CN1304800C - 固体吸附式热泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体吸附式热泵，它包括一个具有一换热器(3)和固体吸附材料(4)的吸附器-解吸器单元(2)。该吸附器-解吸器单元(2)与一冷凝器-蒸发器单元(6)一起装在一个公共的对周围环境密封的外壳(5)内，其中，该吸附器-解吸器单元(2)与冷凝器-蒸发器单元(6)通过一可渗透吸附物的元件(7)彼此隔开。该吸附器-解吸器单元(2)包括一个导热的、设置为与所述换热器(3)导热连接的接收体(9)。该接收体(9)容纳所述吸附材料(4)以及赋予吸附器-解吸器单元(2)其稳定性。所述公共外壳(5)的内腔中为负压。该公共外壳(5)设计为薄壁的金属板外壳，其以这样的方式套装在所述接收体(9)上，即，使得因负压产生的萎陷力传导到所述接收体(9)和/或换热器(3)及冷凝器-蒸发器单元(6)上。

Description

固体吸附式热泵

技术领域

本发明涉及一种固体吸附式热泵和一种有一台固体吸附式热泵的供暖系统。

背景技术

众所周知，以固体吸附作用为基础的热力驱动的热泵用于供暖和制冷的目的。常用的工质对-吸附材料和被吸附物-例如是沸石与水，其中，工作气体水在低压区工作。例如在DE 19961629和DE 10038636中公开了一些有这种工质对的吸附式热泵。

但还已知一些在高压区运行的工质对。例如已知的如在US 4694659中公开的那些铵盐-氨。

对固体吸附式热泵提出了各种技术要求。这些要求中特别重要的是高的热比率、高的功率密度和放热的简单可调性。有效热量与驱动热量的热比率(也称COP：Coefficent of Performance)主要取决于在热泵循环期间吸附的和易感受的(sensitive)热量转换的份额。吸附的热量转换指的是释出在吸附工作气体时产生的吸附热或者吸收为解吸所需的吸附热，反之，易感受的热量转换则描述在加热或冷却整个系统时发生的能量转换。

如果理想地假定易感受的热量小到可以忽略不计，则通过某一个工质对可达到最大可能的热比率。对于硅胶-水，单级热泵的热比率典型地约为180％。此百分数由100％的由驱动热获得的有效热量组成，与此同时被吸附物完全解吸。第二个份额80％可以按有效热量的形式放出，紧接着冷却所述吸附器和吸附在吸附材料内的被吸附物。

为达到特别高的热比率，发展了一些在热力学方面越来越成熟的系统，其中尤其通过设置多个吸附器或解吸器，它们先后流过传热介质并连接在多个循环内，力图有尽可能高的热回收效果，改善在吸收的和易感受的热量转换之间的比例关系。但是这些系统的缺点是巨大的技术成本、易受干扰和高的生产及维护成本。

专利申请文件DE 19902695A1公开了一种吸附式热泵，其中，一吸附/解吸器-换热器与一蒸发器及一冷凝器一起组合成的一个蒸发器/冷凝器-换热器，装在一个公共的真空密封的容器内。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有高的热比率的固体吸附式热泵和一种供暖系统，它们与现有技术相比得到改进。

本发明提供一种固体吸附式热泵，包括：一具有一换热器和一种固体吸附材料的吸附器-解吸器单元；该吸附器-解吸器单元与一冷凝器-蒸发器单元一起装在一个公共的对周围环境密封的外壳内，其中，该吸附器-解吸器单元与冷凝器-蒸发器单元通过一可渗透吸附物的元件彼此隔开，其中，所述吸附器-解吸器单元包括一导热的接收体，该接收体设置为与所述换热器导热连接；所述接收体容纳所述吸附材料；所述接收体赋予所述吸附器-解吸器单元稳定性；所述公共外壳的内腔中为负压，以及，该公共外壳设计为薄壁板外壳，该外壳以这样的方式套装在所述接收体上，即，使因负压产生的萎陷力传导到该接收体和/或换热器以及冷凝器-蒸发器单元上。

优选地，所述冷凝器-蒸发器单元在公共外壳内设在所述吸附器-解吸器单元下方。

优选地，所述可渗透吸附物的元件由一种可渗透蒸汽的海绵构成，尤其是陶瓷海绵，它使所述吸附器-解吸器单元(2)与冷凝器-蒸发器单元(6)之间形成一预定的间距。

优选地，所述冷凝器-蒸发器单元包括一个与所述吸附器-解吸器单元中的接收体相同类型的接收体，该接收体构造成容纳有一些流过传热介质的用于输出冷凝热和输入蒸发热的冷凝-蒸发管，并且使所述冷凝器-蒸发器单元具有结构稳定性。

优选地，所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体设计为多片式结构或金属海绵。

优选地，所述公共外壳以这样的方式套装到所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体以及所述换热器和冷凝-蒸发管的区段上，即，使得因负压产生的萎陷力传导到所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体和/或换热器及冷凝-蒸发管上。

