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Die Erfindung bezieht sich auf eine ein- oder mehrstufige,
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mit einem aus mehreren Bestandteilen bestehenden Stoff system arbeitende
Absorptionswärmepumpe, bestehend aus einem An-Antriebsteil und einem Kälteteil,
wobei das-Kältemittel im An-Antriebsteil in flüssigem Absorptionsmittel gelöst auf
sein höheres Druckniveau'im Kälteteil durch Entspannung des flüssigen Kältemittels
und/oder ebenfalls gelöst auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht wird.
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Die Entwicklung von Sorptionswärmepumpen beruht weitgehend auf dem
hochentwickelten Stand der Technik von Sorptionskälteanlagen. Es wird diesbezüglich
verwiesen auf W. Niebergall, "Sorptionskältemaschinen -(Band 7 des H.andbuchs der
Kältetechnik, herausgegeben von R. Plank)".
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Zum besseren Verständnis der Erfindung sei im folgenden die Wirkungsweise
einer kontinuierlich arbeitenden sogenannten -Absorptionswärmepumpe beschrieben:
Das gasförmige heisse Kältemittel wird unter hohem Druck in einem Kondensor verflüssigt
und gibt dabei seine Kondensationswärme als Nutzwärme ab. Nach im wesentlichen isenthalper
Entspannung durch ein Drosselventil wird das-Kältemittel durch Aufnahme von Umgebungswärme
bei tiefer Temperatur verdampft und gelangt anschliessend in einen Absorber. Dort
löst es sich - wiederum unter Abgabe von Nutzwärme - in einem, meist flüssigen,
Absorptionsmittel. Die mit Kältemittel angereicherte Lösung wird durch eine Lösungsmittelpumpe,
welche wegen der geringen Kompressibilität von Flüssigkeiten nur wenig Leistung
benötigt, auf ein hohes Druckniveau gebracht und in einen Austreiber (auch Kocher
genannt) gepumpt. Durch Zufuhr von Wärme wird dort das Kältemittel aus der Lösung
ausgetrieben und gelangt als heisses Gas in den Kondensor. Die an Kältemittel arme
Lösung strömt durch ein Drosselventil zurück zum Absorber;
Um Irreversibilitäten
möglichst klein zu halten, muss noch für "inneren Wärmetausch" gesorgt werden. Dies
wird im allgemeinen durch zwei Wärmetauscher realisiert, von denen der eine, Nachverdampfer
oder Nachkühler genannt, Wärme vom in den Verdampfer einströmenden flüssigen auf
das ausströmende gasförmige Kältemittel überträgt, während der zweite Wärmetauscher,
Temperaturwechsel genannt, im Lösungskreislauf Wärme von der armen in die reiche
Lösung überführt.
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Da der Dampfdruck vieler Kältemittel bei Nutztemperaturen von 600
- 800c sehr hoch ist, wurde als Modifikation der beschriebenen Absorptionswärmepumpe
die sogenannte Resorptionswärmepumpe vorgeschlagen. Dabei wird der Kälteteil anstelle
von Kondensor, Drosselventil und Verdampfer durch einen zweiten Lösungskreislauf
- mit höherer Kältemittelkonzentration - ersetzt. Der heisse, unter hohem Druck
stehende -:#ältemitteldampf löst sich im Resorber" in der Lösung, wobei er Wärme
abgibt. Die reiche Lösung gelangt durch ein Drosselventil in einen Entgaser" genannten
Tieftemperaturaustreiber, wo das Kältemittel unter Aufnahme von Umgebungswärme aus
der Lösung ausdampft. Die arme Lösung muss durch eine zweite Lösungsmittelpumpe
auf hohen Druck gebracht und in den Resorber zurückgepumpt werden. Auch hier kann
das Wärmeverhältnis #durch inneren Wärmetausch im Resorptionslösungskreislauf erhöht
werden.
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Es ist nicht zuletzt die grosse Zahl notwendiger Komponenten, die
der Wirtschaftlichkeit von Absorptionswärmepumpen, noch mehr der Wirtschaftlichkeit
von Resorptionswärmepumpen, im Wege stehen. Nur ein aussergewöhnlich gutes Wärmeverhältnis
(Summe der Nutzwärmemengen in Absorber und Kondensor zu aufgewandter Wärmemenge
im Austreiber) könnte den Aufwand rechtfertigen. Das Wärmeverhältnis von einstufigen
Absorptionswärmepumpen ist jedoch theoretisch auf etwa 2 begrenzt. In der Praxis
werden sogar nur 1,3 bis 1,5 erreicht.
