Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Nutzung von bei niedriger Temperatur aufgenommener Wärme, die unter Zwischenschaltung einer mehrstufigen Absorptionswärmepumpe bei einem höheren Temperaturniveau an einen . Wärmeverbraucher abgegeben wird.

Ein Verfahren dieser Art ist bekannt aus der DT-OS 27 43 488. Bei diesem bekannten Verfahren zur Nutzung von Sonnenenergie für Raumheizung wird die vom Solarkollektor aufgenommene Wärme von einem im Solarkollektor verdampfenden Kältemittel einer armen Lösung eines Arbeitsstoffpaares zu einem mit reicher Lösung betriebenen ersten Absorber transportiert, von dem die in ihm erzeugte Absorptionswärme einem Heizungskreislauf zugeführt wird. Bei dem bekannten Verfahren wird die arme Lösung eines Arbeitsstoffpaares zur Aufnahme der Niedertemperatur- wärme durch den Solarkollektor geführt und das dort verdampfende Kältemittel der reichen Lösung des Arbeitsstoffpaares im Absorber zugeführt. Zur Regeneration der dem Sonnenkollektor zugeführten armen Lösung und der dem Absorber zugeführten reichen Lösung sind mehrere Austreiberstufen und Resorberstufen notwendig sowie auch Pumpen, welche die arme Lösung dem Sonnenkollektor und die reiche Lösung des Arbeitstoffpaares dem Absorber zuführen.

Bei dem bekannten Verfahren besteht der Nachteil, daß das Arbeitsstoffpaar beispielsweise Wasser als Kältemittel und wässrige Lithiumbromidlösung als flüssiger Absorptionsstoff dem Kollektor zugeführt wird. Aus diesem Grunde bestehen relativ hohe Materialanforderungen an Kollektor, den zu- und abführenden Leitungen sowie an Pumpen und Ventilen, welche mit dem Arbeitstoffpaar in Berührung kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Nutzung von bei niedriger Temperatur aufgenommener Wärme zu schaffen, welche-die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet, das wirtschaftlicher und betriebssicherer arbeitet als die bekannten Verfahren und das mit einfach gestaltetem und geringem Aufwand herstellbaren sowie in ihrem Betrieb wenig Geräusch verursachenden Vorrichtungen durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Wärmeträgerstrom,zum Beispiel Wasser oder öl,

• a) durch eine Niedertemperatur-Wärmequelle geführt wird und dort Wärme aufnimmt und
• b) anschließend nacheinander mehrere in der Temperatur steigende Absorptionsstufen der Absorptionswärmepumpe durchläuft und dabei Absorptionswärme aufnimmt und sich bis auf eine für Wärmeverbraucher erforderliche Temperatur aufheizt, danach
• c) Wärme an den Wärmeverbraucher abgibt und
• d) anschließend nacheinander mehrere den Absorberstufen zugeordnete Entgaserstufen der Absorptionswärmepumpe - durchläuft und dabei Verdampfungswärme abgibt und sich bis auf eine für die Niedertemperatur-Wärmequelle geeignete Temperatur abkühlt.

