DE19645475B4

DE19645475B4 - Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator

Info

Publication number: DE19645475B4
Application number: DE19645475A
Authority: DE
Inventors: Juergen Ludwig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-05
Filing date: 1996-11-05
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2016-11-06
Also published as: DE19645475A1

Abstract

Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator mit wenigstens zwei Sorbern (101, 103), bestehend aus je einem Sorberwärmeaustauscher (1) mit Rohren (11) als wärmeaustauschenden Elementen, wobei Wärme des oder der Adsorber (101, 103) zur Erwärmung und Desorption des oder der Desorber (101, 103) mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid (16), Sorbermaterial und Sorptionsmittel (13) übertragen wird, wobei der Sorberwärmeaustauscher (1) in einen Raum durch den das Wärmeträgerfluid (16) strömt und einen Raum, in dem das Sorptionsmittel (13) untergebracht ist, unterteilt ist, der mit einem weiteren Raum dampfdurchlässig verbunden ist, in dem Arbeitsmitteldampf (18) von einem Verdampfer (51, 53) oder zu einem Kondensator (51, 53) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorberwärmeaustauscher (1) aus einem oder mehreren beiderseitig mit Zusatzoberflächen (12), wie Querrippen, Längsrippen mit Unterbrechungen, schraubenförmig angebrachten Wollbändern (31) oder Drähten (32) versehenen Rohren (11) aufgebaut ist und dadurch bei geringer Baulänge mit nur einem wärmeträgerseitigen Durchgang Gegenstrom erreicht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen verfahrenstechnischen Apparat und insbesondere die in diesem Apparat verwendeten Rohre gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, für mit Feststoffen, wie z.B. Kieselgel, Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsieben, Hydriden und vorzugsweise Zeolithen als Adsorptionsmittel periodisch arbeitenden Adsorptionswärmepumpen, Adsorptionskältemaschinen und Adsorptionswärmetransformatoren, wobei sich die Beschreibung nur auf die Anwendung in Adsorptionswärmepumpen und Adsorptionskältemaschinen bezieht.
Bei diesen Sorptionsprozessen kann bei nicht zu großen Temperaturunterschieden von Kondensator- und Verdampfertemperatur ein Temperaturbereich, in dem die Adsorbertemperatur gleich der Desorbertemperatur ist, in dem ein "Übergreifen der Temperaturen" erfolgt, für einen besonders wirkungsvollen Wärmeaustausch genutzt werden. Nicht nur Abkühlungswärme sondern auch Adsorptionswärme des Adsorbers wird an ein Wärmeträgerfluid, welches eine Flüssigkeit oder ein Gas insbesondere Luft oder Abgas sein kann, übertragen und von dem Wärmeträgerfluid weiter an den Desorber übertragen.
Um eine gute Wärmeübertragung zu erzielen muß das Wärmeträgerfluid im Adsorber möglichst hoch erwärmt werden, wozu eine Gegenstromanordnung und geringe Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Adsorptionsmittel Voraussetzungen sind. Analoges gilt für die Abkühlung des Wärmeträgerfluids im Desorber. Bei dem durch die hohe Aufwärmung bedingten geringen, Wärmeträgerdurchsatz pro Zeiteinheit ist es schwierig einen reinen Gegenstromwärmeaustauscher mit hohen Wärmedurchgangszahlen zu konstruieren.

Die thermodynamisch mögliche Heizzahl liegt bei Adsorptionswärmepumpen mit "Übergreifen der Temperaturen" bei weit über 2, aber in lediglich einer Veröffentlichung (BWK, 47, (1995) Nr.3, S.94–96) wurde eine Adsorptionswärmepumpe mit 2 Adsorbern beschrieben, die entsprechend der Patentschrift DE 37 007 07 C2 arbeitet und experimentell eine Heizzahl von mehr als 2 erreicht. Diese ist jedoch mit Sorberwärmeaustauschern ausgerüstet, die aus einem mehrere m langen, einseitig mit vergrößerter Oberfläche versehenen gewickelten Rohr bestehen, welches durch Berührung der Wickel Wärmekurzschlüsse hatte und damit keine optimale Gegenstromwirkung erzielen konnte.