Durch einen zweistufigen
Kälteteil <Kondensor-Verdampfer-Resorber-Entgaser, oder Resorber1-Entgaser-1-Resorber2-Entgaser2)
könnte das theoretische Wärmeverhältnis auf die Grössenordnung von 3 erhöht werden,
doch steht dem ein wesentlich erhöhter apparativer Aufwand entgegen.
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Umgekehrt kann es zur Vermeidung sehr hoher Austreibertemperaturen
(chemische Stabilität von Kälte- und/öder Lösungsmittel) notwendig sein, den Antriebsteil
einer Absorptionswärmepumpe zweistufig auszuführen (Absorber 1-Austreiber 1-Absorber
2-Austreiber 2). Dadurch erhält man eine Reduktion des theoretischen Wärmeverhältnisses
auf 1,5, das höchstens durch Zweistufigkeit im Kälteteil wieder erhöht werden kann.
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Der hohe apparative Aufwand mit 3 oder 4Lösungsmittelkreisläufen verbietet
jedoch diesen Weg in der Praxis.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil bisher bekanntgewqrdener Absorptionswärmepumpen
- mit oder ohne Resorption--:besteht in folgendem: Um das Lösungsmittel-Kältemittel-Gemisch
auf das erforderliche hohe Druckniveau zu bringen, werden mechånische Flüssigkeitspumpen
eingesetzt. Obwohl die Pumpe - wie bereits oben angedeutet - im theoretischen Ideal
fall keine Arbeit zu leisten hat, beeinflussen die Verluste in der Praxis dennoch
das Wärmeverhältnis negativ, insbesondere, wenn man berücksichtigt, dass zum Betrieb
der Pumpe hochwertige elektrische Energie benötigt wird. Noch schwerer wiegt die
Tatsache, dass die Lebensdauer derartiger Flüssigkeitspumpen beschränkt ist. Hierdurch
wird der den Sorptionswärmepumpen an sich von Haus aus eigene Vorteil, nämlich ohne
bewegte Teile (und damit ohne Verschleissteile) auszukommen, praktisch hinfällig.
Na#chteilig wirkt sich in diesem Zusammenhang vor allem auch die von der zu befördernden
Flüssigkeit auf die Pumpenteile ausgeübte
Korrosionswirkung aus.
Handelt es sich bei den Flüssigkeitspumpen um Kolbenpumpen, so ko.mt noch der Na#chteil
eines direkten Kontaktes von Schmiermittel und zu befördernder Flüssigkeit hinzu,
was zu einer Verunreinigung des gesamten Lösungsmittelkreislaufs und damit zu einer
erheblichen Beeinträchtigung des Wärmepumpenkreisprozesses führen kann.
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Die bisher für Absorptionswärmepumpen vorgeschlagenen Stoffsysteme
sind im wesentlichen die aus Absorptionskälteanlagen schon bekannten Arbeitsstoffpaare
mit einem leicht flüchtigen Kältemittel und einer Mischung von Kältemittel und Lösungsmittel
als Absorptionsmittel. Vor allem werden die Paare Ammoniak (Kältemittel) mit Wasser
(Lösungsmittel) und Wasser (Kältemittel) mit Lithiumbromid (Lösungsmittel) diskutiert,
mit denen es bei Kälteanlagen schon sehr viele Erfahrung gibt.
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Daneben wurden noch die folgenden Stoffpaare vorgeschlagen (an erster
Stelle jeweils das Kältemittel): Methylamin/Wasser, Freone (z.B. R 22)/organische
Flüssigkeiten (z.B. DTG), Ammoniak/ Lithiumnitrat, Methanol/Lithiumbromid und andere.
Es wird diesbezüglich verwiesen auf W. Niebergall, "Arbeitsstoffpaare für Absorptionskälteanlagen11.
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Da die Arbeitstemperaturen von Wärmepumpen verschieden sind von denen
bei Kälteanlagen, ergeben sich zum Teil beträchtliche Schwierigkeiten, wenn man
dieselben Arbeitsstqffsysteme verwenden will.
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Man kann die bisher bekannten Stoff systeme zweckmässigerweise einteilen
in solche, bei denen das reine Lösungsmittel im interessierenden Temperaturbereich
einen eigenen Dampfdruck besitzt (z.B. Wasser), und solche, bei denen dieser eigene
Dampfdruck vernachlässigbar klein ist (z.B. Salze).
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In konventionellen Absorptionswärmepumpen (mit Lösung kreisläufen)
hat man bei der ersten Gruppe am Austreiber das Problem der Rektifikation, das erstens
zu einem.Wärmeverlust, zweitens zu erhöhtem apparativen und'konstruktiven Aufwand
führt, und drittens fast nur mit grossen Bauhöhen (Trennsäule) gelöst werden kann.