优选地，所述换热器和冷凝-蒸发管分别设计为一个或多个管回路的形式，其中，每个管回路包括多个水平排列的管段，这些管段在其水平端部通过弯道导通传热介质地互相连接。

优选地，所述薄板外壳从外面套装到所述弯道上。

优选地，所述吸附器-解吸器单元的接收体和/或换热器外敷设有一层固体吸附材料。

优选地，所述公共外壳设计为双层外壳，在其两壳层之间的空隙充填一种可传递压力的隔热材料，尤其是颗粒状填料；该两壳层之间的空隙是抽成真空的。

本发明提供一种固体吸附式热泵，包括：一具有一换热器和一种固体吸附材料的吸附器-解吸器单元；一冷凝器-蒸发器单元，其中该吸附器-解吸器单元包括一导热的接收体，该接收体设置为与所述换热器导热地连接；所述接收体容纳所述吸附材料；所述接收体赋予所述吸附器-解吸器单元稳定性；所述冷凝器-蒸发器单元包括一导热的接收体，该接收体构造成容纳有一些流过传热介质的用于输出冷凝热和输入蒸发热的冷凝-蒸发管并赋予该冷凝器-蒸发器单元稳定性；所述吸附器-解吸器单元装在一个对周围密封的第一外壳内，以及所述冷凝器-蒸发器单元装在一个对周围密封的第二外壳内，其中，这两个外壳的内腔中为负压并借助至少一个导通蒸汽的连接管道互相连通；所述两个外壳设计为薄壁板外壳，它们以这样的方式套装在所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体上，即，使得因负压产生的萎陷力传导到所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体和/或换热器及冷凝-蒸发管上。

优选地，所述在吸附器-解吸器单元中的接收体和所述在冷凝器-蒸发器单元中的接收体设计为多片式结构或金属海绵。

优选地，所述换热器和冷凝-蒸发管分别设计为一个或多个管回路的形式，其中，每个管回路包括多个水平排列的管段，这些管段在其水平端部通过弯道导通传热介质地互相连接。

优选地，所述薄板外壳从外部套装到所述弯道上。

优选地，所述吸附器-解吸器单元(2)的接收体(9)和/或换热器敷设一层固体吸附材料(4)。

优选地，所述两个外壳设计为双层外壳，在其两壳层之间的空隙充填一种可传递压力的隔热材料，尤其是颗粒状填料；该两壳层之间的空隙是抽成真空的。

本发明提供一种供暖系统，包括：一被一种传热介质流过的热循环回路；一连接在所述热循环回路上的高温源，用于在一预定的第一温度水平上将热量输入到所述传热介质中；一连接在所述热循环回路上的低温源，用于在一预定的低于第一温度水平的第二温度水平上将热量输入到所述传热介质中；一连接在所述热循环回路上的供暖装置，用于在一预定的处于第一与第二温度水平之间的第三温度水平上将热量从所述传热介质中输出；一连接在所述热循环回路上的任意一种按照前面所述的固体吸附式热泵；一连接在所述热循环回路上的热循环分配器和/或一些热循环阀，用于可选择地调整通过该热循环回路的传热介质流。

优选地，所述热循环分配器和/或热循环阀可针对三个接通阶段调整：第一接通阶段亦即解吸阶段，在此阶段内在所述高温源与吸附器-解吸器单元之间建立第一个传热介质流动循环以及在所述冷凝器-蒸发器单元与供暖装置之间建立第二个传热介质的流动循环；第二接通阶段亦即吸附阶段，在此阶段内形成所述供暖装置与吸附器-解吸器单元之间传热介质的第一个流动循环以及所述低温源与冷凝器-蒸发器单元之间传热介质的第二个流动循环；第三接通阶段亦即旁通阶段，在此阶段内形成所述高温源与供暖装置之间传热介质的流动循环。发明人认为，传统的固体吸附泵尽管在热力学过程方面通过串联多个吸附器或解吸器有所改善，但与此同时需要安装一些用于内部热交换的管道、阀和泵，因此在整个设备内增热容量和带来热损失，这些又降低了热回收的效率。按照本发明的热泵其特征在于结构特别简单，这一方面降低了生产成本和明显减少故障。另一方面采用按照本发明的结构可以使整个设备的热容量保持得极低，从而使易感受的热量转换相应地减小。在按本发明的固体吸附式热泵中，一吸附器-解吸器单元和一冷凝器-蒸发器单元设置在一公共外壳内并通过一个可渗透吸附物的元件彼此隔开。在气相阶段，工质称为吸附物(Adsorptiv)，以及在被吸附的液相阶段称为被吸附物(Adsorbat)。因此也可以统称为一可渗透蒸汽的元件。所述外壳相对于周围环境是密封的。

吸附器-解吸器单元包括一个换热器，用于将热量从流过换热器的传热介质传输给固体吸附材料，或从固体吸附材料传给传热介质。

按照本发明的固体吸附式热泵的蒸发器和冷凝器设计为一个结构部件，即冷凝器-蒸发器单元。借助该冷凝器-蒸发器单元一方面可以冷凝蒸汽状吸附物并与此同时将冷凝热传输给热介质用于在供暖装置内继续导引，而另一方面将热量从一低温源导向液态工质用于蒸发。