Dieses Verfahren ist durchführbar, solange der vom Wärmeverbraucher kommende Rückstrom der Wärmeträgerflüssigkeit Kältemittel in den Entgaserstufen verdampft. Zur Regeneration der armen Lösung des Arbeitsstoffpaares in den Entgaserstufen und der reichen Lösung des Arbeitstoffpaares in den Absorberstufen wird in Weiterentwicklung der Erfindung vorgeschlagen, daß ein beispielsweise von einem Gas- oder ölbrenner aufgeheizter Wärmeträgerstrom zunächst die als Austreiber arbeitenden Absorberstufen durchläuft, dabei das Kältemittel aus der reichen Lösung austreibt, welches dann in den zugeordneten, als Resorber arbeitenden Entgaserstufen unter Freisetzen von Wärme kondensiert und von der armen Lösung aufgenommen wird, und daß der auf diese Weise abgekühlte Wärmeträgerstrom einem Wärmeverbraucher zugeführt und der Rücklauf des Wärmeträgerstromes anschließend die als Resorber arbeitendenEntgaserstufen durchläuft und dabei die Kondensationswärme aufnimmt und anschließend wieder auf die Ausgangstemperatur aufgeheizt wird.Diese Regeneration der armen Lösung und der reichen Lösung des Arbeitsstoffpaares wird solange durchgeführt, bis das Arbeitsstoffpaar in den Entgaserstufen ihre ursprüngliche ärmere Konzentration und in den Absorberstufen ihre ursprüngliche reichere Konzentration erreicht haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit großem Vorteil angewandt werden, wenn beispielsweise hochwertige Wärmeenergie kurzzeitig und unregelmäßig zur Verfügung steht. Steht eine Anlage zur Nutzung beispielsweise von Sonnenenergie, Erdwärme oder einer anderenNiedertemperatur-Wärme, zeitweise auch eine höherwertige Energie, zum Beispiel Abgaswärme , zur Verfügung, dann kann die Anlage unverzüglich umgeschaltet werden, so daß in den Perioden, in denen die höherwertige Energie zur Verfügung steht, das Arbeitsstoffpaar in den Entgaser-und Absorberstufen regeneriert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß jede einander zugeordnete Entgaser- und Absorberstufe als eine nach außen völlig abgeschlossene Absorptionseinheit vorgefertigt werden kann. Bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Absorptionswärmepumpe wird'der Entgaser und der Absorber in mehrere einander zugeordnete Entgaserstufen und Absorberstufen unterteilt und die einander zugeordneten Entgaser- und Absorberstufen sind auf unterschiedliche, den Stufen entsprechende Verdampfungs- und Absorptionstemperaturen eingestellt und bilden einen gemeinsamen Dampfraum. Jede Entgaserstufe und die dieser zugeordnete Absorberstufe sind Teile einer mit einem Arbeitsstoffpaar gefüllten und auf einen gewünschten Druck eingestellten, nach außen hermetisch abgeschlossenen Kammer und die Kammerwandung der Entgaserstufen sind in einer Strömungsführung für einen Wärmeträger und die Kammerwandung der Absorberstufen sind in einer anderen, von der ersten Strömungsführung getrennten Strömungsführung angeordnet. Die von der Niedertemperatur kommende Wärmeträgerströmung nimmt durch Umströmen oder Durchströmen der einzelnen Absorberstufen Absorptionswärme auf, während der Rückstrom der Wärmeträgerflüssigkeit die einzelnen Absorptionsstufen in Gegenrichtung durchströmt und Wärme an die Entgaserstufen abgibt, bis die Wärmeträgerflüssigkeit auf eine Temperatur abgekühlt ist, in der sie in der Lage ist, in der Niedertemperatur- Wärmequelle, zum Beispiel dem Sonnenkollektor, Wärme wieder aufzunehmen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen.

In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

• Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer zweistufigen Wärmepumpe nach der Erfindung,
• Figur 2 zeigt eine Ansicht nach der Schnittlinie II-II in Fig. 1,
• Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Anlage zur Nutzung von Sonnenenergie mit Hilfe einer erfindungsgemäßen mehrstufigen Absorptions-. wärmepumpe,
• Figur 4 zeigt die Anlage nach Fig. 3 bei Regenerationsbetrieb,
• Figur 5 zeigt eine Anlage mit einer mehrstufigen Absorptionswärmepumpe, in der ein Warmwasserbehälter sowie ein Gas-, Kohle- oder ölbrenner integriert sind,
• Figur 6 zeigt die Anlage nach Fig. 5 bei Regenerationsbetrieb,
• Figur 7 und 9 zeigen Seitenansichten und die
• Figuren 8 und 10 Draufsichten auf unterschiedlich gestaltete Absorptionseinheiten, die
• Figuren 11 und 12 zeigen Schnittansichten von im wesentlichen vertikal sich erstreckenden Absorptionseinheiten.