In der DE 195 22 250 A1 und DE 195 39 154 A1 wird ein Verfahren zum Betrieb von Wärmepumpen und Kältemaschinen beschrieben, bei dem modifizierte Kompaktwärmeaustauscher eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Plattenwärmeaustauscheradsorber, die aus Festigkeitsgründen nur für einen relativ geringen Druckunterschied zwischen Wärmeträgerfluidseite und Sorptionsmittelseite geeignet sind.

Weiterhin sind noch die US 50 54 544 A und die US 53 88 637 A als Stand der Technik zu nennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sorberwärmeaustauscher für Adsorptionswärmepumpen Adsorptionskältemaschinen oder Adsorptionswärmetransformatoren mit wenigstens 2 Sorbern mit Rohren als wärmeaustauschenden Elementen, mit denen Wärme des oder der Adsorber zur Erwärmung und Desorption des oder der Desorber mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Sorptionsmittel bei geringer Baulänge und geringem Bauvolumen mit wärmeträgerseitig vorzugsweise nur einen Durchgang als Gegenstromwärmeaustauscher in den wesentlichen Konstruktionsmerkmalen festzulegen. Auch bei geringem Wärmeträgerdurchsatz soll bei geringem Druckverlust guter Wärmeübergang erzielt werden. Der Sorberwärmeaustauscher soll für den Einbau in eine Wärmepumpe oder Kältemaschine vorteilhaft geeignet sein, bei der das Wärmeträgerfluid bei Abkühlung auf Adsorberbetrieb und im Adsorberbetrieb an der einen Seite und bei der Vorwärmung zur Desorption und im Desorberbetrieb an der anderen Seite der Sorberwärmeaustauscher eintritt, wodurch sich eine kalte und eine heiße Seite ausbildet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Zusatzoberflächen der Rohre sollen wirtschaftlich und deshalb weitgehend unter Verwendung bekannter Technologien hergestellt und betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2 und 3 gelöst.

Der Wärmefluß in der Strömungsachse des Wärmeträgers, die vorzugsweise in Richtung der Rohrachse liegt, soll im Verhältnis zur übertragenen Wärmemenge bei gleichzeitig geringer Rohrlänge, worunter ein Bereich von ca. 0,3 bis 6 m, vorzugsweise bis 2 m verstanden wird und geringer Wärmekapazität des Wärmeaustauschermateriales klein gehalten werden. Die größere Rohrlänge von 6 m ist insbesondere bei größeren Apparaten aus konstruktiven Gründen sinnvoll. Gleichzeitig ist wegen des periodischen Betriebes eine geringe Wärmekapazität des Sorbers erwünscht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 bis 8 gelöst.

Der arbeitsmittelseitige Druckverlust auf dem Weg zwischen Sorptionsmittel und Kondensator bzw. Verdampfer muß wegen des dadurch bedingten Temperaturabfalles insbesondere bei Sorbersystemen, die bei niedrigen Temperaturen und Drücken mit Wasser als Arbeitsmittel arbeiten, klein sein. Ein günstiger Druckverlust wird bei gutem Wärmeübergang, dem angegebenen Sorptionsmitteldurchmesserbereich und der durchstömten Sorptionsmittelhöhe erreicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 9 und 10 gelöst.

Druckverluste durch Querschnittsänderungen oder Umlenkungen sollen vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 gelöst.