该冷凝器-蒸发器单元在公共外壳内有利地设在吸附器-解吸器单元下方以及所述渗透吸附物的元件设计为渗透蒸汽的海绵，该海绵具有一带有蒸汽通道的定距器的功能。使用陶瓷海绵作为渗透吸附物的元件是特别恰当的。

为了按照本发明获得一种具有特别小的热容量的结构，所述吸附器-解吸器单元包括一个导热的、与所述换热器导热连接的接收体。该接收体满足两项功能，亦即其一是在换热器与吸附材料之间传热，以及其二是使吸附器-解吸器单元建成一种稳定的结构。因此，采用这种稳定的结构可以将公共外壳的壳壁设计得特别薄，因为壳壁不再必须赋予吸附式热泵的结构单元以附加的稳定性，而是仅仅用于相对于周围环境密封所述含有吸附器-解吸器单元及冷凝器-蒸发器单元的内腔。所述外壁可例如设计为金属薄板外壳，其壁厚为0.5mm或更薄，尤其为0.1至0.5mm，该外壳从外部套装到或支承到吸附器-解吸器单元或冷凝器-蒸发器单元上。但也可以出自于例如焊接技术方面的原因考虑采用更大的壁厚。例如用于金属薄板外壳的壁厚为1.5mm或更薄。特别有利的是，冷凝器-蒸发器单元也包括一个同类型的、具有在工质与供入/排出的传热介质之间传输热量以及建立一种稳定结构的双重功能的接收体。

两种设计方案尤其适用所述接收体的结构。第一种设计方案包括一种围绕吸附器-解吸器单元的换热器布置的多片式结构。在各薄片之间这样置入固体吸附材料，即，使得能达到尽可能高效地从换热器向吸附材料传导热量。尤其可以使用市场上常见的多片式换热器，其中散热片有利地垂直排列并具有一些孔用于所述吸附材料的蒸汽输送。

固体吸附材料按一种作为填料的设计被置入到所述多片式结构的薄片之间。如果薄片垂直排列并制有孔，则蒸汽基本上水平流动。由孔构成的通道代表一种类型的分配器，以便使蒸汽均匀地分布到吸附材料内(吸附)，或收集来自吸附材料的蒸汽(解吸)。在这种情况下蒸汽流通过孔或通过由孔构成的通道的流动阻力，与蒸汽流通过填料的流动阻力相比相对较小。因此通过填料的蒸汽行程有利地设计得尽可能短，以便将与之相关联的流动阻力保持得尽可能地小。按一种有利的设计，所述孔以这样的方式彼此之间或相对于换热器的管道间隔一定距离，即，使得通过填料的最大蒸汽行程约为20mm。有关结构设计的详细情况在下面结合附图说明。

所述接收体的第二种有利的设计方案具有一金属海绵，吸附材料置入其空隙内以及换热器的管道导引通过该金属海绵。在此实施方式中所述蒸汽通道还有利地、尤其是通过冲压加工到该接收体内。在这种情况下蒸汽通道仍有利地这样分布地设在接收体内，即，使得当吸附材料作为填料置入时通过该填料的最大蒸汽行程为20mm。

在一项特别有利的设计中，所述吸附器-解吸器单元的换热器和/或其接收体敷设有吸附材料层。这可以作为在吸附器-解吸器单元内加入固体吸附材料的替代或补充方案。

为了达到固体吸附式热泵相对于周围环境特别有效地隔热，所述公共外壳可以设计为双层。在内和外壳层之间的空隙内有利地添入可以传递压力的隔热材料。由此可以将两个壳层设计成具有特别小的壁厚，例如设计为薄金属板外壳。压力可以从外壳层经隔热材料传给内壳层，再传给吸附器-解吸器单元的接收体或冷凝器-蒸发器单元的接收体。两个壳层之间的空隙可以抽成真空，这意味着施加一个负压，以进一步改善隔热效果。

在第二种按照本发明的固体吸附式热泵中，吸附器-解吸器单元与冷凝器-蒸发器单元设在分离的外壳内。两个外壳的内腔通过至少一个导通蒸汽的连接装置互相连接，例如通过一根或多根管道相互连接。因此，无论吸附器-解吸器单元还是冷凝器-蒸发器单元，均设计为独立的结构部件。这两个结构部件的每一个都具有一个有利地满足两项功能的接收体，亦即，其一是在换热器与吸附材料之间传热(吸附器-解吸器单元)以及冷凝器的换热器散热片功能(冷凝器-蒸发器单元)，以及其二是建成各结构单元的一稳定结构。因此，基于此稳定的结构又可以将所述外壳的壳壁设计得特别薄，例如设计为金属薄板外壳，因为各结构单元通过接收体已具有必要的稳定性。壳壁仅用于内腔相对于周围环境的密封。在这里仍可以采用壁厚为1.5mm或0.5mm或更小，尤其为0.1至0.5mm。按照本发明的第二种设计除外壳分离设计外与第一种设计一致。