Figur 1 und 2 zeigen eine Absorptionswärmepumpe, die sich aus mindestens zwei Absorptionseinheiten 1 zusammensetzt. Jede Absorptionseinheit 1 besteht aus einer hermetisch abgeschlossenen Kammer 2, die in einen Entgaserteil 3 und einen Absorberteil 4 unterteilt ist. Die Kammer 2 ist mit einem für den Absorptionsprozeß geeigneten Zweistoffgemisch 5 gefüllt und auf einen Druck eingestellt, der der jeweiligen Stufe der Wärmepumpe entspricht.

Der Entgaserteil 3 ist vom Absorberteil 4 durch eine derart angeordnete Trennwand 6 getrennt, daß das flüssige Zweistoffgemisch 5 nicht von einem Teil der Kammer 2 in den anderen Teil übertreten kann, wohl aber der Kältemitteldampf.

Der Entgaserteil 3 und der Absorberteil 4 stehen über große Flächen 7 in Wärmeaustausch zu zwei Wärmeträgerströmen 8 und 9, die durch eine Isolierwand 10 voneinander getrennt sind. Der wärmere Wärmeträgerstrom 8 umströmt oder durchströmt den Entgaserteil 3 und gibt Wärme an die darin befindliche verdünnte arme Lösung des Zweistoffgemisches ab, so daß ein Teil verdampft und dem Absorberteil 4 zugeführt wird. Im Absorberteil 4 befindet sich die konzentrierte reiche Lösung des Zweistoffgemisches, so daß der im Entgaserteil 3 freigewordene Dampf absorbiert wird.

Die dabei freigesetzte Wärme wird über die Wärmetauscherflächen des Absorberteils 4 an den Wärmeträgerstrom 9 abgegeben. Im Absorberteil 4 ist eine von oben bis an den Spiegel der reichen Lösung reichende Umlenkwand 11 angeordnet, die dafür sorgt, das der Dampf in einem besseren Kontakt zur reichen Lösung tritt und daß eine gewisse Bewegung an der Oberfläche der reichen Lösung erzielt wird.

Die Kammer 2 kann aus zwei tiefgezogenen Blechschalen hergestellt sein. Durch die Doppelwandigkeit der Trennwand 6 und der Isolierwand 10 ist dafür gesorgt, daß keine wesentlichenwärmemengen durch die Kammerwandung vom Entgaserteil 3 zum Absorberteil 4 und umgekehrt übertreten.

Wenn die arme Lösung des Zweistoffgemisches derart angereichert ist, daß nur noch geringe Kältemittelanteile dort verdampfen , kann die arme und die reiche Lösung des Zweistoffgemischs 5 dadurch regeneriert werden,' daß der Absorberteil 4 als Austreiberteil und der Entgaserteil 3 als Resorberteil betrieben werden. Dazu wird der Wärme- . trägerstrom 9 auf eine höhere Temperatur gebracht, so daß er sich beim Umströmen der als Austreiber arbeitenden Teile 4 abkühlt. Der Wärmeträgerstrom 8 wird dagegen beim Umströmen der als Resorber arbeitenden Teile 3 der Wärmepumpe aufgeheizt.

Um beispielsweise einen Wärmeträgerstrom um 30° zu erwärmen, sind etwa 10 bis 30 aufeinander abgestimmte Absorptionseinheiten 1 erforderlich, in denen bei gleichen Zweistoffgemischen unterschiedliche Drücke eingestellt sind.

Es ist auch möglich, die Absorptionseinheiten 1 mit unterschiedlichen, für die jeweilige Stufe der Absorptionswärmepumpe optimale Zweistoffgemische zu füllen.