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Will man dagegen die zweite Gruppe möglicher Stoffsysteme (siehe oben)
anwenden, so ergibt sich die wesentliche Problematik aus der Tatsache, dass, die
Temperatur im Absorber von Wärmepumpen höher sein muss als in-Kälteanlagen (wenn
möglich 600C oder höher). Man benötigt daher - bedingt durch das Lösungsfeld im
Phasendiagramm - im Antriebsteil von Absorptionswärmepumpen sehr hohe Salzkonzentrationen.
Da man dadurch gezwingen ist, sehr nahe an die Löslichkeitsgrenze heranzugehen,
erhöht sich die Gefahr des teilweisen Auskristallisierens des Salzes.
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Die vorstehenden Ausführungen machen deutlich, dass sich der bei Absorptionskältemaschinen
schon erreichte Stand der Technik keineswegs ohne weiteres auf Absorptionswärmepumpen
übertragen bzw. anwenden lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, geeignete Massnahmen
zur Verringerung des bisher erforderlichen apparativen Aufwandes und gleichzeitig
zur Verhinderung der beschriebenen Verschleiss-, Korrosions- und Verunreinigungsprobleme
zu treffen, so dass eine praktische Verwirklichung von Absorptionswärmepumpen der
eingangs bezeichneten Art möglich wird. Nach dem Grundgedanken der Erfindung wird
diese Aufgabe bei einer Absorptionswärmepumpe der eingangs bezeichneten Art im wesentlichen
dadurch gelöst, dass als Mittel zur Druckerhöhung innerhalb des Antriebsteils und/oder,
falls, das Kältemittel auch im Kälteteil in Lösung absorbiert ist, dort als Mittel
zur
Druckerniedrigung jeweils eine oder mehrere semipermeable Membranen
dienen, die den Durchtritt des Kältemittels zulassen, den Durchtritt des Absorptionsmittels
jedoch ganz oder teilweise verhindern, und dass als Absorptionsmittel ein Mehr-Komponenten-System
dient, mit mindestens einem einen nicht vernachlässigbaren Dampfdruck besitzenden
ersten Bestandteil mit einer die Durchlässigkeit durch die Membran ermöglichenden
geringen Molekülgrösse, und mit einem zweiten Besandteil, der in dem interessierenden
Temperaturbereich einen vernachlässigbaren kleinen Dampfdruck aufweist und der stark
dissoziiert oder hochmolekular ist! derart, dass die Membran für ihn weitgehend
undurchlässig ist. Da die Membran bzw. die Membranen für das ältemittel in jedem
Fall durchlässig sein muss (bzw. müssen), wird für das Kältemittel praktisch nur
eine niedermolekulare Verbindung in Betracht kommen. Es ist aber Auch denkbar, als
Kältemittel eine Mischung zweier Komponenten zu verwenden, bei denen es sich z.B.
um Ammoniak und Methylamin handeln kann.
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Durch die DE-PS 400 488 ist es zwar bei Absorptionskältemaschinen
an sich bekannt, das Kältemittel mittels einer semipermeablen Membran, die nur für
das Kältemittel, nicht jedoch für das Lösungsmittel durchlässig ist, vom Absorber
zum Austreiber zu befördern. Für das erforderliche Druckgefälle zwis.chen Austreiber
und Absorber soll hierbei der sich infolge Zwischenschaltung der semipermeablen
Membran aufgrund der unterschiedlichen Lösungsmittelkonzentration im Absorber einerseits
und im Austreiber andererseits aufbauende osmotische Druck sorgen. Als Stoffpaar
zum Betrieb der bekannten Absorptionskältmaschine ist in der DE-PS 400 488 Ammoniak/Wasser
angegeben. Dieses Stoffpaar ist für die praktische Verwirklichung der in der DE-PS
400 488 enthaltenen technischen Lehre nicht geeignet, da eine Membran, die die gestellten
Forderungen auch nur annähernd erfüllt,
nach bisheriger Erfahrung
nicht herstellbar ist. Die in der DE-PS 400 488 beschriebene Absorptionskältemaschine
hat daher weder Eingang in die Praxis gefunden, noch war eine Obertragung der darin
enthaltenen Grundidee auf Absorptionswärmepumpen möglich.
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Erst durch die vorliegende Erfindung, die zusätzlich die notwendigen
Angaben zur Beschaffenheit der zu verwendenden Stoffe (Absorptionsmittel einerseits
und Kältemittel andererseitsY macht, ist es gelungen, eine Absorptionswärmepumpe
zu schaffen, bei der da#s Prinzip der Nutzbarmachung des osmotischen Druckes mittels
semipermeabler Membran unter nur vergleichsweise geringem apparativen Aufwand praktisch
verwirklicht wer#den# konnte.