按照本发明的供暖系统包括一个热循环，它被一种传热介质流过并连接在一高温源上，在达到一预定的第一温度水平时从该高温源将热量传送到传热介质上。此外，在该热循环上连接一低温源，用于在第二温度水平将热量供给传热介质，该第二温度水平处于第一温度水平之下。一用于将热量从传热介质输出(例如为房屋或建筑物供暖)的供暖装置连接在该热循环上，其中在一预定的第三温度水平上输出热量，此第三温度水平处于第一与第二温度水平之间。此外，在该热循环上还连接一个具有已描述的按照本发明的结构的固体吸附式热泵。借助一热循环分配器或借助一些设在该热循环内的热循环阀，可以调整传热介质通过该热循环或通过所连接的构件的流动路径。在这里，这样设计和布置该热循环分配器或热循环阀，即，使得可有利地形成三个接通阶段。下面在本申请文件中对各个接通阶段、即解吸阶段、吸附阶段和旁通阶段予以说明。

附图说明

下面可借助几个实施例详细说明本发明。附图中：

图1表示按照本发明的固体吸附式热泵一种实施方式示意图；

图2表示一种具有一台按照本发明一种实施方式的固体吸附式热泵的热循环示意图；

图3表示带有一吸收体的固体吸附式热泵的第一种实施方式；

图4表示带有一吸收体的固体吸附式热泵的第二种实施方式；

图5表示在供暖系统的一种实施方式的不同阶段中热量流动的示意图；

图6表示用于按照本发明的固体吸附式热泵的具有特别有效的隔热效果的一公共外壳；

图7表示带有处于分离的外壳内的吸附器-解吸器单元与冷凝器-蒸发器单元的一按照本发明的设计结构。

附图标记清单

1固体吸附式热泵

2吸附器-解吸器单元

3换热器

4固体吸附材料

5外壳

6冷凝器-蒸发器单元

7可渗透吸附物的元件

8陶瓷海绵

9接收体

10接收体

11冷凝-蒸发管

12管段

13弯道

14颗粒状填料

15蒸汽腔

16凝结物腔

17薄片

18传热介质管

19蒸汽通道

20热循环

21高温源

22低温源

23供暖装置

23.1废气传热器

23.2采暖设备

24热循环分配器

25热循环阀

26内板衬

27外板衬

28抽真空接管

29管道

具体实施方式

在图1中可以看出按照本发明的固体吸附式热泵1的一种实施方式的基本部件。一吸附器-解吸器单元2和一冷凝器-蒸发器单元6彼此相邻地装在一公共外壳5内。该吸附器-解吸器单元2设在所述冷凝器-蒸发器单元6的上方，以及这两个单元2、6只通过一个渗透吸附物的元件7彼此隔开。一换热器3通过吸附器-解吸器单元2导引。冷凝器-蒸发器单元6同样包括一个也可以称为冷凝-蒸发管11的换热器。

冷凝器-蒸发器单元6的内腔被在工质(吸附物)冷凝时形成的冷凝物分为蒸汽腔15和冷凝物腔16。这样设计冷凝器-蒸发器单元6的容积，即，在产生最大量的冷凝物时不会淹没冷凝-蒸发换热器。与吸附器-解吸器单元2相比，需要的最大冷凝物容积取决于热泵可达到的装填宽度(Beladungsbreite)以及典型地为吸附材料体积的15％至25％。

渗透吸附物的元件7设计为带有蒸汽通道的一个导热性不良的定距器的形式。由此在两个单元2、6之间可形成一个预定的距离以及使它们基本上彼此隔热。

下面可简要说明所表示的固体吸附式热泵的工作方式：在一个第一阶段通过换热器3将例如来自一供暖设备燃烧器的供暖热量供给吸附器-解吸器单元2。在应用例如硅胶/水作为工质对时，通过供热在负压下从吸附材料挥发出水蒸气。蒸汽状工质(吸附物，例如水蒸气)在冷凝器-蒸发器单元6内凝结，与此同时产生的冷凝热经冷凝-蒸发管11导出并用于供暖的目的。基于在冷凝的同时产生的较低的压力，所以从吸附材料挥发的吸附物可以说是从吸附器-解吸器单元2通过渗透吸附物的元件7被吸入到冷凝器-蒸发器单元6中的。

经一预定的时间间隔后(例如30分钟)，第一个循环-解吸循环-结束。在这一时刻理想的是被吸附物完全从吸附材料挥发出来并在冷凝器-蒸发器单元6内处于已凝结的形式，也就是说处于液相状态。如图1所示，在冷凝器-蒸发器单元6内形成某一液位。

现在，所表示的固体-吸附式热泵的运行通过在传热介质循环内相应切换管道转入到一个第二阶段-吸附阶段。此时，吸附器-解吸器单元2，亦即其换热器3，与一个例如用于房屋或建筑物供暖的供暖装置相连接。冷凝器-蒸发器单元6的冷凝-蒸发管11与一低温源相连接。吸附器-解吸器单元2通过放热冷却。与此同时工质在其事先在冷凝器-蒸发器单元6内蒸发后重新被吸附材料吸附。此第二个循环也可以例如持续半小时，但尤其是比解吸阶段略长。在这之后，固体吸附式热泵重新处于第一阶段的起始状态，换句话说，被吸附物理想地完全吸附在吸附材料内。由此，周期性地进行吸附阶段和解吸阶段。