Der Adsorberwärmeaustauscher soll für hohe Betriebstemperaturen, die aus thermodynamischen Gründen über 230 °C, vorzugsweise über 250°C liegen, geeignet sein. Auch für den praktischen Betrieb ist es vorteilhaft, wenn für den Wärmeaustauscher noch höhere Temperaturen zugelassen werden können. Zeolith verträgt beispielsweise in einigen Anwendungsfällen kurzzeitig höhere Temperaturen so, daß Aufbau und Regelung einer für höhere Temperaturen ausgelegten Anlage wirtschaftlicher gestaltet werden können. Für hohe Temperaturen geeignete mit einseitig vergrößerten Zusatzoberflächen versehene Rohre werden durch Walzen oder Ziehen aus Vollmaterial hergestellt. Weiter werden für hohe Temperaturen geeignete Rohre mit angeschweißten glatten oder unterbrochenen Rund- und Längsrippen großtechnisch hergestellt. Zusatzoberflächen mit besonders geringen Materialstärken werden mit Weichloten, die bereits bei 183 °C oder höchstens 232 °C schmelzen, gut wärmeleitend mit Rohren verbunden. Löttechniken, die mit über 280 °C schmelzenden Weichloten oder Hartloten arbeiten, sind zwar bekannt, werden für Rundrohre aber üblicherweise nicht angewendet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 12 gelöst.

In Ausgestaltung der Erfindung werden für den Aufbau der Sorberwärmeaustauscher vorzugsweise Rohre, die alle Bedingungen für eine axiale Strömung des Wärmeträgerfluids erfüllen, verwendet. Bei Einsatz von Flüssigkeiten als Wärmeträger ist die Lösung mit innenseitiger Strömung des Wärmeträgerfluids oft vorteilhaft. Die Lösung mit innenliegender Sorptionsmittelanordnung bietet besondere Vorteile, wenn als Wärmeträgerfluid Luft oder Rauchgase mit geringem Druck verwendet werden und damit eine einfache Ausführung des Wärmeträgerfluidraumes möglich ist. Eine Reinigung des Wärmeträgerfluidraumes ist bei dieser Anordnung möglich, wenn der Mantel des Wärmeträgerfluidraumes abnehmbar ausgeführt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 13 gelöst.

Bei einem zur Verschmutzung der Wärmeaustauschfächen neigenden Wärmeträgerfluid kann eine weitere Anordnung gewählt werden, die eine einfache Reinigung ermöglicht. Ein Vorzug dieser Ausführung ist, daß vom Verfahren keine Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit der mit Zusatzoberflächen versehenen Rohre gestellt werden, da diese senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids angeordnet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 14 gelöst.

Für die Herstellung der beidseitig berippten Rohre benötigen einige Hersteller ein Innenrohr (19). Dieses Rohr kann beispielsweise mit Vorteil zur Wärmezufuhr durch kondensierenden Dampf oder durch Abkühlung von Rauchgasen oder zur Übertragung von Wärme mittlerer Temperatur als Nutzwärme gemäß Anspruch 15 verwendet werden.

In vielen Fällen steht eine begrenzte Fluidmenge pro Zeiteinheit als Wärmequelle und/oder Wärmesenke zur Verfügung. Anders ausgedrückt, die Aufgabe ist, das Fluid um einen größeren Temperaturbereich, beispielsweise mehr als 10 °C abzukühlen und/oder zu erwärmen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 16 gelöst.

