsgemässer Nutzung sekundärer Solarenergie in Form natürlicher Luftfeuchte als Wärmemittel und/oder primärer, sensibler Strahlungswärme mittels Kollektor 31,oder sonstigem Heizkörper, wirtschftlich realisiert werden -kann. In weiter Ausgestaltung der Erfindung lassen sich unversiegliche Primär-Energiequellen z.B. Wasserkraft für Stromerzeugung (elektrothermische, sensible Wärme), mitunversieglicher Sekundär-Energiequellen z.B. geothermisch erwärmtes Wasser (Thermalwasser) zur grosstechnischen Wasserstoffproduktion nutzen, wodurch Kohlenwasserstoffe als Energieträger ersetzt werden können. Erfindungsgemässe Beimischung der Halogenide verschiedener Metalle, insbesondere von Calziumbromid und Zinkbromid zum Lithiumthiumhalogenid ( Chlorid oder Bromid ) bewirkt eine Senkung des Dampfdruckes über der Absorptionslösung una-ermög'l-isht-höhere Betriebstemeraturen im Absorber und Regenerator. Diese, gegenüber reinen Lithiumbromid-u./o. Chlorid-Lösungen günstigeren chemisch-physikalischen und thermodynamischen Eigenschaften der vorangeführten Mischungen,vorzugsweise in molaren Verhältnissen, erweitern den Nutzungsbereich der erfindungsgemässen Wärmepumpe hinsichtlich niedrigerer Wärmemitteltemperaturen, als auch höherer Nutzungstemperaturen (Nutzwärme- niveau). Technisch-wirtschaftlich nutzbar ist etwa der Temperaturbereich von 200C des Wärmemittels (Arbeitsmedium) bis zu ca. 2500C der Nutzwärmetemperatur, entsprechend sattdampf von ca. 40 bar aus einem der Lösungskühler u./o. einem in den Warmepumpenkreislauf eingebundenen Wasserdampfentwickler wie z.B. mittels Wärmeträgeröl beheiztem Dampfgenerator oder dergleichen.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. AbsorptionswärmeDumPe gekennzeichnet durch Kondensat als Wärmemittel (Arbeitsmedium), absontiv gebildet aus WärmenumDenexternen Dampfquellen wie Maschinendampf, Brüden aus natürlichem Thennalwasser. technisch für den Wärme und/oder Stofftransnort genutztem Wasser aus Produktionsorozessen wie Salzgewinnung, Zuckerraffinerie und dgl. oder Dampf aus natürlicher Umgebungsluft oder dgl. Gemischen im Zusammenwirken mit mehereren, verschiedenen Metallsalzen, insbesondere Zinkbromid-od. chlorid und Calziumbromid-od. chlorid und Lithiumbromid-od. chlorid in Form wässeriger Lösung als Absorptionsflüssigkeit im Kreislauf geführt über einen oder mehere Absorber (1c) (2c) (3c) mit jeweils zugeordnetem, hierzu als Damofgefäss ausgeführtem Lösungskühler K1 mit (ic) K2, mit (3c) und dem gemeinsamen, im Wege der Lösung mittels Heizkörper (31), Solarkollektor beheiztem Regenerator (R) dessen Regenerations damnf für sich allein und/oder mit Dampf aus einem Lösungskühler K1. K2. einem Dampfverbraucher und das nach Kondensator (6c) anfallende im Behälter (7c) gesammelte Kondensat teilweise externer Wasserverwendung zugeleitet wird. 2. Wärmepumpe nach AnsDruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass Quellenwärmeträger in flüssigem Agregatzustand wie natürlichem Thermalwasser. Industrieabwässer und dgl. über ein permanent evakuiertes Entoasunosgefäss geleitet wird, dessen Dampraum mit einem oder meheren Absorbern in Verbindung steht. 3. Absorptionswärmepumpe nach Anspruch 1.. dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmemittel der Wasserdamnf aus feuchter Trocknungsabluft dient. 4. Absontionswärmepumpe nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet dass. als Wärmemittel der NYasserdampf aus der Abluft von einem Hallenschwimmbad insbesondere Thermalhallenbad dient.

Inventors: SONNLEITNER, ENGELBERT
Applicants: SONNLEITNER, DIETMAR, DR., SONNLEITNER, INGOLF
Application year: 1984
Main classification: F01K25
IPC codes: F01K25, F24F5, F25B29