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Durch die Definition eines für Absorptionswärmepumpen der in Rede
stehenden Art geeigneten Stoffsystems schafft die Erfindung erst die entscheidende
Voraussetzung für das.Auffinden geeigneter semipermeabler Membranen. -In vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung wird diesbezüglich vorgeschlagen, die semipermeablen
Membranen als Hohlfasermembranen auszubilden, wobei sie z.B. aus einem aromatischen
Polyamid oder ans Zellulose-Acetat, Zellulose-Triacetat oder einem ähnlichen Material
bestehen können. Je nach Stoff system kommen verschiedene kommerziell erhältliche
Membran-Moduln, häufig Permeatoren genannt, infrage.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemässen Stoffsysteme im Zusammenhang
mit den hierfür nunmehr aufzufindenden geeigneten Membranen ist es in für die Fachwelt
überraschender weise nun möglich geworden, das Prinzip des osmotischen Druckes nicht
nur - wie in der DE-PS 400 488 dargestellt - in einer einstufigen Absorptionskältemaschine
zu verwenden, sondern anstelle eines jeden Lösungskreislaufes in ein- oder mehrstufigen
Absorptionswärmepumpen mit oder ohne ein- oder mehrstufige Resorption.
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In diesem Zusammenhang ist nachdrücklich darauf hinzuweisen, dass
die Erfindung sich keineswegs nur auf die praktische Verwirklichung des durch die
DE-PS 400 488 bekannten Prinzips beschränkt. Während bei der bekannten Absorptionskältemaschine
nach DE-PS 400 488 die semipermeable Membran nur als Mittel zur Druckerhöhung Verwendung
findet, steuert die vorliegende Erfindung noch zusätzlich den wesentlichen Gedanken
bei, auch als Mittel zur Druckerniedrigung, nämlich im sogenannten Kälteteil der
Absorptionswärmepumpe, semipermeable Membranen zu verwenden. Hierbei findet nicht
das Prinzip der Osmose Anwendung, sondern vielmehr der Gedanke der#Umkehrosmose.
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Zusammenfassend sind die wesentlichen Vorteile der Erfindung in folgendem
zu sehen: Statt eines (bei den bisher bekannten Absorptionswärmepumpen erforderlichen)
Lösungskreislaufes hat man nunmehr in allen Fällen lediglich eine einfache Verbindung
über eine Membran, wobei der Kältemitteltransport im Antriebsteil (Absorber-Austreiber)
durc#h#Osmose, im Kälteteil (falls eine Resorptionsstufe verwendet wird) durch Umkehrosmose
erfolgt. Die nichtpermeable Komponente des Lösungsmittel-Kältemittel-Gemisches nimmt
im Prinzip an der Strömung des Kältemittels gar nicht teil. Sie bildet vielmehr
eine stationäre Konzentrationsverteilung auf beiden Seiten der Membran aus. Die
notwendige Relativbewegung zum Kältemittel erfolgt durch Diffusion und/oder Konvektion.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Grundgedankens der Erfindung kann
als erster Bestandteil des Absorptionsmittels das Kältemittel selbst dienen und
in dem flüssigen Kältemittel ein zwei ter, vernachlässigbar kleinen Dampfdruck aufweisender
Bestandteil gelöst sein.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen,
dass das Absorptionsmittel eine Mischung aus drei Bestandteilen ist und zwar: 1.
Dem flüssigen Kältemittel selbst, 2. einem Bestandteil mit vernachlässigbar kleinem
Dampfdruck und für die Membran undurchlässi#ger Molekülgrösse oder Molekülart, und
3. einem Bestandteil mit kleinem, nicht dissoziierten Molekül, der allein einenmit
dem Dampfdruck des Kältemittels vergleichbaren Dampfdruck aufweisen würde.
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Das Mehr-Komponenten-Lösungsmittel setzt sich also nach Ziff. 2 und
3 zusammen aus einem Bestandteil mit vernachlässigbarem Dampfdruck im interessierenden
Temperaturbereich, für den die Membran weitgehend undurchlässig ist (z.B. Lithiumnitrat
oder Lithiumbromid), und einem weiteren Bestandteil, der ähnlich gut durch die Membran
diffundieren kann wie das Kältemittel selbst, und der in reiner Form oder auch allein.