图2表示按照本发明的固体吸附式热泵设计用在一供暖系统中的系统连接图。如图2a所示，供暖系统包括一个热循环20，在该热循环上连接有一固体吸附式热泵1、一含有连接的传热器的燃烧器形式的高温源21、一低温源22以及一供暖装置23，该供暖装置包括一废气传热器23.1和一采暖设备23.2。在此热循环20内设置一热循环分配器24和在一旁通管内的热循环阀25。由此可构成三个不同的工作阶段，在下面对它们加以说明。

作为燃烧器可以使用例如用煤气、油或其他燃料的任何传统的燃烧器。作为低温源尤其适合用外界空气换热器、地下集水管(Erdkollektoren)或地下水。通过旁通管路可以实现燃烧器和热泵的两状态运行(阶段3-旁通)。

通过所表示的系统连接，热泵可以与一个用油或煤气工作的燃烧器以一种这样的方式组合起来，即，可以将通过废气冷凝利用热值和利用热泵相组合。为此设两个分开的传热器用于从燃烧室中耦合输出热量和用于废气冷凝。若废气热能的利用是非必需的，则也可以取消废气传热器23.1。

图2b再次用放大详图表示所述热循环分配器24及其管路连接方法。图中示意性地表示不同的构件，如高温源21、低温源22、供暖装置23、吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6的布置结构以及它们在热循环20内借助热循环分配器24的管路连接。热循环分配器24包括三个尤其设计为电动三通阀的热循环阀25。

图示的分配器24设计为可以提供下列管路连接的可能性(阶段)：

阶段1-解吸：高温源21借助一传热介质的流动循环与吸附器-解吸器单元2相连接；冷凝器-蒸发器单元6借助一传热器的流动循环与供暖装置23相连接；低温源22相对于所述其余的热循环被阻断。

阶段2-吸附：高温源21相对于所述其余的热循环被阻断；供暖装置23借助一传热介质的流动循环与吸附器-解吸器单元2相连接；冷凝器-蒸发器单元6借助一传热介质的流动循环与低温源22相连接。

阶段3-旁通：低温源22、吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6相对于所述其余热循环被阻断；高温源21通过一传热介质的流动循环与供暖装置23相连接。

用于阶段1和2的各热循环阀25的连接点互相连接在一起。取代图2b内所示的分开的阀，也可以在热循环分配器内设一个阀门组。

吸附式热泵的循环持续时间(阶段持续时间)与供暖装置的散热相适应。阶段1和2(解吸和吸附)交替地分别实施如此长的时间，直至初温低于供热网的由供热曲线规定的额定值。由此，尽管热泵间歇式运行仍可实施均匀的放热。当由于工作条件使热泵的热比率达到1时就进入阶段3(旁通)。在这种情况下高温源21，例如燃烧器，直接与供热网、亦即供暖装置23连接。

在各阶段1至3中的热流再一次地表示在图5中。图5a表示阶段1(解吸阶段)。热流从高温源21流入到固体吸附式热泵1的吸附器-解吸器单元2中。在这里通过加热吸附材料放出被吸附物并蒸汽状地流往冷凝器-蒸发器单元6，被吸附物在那里凝结。冷凝热从冷凝器-蒸发器单元6在热流形式导往供暖装置23。低温源22相对于热循环是隔离开的。

图5b表示在阶段2(吸附阶段)中的热流。高温源21相对隔离于其他系统、亦即热循环之外。低温源22借助热循环分配器24以这样的方式连接在固体吸附式热泵1的冷凝器-蒸发器单元6上，即，使热流从低温源22流往冷凝器-蒸发器单元6。液态工质在冷凝器-蒸发器单元6内蒸发并蒸汽状地流向吸附器-解吸器单元2，在那里它积聚在吸附材料内。在阶段1中已加热的吸附器-解吸器单元2的热量以热流形式向供暖装置23输送。由此可达到高于100％的热比率，这意味着在阶段1中高温源21的热能的100％份额理想地传输到供暖装置23上，另外80％份额在阶段2内通过来自低温源22的热流和在固体吸附式热泵1内的吸附作用传输。

图5c表示阶段3(旁通阶段)。可以看出，高温源21借助热循环分配器24直接与供暖装置23管路连接，所以热流从高温源21直接流向供暖装置23。固体吸附式热泵1，亦即吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6以及低温源22均与其余系统隔绝。

图3表示按照本发明的固体吸附式热泵的第一种优选设计方案。图3a表示一个具有多片式接收体9的吸附器-解吸器单元。也可将这种吸附器-解吸器单元称为多片式吸附器。图3a表示所述多片式吸附器的侧视图，以及图3b表示一单个薄片的俯视图。例如可以采用市场上常见的多片式换热器，它如在图5a和5b中表示的那样相应地去适配。

在接收体9的薄片之间置入固体吸附材料4，从而使得从换热器经薄片到固体吸附材料4进行尽可能好地热传导。换热器包括一些通过弯道13互相连接的水平管段，所以在换热器内导引的传热介质从一个水平管段经一个弯道13导引到下一个例如处于其下方的水平管段中。所述弯道13从接收体9侧向伸出。