Die Erfindung wird an Hand folgender Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:
1 einen aus einem Rohr bestehenden Sorberwärmeaustauscher mit innenseitiger Sorptionsmittelanordnung
2 einen aus einem Rohr bestehenden Sorberwärmeaustauscher mit außenseitiger Sorptionsmittelanordnung
3 und 4 einen als Rohrbündelapparat ausgebildeten Sorberwärmeaustauscher
5 und 6 ein beidseitig mit Wellbändern versehenes Rohr
7 und 8 ein beidseitig mit Drähten versehenes Rohr
9 und 10 einen aus senkrecht zur Rohrachse angeströmten Rohren aufgebauten Sorberwärmeaustauscher
11 Eine Gegenstromanordnung von Sorberwärmeaustauschern
In 1 ist ein aus einem Rohr mit innenseitiger Sorptionsmittelanordnung bestehender Sorberwärmeaustauscher (1) schematisch dargestellt. Auf der Innenseite des beidseitig mit vergrößerten Oberflächen versehenen Rohres (11) sind als Zusatzoberflächen (12) beispielsweise Drähte angebracht, zwischen denen sich das Sorptionsmittel (13) beispielsweise als Schüttung befindet, die dampfdurchlässig durch ein Drahtgewebe, Lochblech oder ein Streckmetall (14) vom Raum in dem das Arbeitsmittel (15) strömt, getrennt ist. Wenn an Stelle der Schüttung eine Beschichtung der Sorberwärmeaustaucheroberfäche mit Sorptionsmittel vorgesehen wird, kann das Drahtsieb (14) entfallen. Auf der Außenseite des Rohres (11) strömt das Wärmeträgerfluid (16) durch die Zwischenräume der beispielsweise durch Drähte gebildeten Zusatzoberfläche (12). Der die Außenseite begrenzende Mantel (17) kann sich frei bewegen. Für den Fall, daß atmosphärische Luft oder Verbrennungsabgas als Wärmeträgermedium verwendet wird, bietet sich diese Lösung besonders an. In diesem Fall können leicht mehrere Rohre in einem Mantel (17) mit an den zur Verfügung stehenden Platz angepaßtem Mantelquerschnitt untergebracht werden. Wenn der Mantel abnehmbar ausgeführt ist, ist eine Reinigung auf der Wärmeträgerfluidseite möglich.
Für den vorteilhaften Einsatz der erfindungsgemäßen Sorberwärmeaustauscher ist es dabei unabhängig von der Schaltung lediglich notwendig, daß das Wärmeträgerfluid bei Abkühlung auf Adsorberbetrieb und im Adsorberbetrieb an der einen Seite und bei der Vorwärmung zur Desorption und im Desorberbetrieb an der anderen Seite der Sorberwärmeaustauscher eintritt, wodurch sich eine kalte und eine heiße Seite ausbildet.
Bei Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärmeträger- fluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. Das Wärmeträgerfluid erwärmt sich durch fühlbare Wärme aus der Abkühlung und Adsorptionswärme beispielsweise von 20 °C auf anfangs 220 °C und am Ende der Adsorptionsperiode auf beispielsweise 160°C oder weniger. Bei Vorwärmung zur Desorption und im Betrieb als Desorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung. Dem aus dem Adsorber austretenden Wärmeträgerfluid wird weitere Wärme zugeführt und es tritt an der heißen Seite in den Desorberwärmeaustauscher mit einer Temperatur von beispielsweise 180 °C bis 240 °C ein, kühlt sich durch Abgabe von fühlbarer Wärme und Desorptionswärme an den Desorber ab und tritt an der kalten Seite mit einer Temperatur von anfangs 20 °C und am Ende der Wärmeaustauschperiode beispielsweise 80 °C oder wärmer aus.
Bei Betrieb mit gasförmigen Wärmeträgerfluids sind bei atmosphärischem Druck und moderatem Druckverlust Wärmedurchgangszahlen von 150 bis 350 W/(m²·K) und mehr bezogen auf die Rohraußenfläche wirtschaftlich erreichbar. Bei Betrieb mit Flüssigkeiten als Wärmeträger sind Wärmedurchgangszahlen von mehr als 400 W/(m²·K) wirtschaftlich zu erzielen.
Vorzugsweise werden Rohre mit kreisrundem Querschnitt verwendet. Es können aber auch Rohre mit anderen Querschnitten, wie ovalem Querschnitt oder Rechteckquerschnitt verwendet werden, wenn keine zu hohen Druckdifferenzen zwischen Adsorptionsmittelraum und Wärmeträgerfluidraum bestehen.