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gemischt mit dem Kältemittel einen-nicht vernachlåssigbaren Dampfdruck
aufweisen würde (z.B. Wasser). Der im Betrieb notwendige osmotische Druck wird hierbei
durch den Konzentrabionsunterschied des nichtpermeablen Bestandteils der Lösung,
(obige Ziffer 2) zwischen Absorber und Austreiber bzw. zwischen Resorber und Entgaser
aufrechterhalten. Bei geeigneter Wahl dieser Stoffe erniedrigt schon eine geringe
Konzentration des Bestandteiles unter Ziffer 2 den Dampfdruck des Bestandteiles
Ziffer 3 so stark, dass dem Austreiber keine Rektifikationseinrichtung mehr nachgeschaltet
werden muss, während der Dampfdruck des Kältemittels in geringem Ausmasse reduziert
wird.
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Zwar wurden derartige ternäre Stoffsysteme für die Verwendung in konventionellen
Absorptionswärmepumpen und -kälteanlagen schon vorgeschlagen. Ihr Verwendung in
Absorptionswärmepumpen mit semipermeabler(n) Membran (en) bedingt jedoch wesentlich
grössere Freiheiten in der Stoff- und Konzentrationsauswahl. Daraus ergeben sich
grundsätzlich neue Vorteile. Insbesondere kann jetzt die Konzentration des Bestandteils
mit vernachlässigbarem Dampfdruck im Absorber so klein gehalten werden, dass keine
Gefahr des Auskristallisierens besteht, weder im Betrieb noch bei Stillstand der
Anlage, ohne dass deshalb die Absorbertemperatur unvertretbar niedrig gewählt werden
muss.
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Da Rektifikationsprobleme ohnehin nur nach dem Austreiber auftreten
können, kann man im Extremfall sogar die Konzentration der nicht per#meablen Lösungsmittelkomponente
gleich 0 machen, so dass man in diesem Fall nur im Austreiber eine dreikomponentige
Lösung hat.
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Man kann zusätzlich ein zweikomponentiges Kältemittel verwenden (z.B.
die bereits o.a. Ammoniak-Methylamin-Mischung).
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Dadurch finden die Phasenübergänge Absorption, Austreiben, Kondensation
und Verdampfung bei gegebenem Druck nicht bei fester Temperatur, sondern in einem
mehr oder weniger breiten Temperaturbereich statt. Dies vergrössert die Möglichkeiten
für inneren Wärmetausch und damit die Reversibilität der Prozesse (vergl. hierzu
Handbuch der Kältetechnik, Kapitel A III und B III 2. b).
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Wenn Ammoniak als Kältemittel oder Teil des Kältemittels benützt wird,
wird die Lösung im allgemeinen wegen der
hohen Ammoniakkonzentrationen
stark basisch reagieren, mit pH-Werten nahe 14, obwohl Ammoniak eine schwache.Basis
ist.
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Da manche semipermeablen Membranen auf so hohe pH-Werte empfindlich
reagieren, besteht in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Möglichkeit,
durch Zusatz von weiteren Stoffen (z.B. einer schwachen Säure mit kleinem Molekül),
den pH-Wert der Lösung zu reduzieren und dadurch die Lebensdauer der Membranen wesentlich
zu erhöhen.
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Nach-einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist es - für den
Fall, dass Ammoniak Bestandteil des Kältemittels ist, auch möglich, als vernachlässigbar
kleinen Dampfdruck aufweisenden Bestandteil der Lösung statt eines Salzes eine geeignete
Säure zu wählen, welche a) entweder stark dissoziiert oder. so hochmolekular ist,
dass es Membranen gibt, welche für ihre Ionen oder Moleküle undurchlässig sind;
b) in der Lösung einen entsprechend hohen osmotischen Druck zwischen Austreiber
und Absorber aufbaut; c) den pH-Wert der Lösung stark re-.duziert (z.B. auf 10-11),
d) in der kombinierten Lösung nur einen geringen Dampfdruck hat.
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Denkbar wäre etwa ein geringer Zusatz von Schwefelsäure.
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Eine weitere Möglichkeit, die Alkalitt der Lösung bei Verwendung von
Ammoniak als Kältemittel zu verringern, ergibt sich nach einem weiteren Gedanken
der Erfindung dadurch, dass man als zweite Lösungskomponente ein Ammoniumsalz einer
starken Säure wählt (z.B. Ammoniumsulfat).