接收体9的薄片垂直定向，以便能方便地为大部分水平排列的管回路通风。各薄片包括一些用于输送蒸汽的不用管充填的孔。在这些孔内可以置入多孔的管、板或金属丝网，以便构成蒸汽通道。图3b表示一单块薄片17，它带有置入其中的传热介质管18和蒸汽通道19。传热介质管18例如是上述换热器3的水平管段，并可例如流过作为传热介质的水。

接收体9充填吸附材料。为了防止材料流出，可四周围拢一金属丝网或多孔板。作为替代方式或附加方式，在所述例如用铜板或铝板制成的薄片上敷设吸附材料涂层。

在图3b中表示的由在各薄片中未用管充填的孔构成的蒸汽通道19，作为蒸汽分配器(吸附)或收集器(解吸)工作。在吸附阶段，蒸汽从外部水平地流入到蒸汽通道19内，并从蒸汽通道19出发分布在吸附材料4内，吸附材料4作为填料置入薄片之间。蒸汽在蒸汽通道19内的流动阻力与蒸汽流通过填料的流动阻力相比非常小。为了使总流动阻力保持较低，因而有利地将通过填料的最大蒸汽行程限制为最多20mm。这可以通过在薄片内预定分布一些孔来达到。

所述通过填料的最大蒸汽行程由蒸汽从薄片内的孔出发亦即从蒸汽通道19出发沿径向向外经过的距离确定。为了将此距离限制为约20mm，在一有利的设计中，一个蒸汽通道19与相邻的那些管之间的距离为25mm或更小。有利地，在市场上常见的薄片有利地以这样一种方式布置管线，即，只是每第二排孔用管充填，以及空余的各排孔设有嵌入的圆柱形金属丝网(或设多孔的管或板)，从而构成蒸汽通道19。所述嵌入的圆柱形金属丝网有利地由一种与薄片相同的材料制造，以避免接触腐蚀。通过该嵌入的圆柱形金属丝网，保持蒸汽通道19不被吸附材料4的填料侵入，以便使蒸汽在蒸汽通道19内的流却阻力保持很小。

在解吸阶段，所述相应设计的蒸汽通道19收集从吸附材料放出的吸附物，该吸附物再次通过填料经过相当于围绕单个蒸汽通道的流域半径的最大距离。

图3c表示完整的、包括一个按图3a和3b所示接收体9的固体吸附式热泵1。由图可见，冷凝器-蒸发器单元6也包括一个相应结构的接收体10。人们也称此冷凝器-蒸发器单元为多片式蒸发器/冷凝器。

吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6安装在一公共外壳5内并通过一陶瓷海绵8彼此隔开。该公共外壳5用薄金属板制成，它包套着这两个构件。该金属板的机械稳定性通过在管弯道13区域内的换热器3边缘的支持得以保证。

吸附器-解吸器单元与冷凝器-蒸发器单元之间的距离由具有低的热导率、但有足够的蒸汽渗透能力和稳定性的陶瓷海绵8形成。在吸附器-解吸器单元2与冷凝器-蒸发器单元6之间的蒸汽输送，亦即吸附物流，在多片式传热器的管弯道13的区域内经过。金属板衬设计为相对于周围环境真空密封。

采用图3所示的设计方案，可以将整个固体吸附式热泵设计为具有小的热容量，基于具有较少的管道和较小的壁厚的简单结构设计，并由此达到特别高的热比率。

图4表示具有一个接收体的固体吸附式热泵的第二种实施方式。在图4a及图4b中表示的吸附器-解吸器单元2的接收体9设计为金属海绵(Metallschwamm)。该金属海绵用于在换热器3内导引的传热介质与吸附材料之间的传热。金属海绵设计为多细孔式的(offenporig)并充填或涂覆吸附材料。金属海绵可用一金属丝网或多孔金属板在周围张紧，以防吸附材料流出。

换热器3的管道置入金属海绵内。金属海绵与管道之间的连接是良好导热的，这尤其可以通过管的铸入或钎焊达到。

如图4b所示，在金属海绵内可以冲压出附加的蒸汽通道19。

换热器3仍可以由一些通过弯道13互相连接的水平管段12构成。如以俯视图在图4b中所示的那样，在本实施例中在金属海绵内置入一个包括三个垂直并列的管回路的换热器。在这种情况下金属海绵优选地可由三个长方六面体形状的、各有一置入的管段的区段组成，它们彼此对齐地装在所述公共外壳5内。由此能特别容易地将蒸汽通道19装入到接收体9内，亦即金属海绵内。当然也可以将金属海绵以这样的方式分段，即，可以将换热器3的管嵌入两个相邻分段之间。

蒸汽通道可以设置多孔的管、金属板或金属丝网，以防止固体吸附式材料4流出。

图4c表示在一公共外壳5内的一完整的固体吸附式热泵1，它有一个包括设计为金属海绵的接收体9的吸附器-解吸器单元2和一个包括同样设计为金属海绵的接收体10的冷凝器-蒸发器单元6。这两个单元2、6上下相邻地叠置以及只通过一陶瓷海绵8彼此隔开。公共外壳5由一种薄的优选壁厚为0.1至0.5mm的金属板构成。该外壳套在接收体9和10以及中间连接的陶瓷海绵8的边缘上。在这里，金属薄板的机械稳定性通过套在金属海绵或陶瓷海绵上获得，所以金属薄板本身可以设计为静力不稳定的。由此可以采用特别小的壁厚，这样的壁厚又导致整个固体吸附式热泵特别小的热容量。