In 2 ist ein aus einem Rohr mit außenseitiger Sorptionsmittelanordnung bestehender Sorberwärmeaustauscher (1) schematisch dargestellt. In diesem Fall ist das Sorptionsmittel (13) auf der Außenseite des beidseitig mit vergrößerten Oberflächen (12) versehenen Rohres (11) zwischen Drähten untergebracht. Die Schüttung wird durch ein Drahtgewebe, Lochblech oder Streckmetall (14) vom Dampfraum (15) getrennt. Wenn an Stelle der Schüttung eine Beschichtung der Sorberwärmeaustaucheroberfäche mit Sorptionsmittel vorgesehen wird, kann das Drahtsieb (14) entfallen. Der die Außenseite begrenzende Mantel (17) ist gasdicht mit dem Innenrohr (11) verbunden. Zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung kann er mit Dehnungsausgleich ausgebildet sein. Auf der Innenseite des Rohres (11) strömt das Wärmeträgerfluid (16) durch die beispielsweise durch Drähte vergrößerte Oberfläche (12). Das Innenrohr (19) ist aus Herstellungsgründen vorgesehen, kann aber als zusätzliche Oberfläche für den Wärmeaustausch, beispielsweise eine Beheizung mit Dampf oder Abkühlung von Verbrennungsgasen bei indirekter Beheizung des Wärmeträgerfluidkreislaufes verwendet werden.
Bei Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. Im Betrieb als Desorber und bei Vorwärmung zur Desorption strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung.
Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu 1.
In 3 und 4 ist ein aus mehreren paralellen Rohren aufgebauter Sorberwärmeaustauscher (1) dargestellt. Er besteht aus den Rohren (11) mit beidseitig vergrößerter Oberfläche (12), der Sorptionsmittelfüllung (13), dem Drahtsieb, Lochblech oder Streckmetall (14) und dem Mantel (17). Das Rohr (19) ist nicht gezeichnet. Diese Anordnung ist für große Apparate wirtschaftlich, bei denen das Sorptionsmittel auf der Außenseite der Rohre angeordnet ist.
Bei entsprechender Gestaltung des Apparates kann das Sorptionsmittel (13) auch auf der Innenseite der Rohre (11) untergebracht werden. Insbesondere bei Verwendung eines unter Normaldruck stehenden gasförmigen Wärmeträgerfluids ist eine Anordnung des Sorptionsmittels (13) auch auf der Innenseite der Rohre (11) sinnvoll, weil dann das Wärmeträgerfluid auf der druckmäßig unproblematischen Seite geführt werden kann.
Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu 1 und 2.
In 5 und 6 wird ein mit beidseitig angeordneten Zusatzoberflächen versehenes Rohr (11) gezeigt. Als Zusatzoberflächen sind außen und innen Wellbänder (31) von beispielsweise 5 mm Breite beispielsweise aus Kupfer, Messing oder Stahl mit dem Rohr (11) durch Löten oder Anpressen gut wärmeleitend verbunden. Dadurch können die Austauschflächen auf das ca. 3- bis 20-fache der Rohraußenfläche vergrößert werden. Das Innenrohr (19) ist aus Fertigungsgründen erforderlich. Dieses Rohr ist besonders für eine axiale Durchströmung geeignet. Eine radiale Durchströmung durch die Sorptionsmittelschicht ist möglich. Insbesondere wenn das Sorptionsmittel als Beschichtung aufgebracht wird, sind auf der Sorptionsmittelseite andere vergrößerte Oberflächen, wie Querrippen, beispielsweise Rundrippen oder schraubenförmig aufgebrachte Rippen oder Längsrippen, die vorzugsweise in axialer Richtung unterbrochen sind, vorteilhaft.
In 7 und 8 wird ein mit beidseitig angeordneten Zusatzoberflächen versehenes Rohr (11) gezeigt, an welchem als Zusatzoberflächen außen und innen Drähte (32) vorzugsweise aus Kupfer angelötet sind. Dadurch können die Austauschflächen ebenfalls auf das ca. 3- 20- fache der Rohraußenfläche vergrößert werden. Als Innenrohr ist als Beispiel ein für Arbeitsmitteldampf durchlässiges Rohr aus Drahtgewebe, Lochblech oder Streckmetall (14) vorgesehen. Dieses Rohr eignet sich gleich gut für eine axiale wie für eine radiale Durchströmung. Auch bei diesem Rohr können innen und außen unterschiedliche Zusatzoberflächen angebracht werden.
In 9 und 10 ist ein aus senkrecht zur Rohrachse angeströmten Rohren aufgebauter Sorberwärmeaustauscher gezeigt. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß keine Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit der Rohre (11) gestellt werden. Das Sammelrohr (22) muß eine geringe Wärmeleitung in der Strömungsachse des Wärmeträgerfluids haben, was durch geringe Wandstärke und Wahl eines Materiales mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie Messing, Kupfer-Nickellegierungen, Stahl oder insbesondere Chrom-Nickelstahl, erreicht wird. Wenn man den Mantel (17) demontierbar ausführt, können die Rohre wärmeträgerfluidseitig leicht gereinigt werden. Weiter ist der Apparat (5), der als Kondensator und anschließend als Verdampfer genutzt wird, eingezeichnet. Auf der Außenseite der Rohre (11) strömt das Wärmeträgerfluid an den Zusatzflächen (12) vorbei, die geringen Strömungswiderstand und guten Wärmeübergang bei Anströmung senkrecht zur Rohrachse erreichen, wie spiralförmig aufgewickelte Rippen, Rundrippen oder rechteckige Rippen. Auf der Innenseite der Rohre ist das Sorptionmittel (13) an oder zwischen der Zusatzberfläche (12) untergebracht. Die Rohre sind mit dem Sammelrohr (22) verbunden. In 6 ist der Apparat (5) direkt mit dem Sammelrohr 22 verbunden. Eine direkte Verbindung mit dem Sammelrohr hat den Vorteil eines geringeren Druckverlustes des Arbeitsmittels (18).