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In der Zeichnung sind - in schematischer Form - Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt und zwar zeigt: Fig. 1 eine Absorptionswärmepumpe mit
einstufigem Antriebsteil und einstufiger Resorption, Fig. 2 eine Absorptionswärmepumpe
mit einstufigem Antriebsteil und zweistufigem Kälteteil, Fig. 3 eine Absorptionswärmepumpe
mit zweistufigem Antrie#bsteil und zweistufigem Kälteteil, Fig. 4 eine einstufige
Absorptionswärmepumpe mit Methylamin als Kältemittel und Wasser mit Lithiumbromid
als Lösungsmittel, und Fig. 5 eine einstufige Absorptionswärmepumpe mit Methylamin
und Ammoniak als Kältemittel, Wasser mit Lithiumnitrat als Lösungsmittel.
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Es sei zunächst darauf hingewiesen, dass die in-der Zeichnung angegebenen
Konzentrations-, Temperatur- und Druckwerte nicht als einzig mögliche Werte, sondern
als Ausführungsbeispiele und zur besseren Veranschaulichung der Erwindung, vorge#sehen
sind.
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Die auch "Resorptionswärmepumpe" genannte Absorptionswärmepumpe nach
Fig. 1 besteht auf der Antriebsseite aus einem Absorber 10 und einem Austreiber
11, die durch eine Flüssigkeitsleitung 12 miteinander verbunden sind. In der Flüssigkeitsleitung
12 ist eine als gestrichelte Linie 13 angedeutete semipermeable Membran angeordnet.
Auf der sogenannten Kälteseite weist die Resorptionswärmepumpe nach Fig.- 1 einen
Resorber 14 und einen Entgaser 15 auf, welche durch eine weitere Flüssigkeitsleitung
16 miteinander in Verbindung stehen. Auch in die Flüssigkeitsleitung 16 ist eine
sem-ipermeable.Membran zwischengeschaltet, die das Bezugszeichen 17 trägt.
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Der Antriebsteil 10 bis 13 ist mit dem Kälteteil 1#4 bis 17 durch
zwei Gasleitungen 18, 19 verbunden, wobei die eine Gasleitung (18) den Austreiber
11 mit dem Resorber 14 verbindet und sich die zweite Gasleitung (19-) zwischen Entgaser
15 und Absorber 10 erstreckt. Die Strömungsrichtung des Kältemittels in dem durch
die Wärmepumpe verkörperte#n,thermody-, namischen Kreisprozess ist durch Pfeile
in den#Verbindungsleitungen 12, 18, 16 und 19 verdeutlicht. Als Kältemittel dient
zweckmässigerweise ein niedermolekularer Stoff, z.B.
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NH#3(Ammoniak), der leicht-durch die Membran 13, 17 hindurchzudiffundieren
vermag. Das Lösungsmittel kann eine Salzlösung; z.B. von LiN03, -in flüssigem NH3,
also im Kältemittel selbst, sein.
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Die semipermeablen Membranen 13, 17 sind so ausgebildet, dass sie
das Kältemittel vollständig, das Lösungsmittel jedoch nicht oder zumindest nur geringfügig
durchlassen.
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Sofern - was möglich ist - dem Lösungsmittel-Kältemittel-Gemisch eine
oder mehrere weitere niedermolekulare Verbindungen zugesetzt ist bzw. sind, können
die Membranen 13, 17 so gestaltet sein, dass sie für diese zusätzliche niedermolekulare
Lösungsmittelkomponente ebenfalls durchlässig sind.
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Zur Erfüllung der genannten Voraussetzungen sind Hohlfasermembranen
gut geeignet, die z.B. aus aromatischem Polyamid, Zellulose-Acetat, Zellulose-Triacetat
oder einem ähnlichen Material bestehen können.
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Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Resorptionswärmepumpe arbeitet
nun wie folgt. Aufgrund des Konzentrationsunterschiedes (bezogen auf das Lösungsmittel)
zwischen Absorber 10 und Austreiber 11 baut sich ein osmotischer Druck auf, der
eine Förderung des Kältemittels (z.B. NH3) vom Absorber 10 durch die Membran 13
hindurch zum Austreiber 11 bewirkt. Dadurch erhöht sich der Druck im Austreiber
11, bis (statisch gesehen) der Gleichgewichtszustand (Druckdifferenz = osmotischer
Druck) zwischen den Stationen 10 und 11 hergestellt ist. Im Austreiber 11 wird jedoch
- wie durch einen Pfeil 20 angedeutet - von aussen Wärme zugeführt, wodurch ein
Austritt gasförmigem Kältemittels aus dem Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch bewirkt
wird. Infolgedessen erhöht sich wiederum im Austreiber 11 die Konzentration der
nichtpermeablen Lösungskomponente. Dadurch wird der osmotische Druck höher als die
Differenz der Gesamtdrücke, wodurch weiteres Kältemittel aus dem Absorber 10 (Niederdruckseite)
durch die Membran 13 in den Austreiber 11 (Hochdruckseite) gelangt.