在吸附器-解吸器单元2与冷凝器-蒸发器单元6之间的蒸汽输送通过陶瓷海绵和在所述安装在吸附器-解吸器单元2内的蒸汽通道19内进行。

如图所示，冷凝器-蒸发器单元6设在吸附器-解吸器单元2下方并具有至少一个与产生的冷凝物的最大液位相同的高度。

图6表示所述公共外壳5的一种优选的设计结构。固体吸附式热泵1(在此视图中未表示)接入到其内腔内。外壳5设计成双层，包括一个优选地用薄金属板制成的内壳和一个优选地同样用薄金属板制成的外壳。

在两个壳层之间、亦即在内板衬26与外板衬27之间的空隙中，优选地置入一种具有这样一种机械稳定性的颗粒状填料14，即，它能在两个板衬26、27之间传递压力。由此可以将产生的这些力向内传给例如在前面图中表示的接收体或换热器管。因此板衬26和27的壁厚也可以设计得特别小，为的是将固体吸附式热泵的热容量保持得较小。

在图示的外壳上连接一抽真空接管28，它优选地通过将一个内管套接在一个外管内而设计成由两部分组成。当然也可以设置分开的接管。借助抽真空接管28既可将固体吸附式热泵1的内腔、也可将外壳5的两个壳层之间的空隙抽成真空。在这里，将固体吸附式热泵1内腔抽成真空，目的是对应于所采用的工质对的要求建立一个预定的压力。外壳5内的空隙抽成真空用于产生最佳的隔热效果。

在外壳5侧面表示了用于吸附器-解吸器单元和冷凝器-蒸发器单元的换热器的管道29。

可例如采用硅胶、珍珠岩或泡沫玻璃珠作为装入到外壳5的两个壳层之间的隔热材料。

图7表示本发明的第二种设计方案。在按此设计方案中，吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6装在分开的外壳5.1和5.2内。两个外壳5.1和5.2的内腔例如(如图中表示的那样)通过管道互相连接。由图可见，每个外壳5.1和5.2都设计为薄板外壳，该薄板外壳套在接收体9或10上，其中设有弯道13的区域例外，在那里此薄板外壳套在这些弯道上。当然，两个结构单元，亦即吸附器-解吸器单元2和冷凝器-蒸发器单元6，也可以设置为彼此任意分离，只要通过恰当的连接管路保证两个结构单元之间的蒸汽流动即可。

附图中所示出的本发明的设计方案具有各种优点。例如可实现一种特别简单、紧凑的结构。通过使用薄板衬作为真空容器，可达到特别小的单位热容量，并因而即使没有内部热回收也能有高的热比率。在双壁式容器内可实现使用真空超级隔热。与此同时，通过可变的循环持续时间，可以使热泵的间歇式运行易于适应供热的需求。由此免去在传统的热力驱动的热泵中经常使用的外部缓冲存储器。

Claims (21)

1.一种固体吸附式热泵(1)，包括：

一具有一换热器(3)和一种固体吸附材料(4)的吸附器-解吸器单元(2)；

该吸附器-解吸器单元(2)与一冷凝器-蒸发器单元(6)一起装在一个公共的对周围环境密封的外壳(5)内，其中，该吸附器-解吸器单元(2)与冷凝器-蒸发器单元(6)通过一可渗透吸附物的元件(7)彼此隔开，

其特征在于：

所述吸附器-解吸器单元(2)包括一导热的接收体(9)，该接收体设置为与所述换热器(3)导热连接；

所述接收体(9)容纳所述吸附材料(4)；

所述接收体(9)赋予所述吸附器-解吸器单元(2)稳定性；

所述公共外壳(5)的内腔中为负压，以及，该公共外壳(5)设计为薄壁板外壳，该外壳以这样的方式套装在所述接收体(9)上，即，使因负压产生的萎陷力传导到该接收体(9)和/或换热器(3)以及冷凝器-蒸发器单元(6)上。

2.按照权利要求1所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述冷凝器-蒸发器单元(6)在公共外壳(5)内设在所述吸附器-解吸器单元(2)下方。

3.按照权利要求1或2所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述可渗透吸附物的元件(7)由一种可渗透蒸汽的海绵构成，它使所述吸附器-解吸器单元(2)与冷凝器-蒸发器单元(6)之间形成一预定的间距。

4.按照权利要求3所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述可渗透蒸汽的海绵是陶瓷海绵(8)。

5.按照权利要求1或2所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述冷凝器-蒸发器单元(6)包括一个与所述吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)相同类型的接收体(10)，该在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)构造成容纳有一些流过传热介质的用于输出冷凝热和输入蒸发热的冷凝-蒸发管(11)，并且使所述冷凝器-蒸发器单元具有结构稳定性。