Eine Zuordnung vom jeweiligen Adsorber zum Verdampfer und vom jeweiligen Desorber zum Kondensator ist bei Einbau entsprechender Umschaltarmaturen ebenfalls möglich.
Bei der Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. In dieser Phase ist der Apparat (5) mit einer Wärmequelle verbunden und verdampft Arbeitsmittel, welches im Adsorber adsorbiert wird. Bei der Vorwärmung zur Desorption und im Betrieb als Desorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung. In dieser Phase ist der Apparat (5) mit einer Wärmesenke verbunden und kondensiert das aus dem Desorber desorbierte Arbeitsmittel Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu 1.
In 11 ist eine Gegenstromanordnung von Sorberwärmeaustauschern in einer Sorptionswärmepumpe- oder Kältemaschine gezeigt. Bei Aufwärmung und/oder Abkühlung eines Stoffstromes um eine größere Temperaturdifferenz hat diese Anordnung den Vorteil, daß der Temperaturhub in 2 Stufen erfolgt und Antriebsenergie gespart wird. Der zusätzliche apparative Aufwand ist gering, da die Adsorberwärmeaustauscher ohnehin aus mehreren Elementen bestehen und wärmeträgerfluidseitig in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können. Es sind 4 Sorberwärmeaustauscher (101,102,103,104), eine Vierwegearmatur (56), eine Fördereinrichtung für Wärmeträgerfluid (55), eine Wärmeaustauschvorrichtung für mittlere Temperatur (57) und eine Wärmeaustauschvorrichtung für hohe Temperatur (58) vorgesehen. Die Apparate (53) und (54) können wie in 11 gezeigt, bei entsprechender Apparateausführung und leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmequelle (62) als Verdampfer und bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmesenke (61) als Kondensator betrieben werden. Bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmesenke (61) können die Apparate (51) und (52) als Kondensatoren und bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmequelle (62) als Verdampfer betrieben werden.
Im Betrieb wird kaltes Wärmeträgerfluid mit der Fördereinrichtung (55) über die 4-Wegearmatur (56) durch die wärmeträgerfluidseitig parallel geschalteten Adsorber (103) und (104) gefördert, in denen es sich erwärmt wobei sich die Sorber abkühlen. Die Sorber (103) und (104) adsorbieren Arbeitsmittel, welches in den als Verdampfer arbeitenden Apparaten (53) und (54) verdampft wurde. In der Wärmeaustauscheinrichtung (58) wird das Wärmeträgerfluid durch indirekten Wärmeaustausch oder durch direkte Mischung mit einem heißen Wärmestrom weiter erwärmt und kühlt sich in den Desorbern (101) und (102) ab, wobei sich die Desorber erwärmen und Arbeitsmittel desorbieren, welches in den Apparaten (51) und (52), die als Kondensatoren arbeiten, kondensiert wird. Das Wärmeträgerfluid gelangt über die 4-Wegearmatur (56) in die Wärmeaustauscheinrichtung (57) in der es durch Nutzwärmeabgabe weiter abgekühlt wird und gelangt wieder zur Fördereinrichtung (55). Wenn als Wärmeträgerfluid atmosphärische Luft verwendet wird, kann das Wärmeträgerfluid direkt in die Atmosphäre geleitet werden. Die Fördereinrichtung (55) saugt dann direkt Luft an. Die Wärmeaustauscheinrichtung (57) kann dann entfallen. Nach Beladung der Adsorbers (103) und (104) und Desorption der Desorber (101) und (102) wird die Förderrichtung des Wärmeträgerfluids mit der 4-Wegearmatur (56) umgeschaltet. Dadurch werden die bisherigen Adsorber zu Desorbern und die bisherigen Verdampfer zu Kondensatoren und umgekehrt. Etwa gleichzeitig wird das Medium der Wärmesenke (61), welches in den Apparaten (51) und (52) Kondensationswärme aufnahm durch die neuen Kondensatoren (53) und (54) und das Medium der Wärmequelle (62), welches in den Apparaten (53) und (54) Wärme abgab durch die neuen Verdampfer (51) und (52) gefördert.