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Das gasförmig auf, hohem' Druckniveau befindliche Kältemittel strömt
aus dem Austreiber 11 durch die Leitung 18 inden Resorber 14, wo es mit dem darin
befindlichen Lösungsmittel in Lösung geht und dabei - wie durch einen Pfeil 21 symbo.lisiert
- Nutzwärme.(Kondensationswärme + Lösungswärme) abgibt.
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Nun ist - wie Fig. 1 verdeutlicht - die Lösungsmittelkonzentration
im Resorber 14 höher als im Entgaser 15, so dass im Gleichgewicht der osmotische
Druck-gleich der Druckdifferenz zwischen Resorber 14 und Entgaser 15 ist. Wird nun
Kältemittel im Resorber 14 absorbiert (bzw. im Entgaser 15 ausgetrieben), so verringert
(erhöht) sich dort die Konzentration der nichtpermeablen Lösungskomponente. In beiden
Fällen verringert sich der osmotische Druck. Sobald er jedoch kleiner ist als die
Differenz der Gesamtdrücke auf beiden Seiten der Membran 17-, kommt ein "Umkehrosmose"
genannter Vorgang. zur Wirkung, d.h. der Durchtritt von Kältemittel von der Hoch-.
zur Niederdruckseite. Da aber - wie gesagt - die Kon-zentration der nichtpermeablen
Lösungskomponente im Resorber 14 höher ist als im Entgaser 15, hält der.osmotische
Druck auf diese Weise die- Differenz -der Gesamtdrücke in den beiden Behältern 14
und 15 aufrecht. Hierdurch regelt sich-der Durchsatz durch die Membran 17 von selbst
nach der Menge des umlaufenden Kältemittels.
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Die semipermeable Membran 17 erfüllt hierbei vorteilhafterweise zugleich
eine Drosselwirkung, so dass ein bei bekannten Resorptionswärmepumpen erforderliches
gesondertes Drosselventil hier entbehrlich wird. Aufgrund der sich hierdurch im
Entgaser 15 einstellenden niedrigen Temperatur vermag das Kältemittel-Lösungsmittel-Gemisch
jetzt aus der Umgebung Wärme aufzunehmen (Pfeil 22). Als Folge davon tritt gasförmiges
Kältemittel
aus der Lösung aus und gelangt durch die Leitung 19 in den Absorber 10. Dort wird
das gasförmige Kältemittel im Lösungsmittel absorbiert, wobei Nutzwärme frei wird
(Pfeil 23). Die Absorption von Kältemittel im Absorber 10 verringert dort die Konzentration
der nichtpermeablen Lösungskomponente, eröht damit ebenfalls den osmotischen Druck
und hat so auf den Durchsatz von Kältemittel durch die Membran 13 dieselbe Wirkung
wie die bereits oben erwähnte Konzentrationserhöhung im Austreiber 11 infolge des
dortigen Austrittes von gasförmigem Kältemittel. Der Durchsatz durch die Membran
13 regelt sich dadurch je nach der pro Zeiteinheit absorbierten und ausgetriebenen
Kältemittelmenge selbst.
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Die aus Fig. 2 ersichtliche Ausführungsform einer Absorptionswärmepumpe,wiederum
vom Typ der sogenannten Resorptionswärmepumpe1 nach der Erfindung besteht - ebenso
wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 - auf der Antriebsseite aus einem Absorber
10 und einem Austreiber 11, die durch eine Leitung 12 mit einer zwischengeschalteten
semipermeablen Membran 13 verbunden sind. Auch die Gasleitungen 18, 19 entsprechen
der Ausführungsform nach Fig. 1. Auf der Kälteseite besitzt die Resorptionswärmepumpe
nach Fig. 2 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 1 ebenfalls einen Resorber
und einen Entgaser, die durch eine Flüssigkeitsleitung mit zwischengeschalteter
Membran miteinander verbunden sind. Auch diese Teile sind der übersichtlichkeithalber
mit entsprechenden Bezugszeichen wie bei Fig. 1 versehen. Der Unterschied gegenüber
der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht dagegen darin, dass bei der Ausführungsform
nach Fig. 2 der Paarung Resorber 14/ Entgaser 15 noch eine zusätzliche Stufe, bestehend
aus einem Kondensor 24 und einem Verdampfer 25 torangeschaltet ist. Kondensor 2.4
und Verdampfer 25 sind durch. eine Flüssigkeitsleitung 26 in der eine Drossel 27
zwischengeschaltet ist, miteinander
verbanden. Von dem Verdampfer
25 führt eine weitere Gasleitung 28 zu dem Resorber 14.