6.按照权利要求1或2所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)设计为多片式结构或金属海绵。

7.按照权利要求5所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述公共外壳(5)以这样的方式套装到所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)以及所述换热器(3)和冷凝-蒸发管(11)的区段上，即，使得因负压产生的萎陷力传导到所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)和/或换热器(3)及冷凝-蒸发管(11)上。

8.按照权利要求5所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述换热器(3)和冷凝-蒸发管(11)分别设计为一个或多个管回路的形式，其中，每个管回路包括多个水平排列的管段(12)，这些管段在其水平端部通过弯道(13)导通传热介质地互相连接。

9.按照权利要求8所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述薄板外壳从外面套装到所述弯道(13)上。

10.按照权利要求1或2所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述吸附器-解吸器单元(2)的接收体(9)和/或换热器外敷设有一层固体吸附材料(4)。

11.按照权利要求1或2所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述公共外壳(5)设计为双层外壳，在其两壳层之间的空隙充填一种可传递压力的隔热材料；以及该两壳层之间的空隙是抽成真空的。

12.按照权利要求11所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述可传递压力的隔热材料是颗粒状填料(14)。

13.一种固体吸附式热泵(1)，包括：

一具有一换热器(3)和一种固体吸附材料(4)的吸附器-解吸器单元(2)；

一冷凝器-蒸发器单元(6)，其中

该吸附器-解吸器单元(2)包括一导热的接收体(9)，该接收体设置为与所述换热器(3)导热地连接；

所述接收体(9)容纳所述吸附材料(4)；

所述接收体(9)赋予所述吸附器-解吸器单元(2)稳定性；

所述冷凝器-蒸发器单元(6)包括一导热的接收体(10)，该在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)构造成容纳有一些流过传热介质的用于输出冷凝热和输入蒸发热的冷凝-蒸发管(11)并赋予该冷凝器-蒸发器单元(6)稳定性；

所述吸附器-解吸器单元(2)装在一个对周围密封的第一外壳(5.1)内，以及所述冷凝器-蒸发器单元(6)装在一个对周围密封的第二外壳(5.2)内，其中，这两个外壳(5.1、5.2)的内腔中为负压并借助至少一个导通蒸汽的连接管道互相连通；

所述两个外壳(5.1、5.2)设计为薄壁板外壳，它们以这样的方式套装在所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)上，即，使得因负压产生的萎陷力传导到所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)和/或换热器(3)及冷凝-蒸发管(11)上。

14.按照权利要求13所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述在吸附器-解吸器单元(2)中的接收体(9)和所述在冷凝器-蒸发器单元(6)中的接收体(10)设计为多片式结构或金属海绵。

15.按照权利要求13所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述换热器(3)和冷凝-蒸发管(11)分别设计为一个或多个管回路的形式，其中，每个管回路包括多个水平排列的管段(12)，这些管段在其水平端部通过弯道(13)导通传热介质地互相连接。

16.按照权利要求15所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述薄板外壳从外部套装到所述弯道(13)上。

17.按照权利要求14至16中任一项所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述吸附器-解吸器单元(2)的接收体(9)和/或换热器敷设一层固体吸附材料(4)。

18.按照权利要求14至16中任一项所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述两个外壳(5.1、5.2)设计为双层外壳，在其两壳层之间的空隙充填一种可传递压力的隔热材料；以及该两壳层之间的空隙是抽成真空的。

19.按照权利要求18所述的固体吸附式热泵，其特征为：所述可传递压力的隔热材料是颗粒状填料(14)。

20.一种供暖系统，包括：

一被一种传热介质流过的热循环回路(20)；

一连接在所述热循环回路(20)上的高温源(21)，用于在一预定的第一温度水平上将热量输入到所述传热介质中；

一连接在所述热循环回路(20)上的低温源(22)，用于在一预定的低于第一温度水平的第二温度水平上将热量输入到所述传热介质中；

一连接在所述热循环回路(20)上的供暖装置(23)，用于在一预定的处于第一与第二温度水平之间的第三温度水平上将热量从所述传热介质中输出；

一连接在所述热循环回路(20)上的按照权利要求1至16中任一项所述的固体吸附式热泵(1)；

一连接在所述热循环回路(20)上的热循环分配器(24)和/或一些热循环阀(25)，用于可选择地调整通过该热循环回路(20)的传热介质流。

21.按照权利要求20所述的供暖系统，其特征为：所述热循环分配器(24)和/或热循环阀(25)可针对三个接通阶段调整：

第一接通阶段亦即解吸阶段，在此阶段内在所述高温源(21)与吸附器-解吸器单元(2)之间建立第一个传热介质流动循环以及在所述冷凝器-蒸发器单元(6)与供暖装置(23)之间建立第二个传热介质的流动循环；

第二接通阶段亦即吸附阶段，在此阶段内形成所述供暖装置(23)与吸附器-解吸器单元(2)之间传热介质的第一个流动循环以及所述低温源(22)与冷凝器-蒸发器单元(6)之间传热介质的第二个流动循环；

第三接通阶段亦即旁通阶段，在此阶段内形成所述高温源(21)与供暖装置(23)之间传热介质的流动循环。

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