Die in Fig. 3 und 4 dagestellte Wärmepumpe besteht aus einer größeren Anzahl, zum Beispiel 10 bis 30 scheibenförmiger Absorptionseinheiten 1. Jede Einheit hat eine in Draufsicht kreisförmige Kammer 2, die durch eine ringförmig angeordnete Wand 6 in einen äußeren Entgaserteil 3 und einen inneren Absorberteil 4 derart unterteilt ist, daß die Flüssigkeit nicht von einen Kammerteil in den anderen übertreten kann, wohl aber der Kältemitteldampf.

Die Absorptionseinheiten 1 sind in Abständen übereinander in einem Behälter 12 angeordnet, der zur Aufnahme je einer Absorptionseinheit 1 durch Zwischenwände 13 in Zellen 14 unterteilt ist. In den Zwischenwänden 13 sind' Durchgangsöffnungen 14 für die Wärmeträgerströme 8 und 9 angeordnet. Ringförmige Isolierwände 10 trennen den Wärmeträgerstrom 9, der die inneren Absorberteile 4 der Absorptionseinheiten umströmt,' vom Wärmeträgerstrom 8, der die äußeren Entgaserteile 3 der Absorptionseinheiten umströmt. Die runden, scheibenförmigen Absorptionseinheiten 1 sind in ihrer Mitte mit einer Durchgangsöffnung 16 versehen.

Fig. 3 zeigt schematisch den Betrieb einer Absorptions-Wärmepumpe zur Nutzung von Niedertemperaturwärme, zum-Beispiel Sonnenenergie.

Die Wärmeträgerflüssigkeit wird in einer Niedertemperaturwärmequelle 20, beispielsweise einem Solar_- kollektor erwärmt, zum Beispiel von +2°C auf +12°C. Die so angewärmte Wärmeträgerflüssigkeit fließt über die Leitung 17, ein Dreiwegeventil 23, eine Leitung 18, ein zweites Dreiwegeventil 24 und eine Leitung 19 als Wärmeträgerstrom 9 den Absorberteilen 4 der übereinander angeordneten Absorptionseinheiten 1 der Wärmepumpe zu und steht mit diesem im Wärmeaustausch. Durch das Umströmen der Absorberteile 3 wird sie durch die Absorption des Kältemittels in den einzelnen abgestuften Absorptionseinheiten 1 auf eine Temperatur aufgeheizt, die für eine Niedertemperaturraumheizung geeignet ist (zum Beispiel 45°C). Der Wärmeträgerstrom 9 tritt dann als Vorlauf 21 in den Heizungskreislauf ein und kommt im Rücklauf als Rärmeträgerstrom 8 mit einer Temperatur von beispielsweise 35°C in die Entgaserteile 3 der Absorptionswärmepumpe zurück. Die aus dem Rücklauf kommende Flüssigkeit umspült nun die jeweiligen Entgaserteile 3 der abgestuften Absorptionseinheiten 1, kühlt sich dabei ab (zum Beispiel auf eine Temperatur von 2°C) und kann dann in der Niedertemperaturwärmequelle 20 wieder aufgeheizt werden. Dieser Absorberbetrieb ist möglich, solange ausreichende Konzentrationsunterschiede des Zweistoffgemischs 5 im Absorberteil 4 und Entgaserteil 3 jeder Absorptionseinheit 1 bestehen.