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Die Wirkungsweise der Teile 10 - 19 entspricht im#wesentlichen denen
der Ausführungsform nach Fig. 1, so dass im Rahmen der Ausführungsform nach Fig.
2 hierauf nicht noch einmal näher eingegangen zu werden braucht. Im-Unterschied
zu der Ausführungsform nach Fig. 1 gelangt jedoch das im Austreiber 11 aus der Lösung
ausgetriebene Kältemittel durch die Gasleitung 18 zunächst in den Kondensor 24,
wo es verflüssigt wird und hierbei als Nutzwärme (Pfeil 29) seine -Kondensationswärme
abgibt. Das flüssige Kältemittel strömt anschliessend über die Drossel 27 durch
die-Leitung 26 in den Verdampfer 25. Es befindet sich hier infolge des vorangegangenen
Drosselvorganges auf einem niedrigen Temperaturniveau, so dass es aus der Umgebung
Wärme aufzunehmen vermag (Pfeil 30). Hierbei tritt es erneut in den Dampfzustand
über und gelangt durch die Leitung 28 in den Resorber 14, wo der bereits zu der
Au#sführungsform nach Fig. 1 beschriebene Vorgang stattfindet.
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Die Ausführungsform nach Fig. 2 zeichnet sich durch einen unter nur
geringem apparativen Aufwand geschaffenen zweistufigen Kälteteil aus, wodurch -
wie bereits eingangs angedeutet - das theoretische Wärmeverhältnis der gesamten
Wärmepumpe auf einen Wert von etwa 3 erhöht wird.
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Die in Fig. 3 veranschaulichte Ausführungsform einer Resorptionswärmepumpe
entspricht im Kälteteil der Ausführungsform nach Fig. 2. Abweichend von Fig. 2 ist
sie dagegen im Antriebsteil ebenfalls zweistufig ausgebildet. An die erste Stufe,
die ebenso wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2, aus einem Absorber 10
und einem Austreiber 11 besteht, schliesst sich als zweite Stufe ein zweiter Absorber
31 und ein zweiter Austreiber 32 an. Die Stationen 31, 32 sind durch
eine
Flüssigkeitsleitung 33, in der eine semipermeable Membran 34 angeordnet ist, miteinander
verbunden. Die Verbindung der beiden Stufen auf der Antriebsseite erfolgt durch
eine Gasleitung 18. Von der Antriebsseite führt schliesslich eine Gasleitung 35
zu der ersten Station der Kälteseite (Kondensor 24). Ebenso wie bei der aus den
Stationen 10 und 11 bestehenden ersten Stufe fällt auch in der zweiten Stufe (31,
32) der Antriebsseite jeweils einmal Nutzwärme (Pfeil 36) und einmal Heizaufwand
(Pfeil 37) an.
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Der Vorteil bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist darin zu sehen,
dass aufgrund der Zweistufigkeit des Antriebsteiles hohe Austreibertemperaturen
vermieden werden und dadurch eine gute chemische Stabilität des Kälte- und/oder
des Lösungsmittels erreicht wird. Die hierdurch bewirkte Reduzierung des theoretischen
Wärmeverhältnisses wird durch die Zweistufigkeit auch auf der Kälteseite wieder
ausgeglichen.
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Die einstufigen Absorptionswärmepumpen nach Fig. 4 und 5 bestehen
jeweils aus einem Absorber 10, einem Austreiber 11, einem Kondensor 24 und einem
Verdampfer 25. Da die Wirkungsweise dieser Teile im wesentlichen der Wirkungsweise
der mit gleichen Bezugs zeichen versehenen Teile bei der Ausführungsform nach Fig.
3 entspricht, erübrigen sich zu Fig. 4 und 5 diesbezügliche nähere Erläuterungen.
Im Unterschied zu Fig. 3 strömt jedoch bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und
5 das verdampfte Kältemittel-Absorptionsmittel-Gemisch vom Verdampfer 25 durch eine
Leitung 38 unmittelbar zum Absorber 10.
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Zur Ausführungsform nach Fig. 5 ist noch zu bemerken, dass die oberhalb
der Behälter 10, 11 bzw. 24, 25 angegebenen Zahlen Konzentrationen im Gasraum oberhalb
der Flüssigkeit bezeichnen, wohingegen die betreffenden Zahlen unterhalb der Behälter
die Konzentrationen innerhalb der Flüssigkeit kennzeichnen. Ausserdem sind in Fig.
4 und 5 aus Gründen-der Übersichtlichkeit alle Details der Leitungsführung ("Lösungsrückführung")
weggelassen worden.