Sind diese Konzentrationsunterschiede durch längeren Betrieb abgebaut, so muß die arme Lösung im Entgaserteil 3 und die reiche Lösung im Absorberteil 4 regeneriert werden. Dies kann gemäß Fig. 4 dadurch erreicht werden, daß durch Umschalten der beiden Dreiwegeventile 23,24 der Flüssigkeitskreislauf von der Niedertemperatur- wärmequelle 20 abgeschaltet und dafür in den Kreislauf eines Heizkessels 25 eingekoppelt wird. Nunmehr wird Kreislaufflüssigkeit von hoher Temperatur, zum Beispiel 100°C über die Leitung 26, das Dreiwegeventil 23, die Leitung 18, das zweite Dreiwegeventil 24 und die Leitung 19 in Wärmeaustausch mit den nun als Austreiber arbeitenden inneren Teilen gebracht, wodurch das Kältemittel aus der reichen konzentrierten Lösung des Zweistoffgemischs ausgetrieben und in den äußeren Teilen der jeweiligen Absorptionseinheiten 1 resorbiert wird. Durch diesen Vorgang kühlt sich die Wärmeträgerflüssigkeit ab, zum Beispiel auf eine Temperatur von 50°C, mit der sie dann in den Heizkreislauf geschickt werden kann. Der Heizungsrücklauf wird zur Aufnahme der Resorptionswärme verwendet. Die Wärmeträgerflüssigkeit heizt sich durch Umspülen der als Resorber arbeitenden äußeren Teile 3 der abgestuften Absorptionseinheiten 1 von einer Temperatur von beispielsweise 30°C auf beispielsweise 80°C auf und wird über die Leitung 27 in den Heizkessel 25 zurückgeführt.

Der besondere Vorteil dieser Absorptionswärmepumpe liegt neben der einfachen Gestaltung darin, daß eine Absenkung der Vor- und Rücklauftemperaturen bzw. ein Anheben der Temperaturen in der Niedertemperaturwärmequelle 20 das Verhältnis der in den Heizkreislauf abgegebenen Wärme zu der vom Heizkessel 25 aufzunehmenden verbessert wird. Eine solche flexible Anpassung hat im Mittel einen besonders geringen Einsatz an Heizenergie aus fossilen. Brennstoffen zur Folge. Der Regelaufwand für eine solche Anlage ist minimal.

Die Anordnung der Absorberstufen 4, die auch als Austreiberstufen arbeiten, im Inneren der scheibenförmigen Absorptionseinheiten 1 und die Anordnung der Entgaserstufen 3, die auch als Resorberstufen arbeiten, im äußeren Ringbereich der Absorptionseinheiten 1 bewirken, daß die jeweils wärmeren Teile und Wärmeträger von kälteren Teilen und Wärmeträger umgeben sind und deshalb nur geringe Wärmeverluste auftreten werden.

Fig. 5 und 6 zeigen eine Kombination einer effindungsgemäßen Absorptionswärmepumpe mit einem zentral angeordneten Öl-, Kohle- oder Gasbrenner 30 und einen integrierten Warmwasserbehälter 31 für die Brauchwasserversorgung. Bei dieser Vorrichtung wird der in den Absorberstufen 4 der Absorptionseinheiten 1 von 12° auf 45°C aufgeheizte Wärmeträgerstrom 9 über die Leitung 32 in den Wärmetauscher 33 des Warmwasserbehälters 31 geführt, bevor er als V orlauf 21 in den Heizungskreislauf gelangt. Im Rücklauf wird der Wärmeträgerstrom den Entgaserstufen 3 der Absorptionseinheiten 1 zugeführt, wo er auf etwa 2°C abkühlt, so daß er im Solarkollektor 20 wieder Wärme aufnehmen kann.

Zur Regeneration der armen und reichen Lösung des Zweistoffgemisches oder der Zweistoffgemische in den gestuften Absorptionseinheiten 1 wird, wie Fig. 6 zeigt, der Auslass 34 des um die äußeren Teile 3 der Absorptionseinheiten 1 geführten Wärmeträgerstromes über das SchaltVentil 29 mit dem Einlass 36 des um die inneren Teile 4 der Absorptionseinheiten 1 geführten Wärmeträgerstromes 9 verbunden und der Brenner 30 in Betrieb gesetzt. Die Absorberteile 4 der Absorptionseinheiten 1 arbeiten nun als Austreiber,während die Entgaserteile 3 der Absorptionseinheiten 1 nun als Resorber arbeiten. Der Brenner 30 erhitzt den Wärmeträgerstrom 9 in den oberen Stufen der Wärmepumpe auf etwa 100°C. Dieser Wärmeträgerstrom 9 kühlt sich dann durch Umströmen der als Austreiber arbeitenden inneren Teile 4 der Absorptionseinheiten 1 auf 50°C ab und wird dann durch den Wärmetauscher 33 des Warmwasserbehälters 31 und dann als Vorlauf 21 in den Heizungskreislauf geführt. Der Rücklauf wird als Wärmeträgerstrom 8 um die äußeren, als Resorber arbeitenden Teile 3 der Absorptionseinheiten 1 geführt, so daß er sich auf eine Temperatur von 80°C erwärmt. Durch die zentrale Anordnung des Brenners 30 innerhalb der ersten und weniger warmen ringförmigen Absorptionsstufen 1 der Wärmepumpe und die zentrale Anordnung des^*Warmwasserbehälters 31 innerhalb der Absorptionsstufen mit höherer Temperatur wurd eine gute Nutzung der durch den Brenner 30 eingespeisten Wärme erreicht.

Die Figuren 6 und 7 zeigen Absorptionseinheiten oder -stufen 1, die jeweils einer aus einer Wanne 42 und einem Deckel 43 zu einer hermetisch abgeschlossenen Kammer 2 zusammengesetzt sind. In der Wanne 42 ist eine ringförmige Trennwand 6 und in Deckel 43 eine ringförmige Umlenkwand 11 angeordnet. Zwischen jeder Kammer 2 ist eine ringförmige Isolierwand 10 und eine ringförmige Außenwand 40 angeordnet. Die Strömungsführung 8 durch die Entgaserstufen 3 wird von rohrförmigen Durchgangsöffnungen 41 und dem Zwischenraum zwischen Isolierwand 10 und der Außenwand 40 gebildet. Die Strömungsführung 9 durch die Absorberstufen 4 wird von rohrförmigen Durchgangsöffnungen 16' und den Innenraum der ringförmigen Isolierwände 10 gebildet.

In Fig. 9 sind drei Absorptionsstufen 1 dargestellt, bei denen jede hermetisch abgeschlossene Kammern 2 ringförmig ausgebildet ist und der Absorberteil 4 der Kammer 2 tiefer angeordnet ist als der Entgaserteil 3. Die Kammer 2 ist aus zwei tiefgezogenen Blechschalen zusammengesetzt, in welche zur Vergrößerung der Flächen radial verlaufende Sieken 44 und konzentrisch verlaufende Sieken 45 eingeprägt sind. Die Strömungsführung 8 durch die Entgaserstufe 3 verläuft entlang der Sieken 45 und durch die Ausnehmungen 46 an der Peripherie der Kammer 2. Die Strömungsführung 9 durch die Absorberstufen 4 verläuft entlang der radialen Sieken 44 von innen nach außen und dann um die Zwischenwand 13 zur nächsten Absorberstufe 4.

Fig. 10 ist eine Ansicht nach der Schnittlinie X-X in Fig. 9.

Die Fig. 11 und 12 zeigen sich vertikal erstreckende Absorptionseinheiten mit einem unteren Entgaserteil 3 und einem oberen Absorberteil 4. Die Wand 10 trennt die Lösung des Absorberteils 4 von der armen Lösung im Entgaserteil 3. - Eine Dampfführungswand 50 sorgt dafür, daß der vom Entgaserteil 3 aufsteigende Dampf durch die reiche Lösung des^*) im Regenerationsbetrieb, der im Absorberteil 4 ausgetriebene Dampf unter den Spiegel der Lösung im als Resorber arbeitenden Entgaserteil 3 gedrückt wird.

^*) Absorberteiles 4 geführt wird und daß

Wie Fig. 12 zeigt, können die Kontaktflächen der Lösung im Entgaserteil 3 und im Absorberteil 4 durch dort angeordnete Kapilar- und Dochtwände 51 und 52 vergrößert werden.