1: Sorberwärmeaustauscher
5: Kondensator/Verdampfer
11: Rohr
12: Zusatzoberfläche
13: Sorptionsmittel
14: Drahtgewebe, Lochblech oder Streckmetall
15: Arbeitsmitteldampfraum
16: Wärmeträgerfluid
17: Mantel
18: Arbeitsmitteldampf
19: Innenrohr
22: Sammelrohr für Arbeitsmitteldampf
31: Wellband
32: Draht
51,52,53,54: Kondensator/Verdampfer
55: Fördereinrichtung für Wärmeträgerfluid
56: Vierwegearmatur
57: Wärmeaustauschvorrichtung für mittlere Temperatur
58: Wärmeaustauschvorrichtung für hohe Temperatur
61: Wärmesenke
62: Wärmequelle
101,102,103,104: Sorber mit eingebautem Wärmeaustauscher

Claims

Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator mit wenigstens zwei Sorbern (101, 103), bestehend aus je einem Sorberwärmeaustauscher (1) mit Rohren (11) als wärmeaustauschenden Elementen, wobei Wärme des oder der Adsorber (101, 103) zur Erwärmung und Desorption des oder der Desorber (101, 103) mit geringen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid (16), Sorbermaterial und Sorptionsmittel (13) übertragen wird, wobei der Sorberwärmeaustauscher (1) in einen Raum durch den das Wärmeträgerfluid (16) strömt und einen Raum, in dem das Sorptionsmittel (13) untergebracht ist, unterteilt ist, der mit einem weiteren Raum dampfdurchlässig verbunden ist, in dem Arbeitsmitteldampf (18) von einem Verdampfer (51, 53) oder zu einem Kondensator (51, 53) strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorberwärmeaustauscher (1) aus einem oder mehreren beiderseitig mit Zusatzoberflächen (12), wie Querrippen, Längsrippen mit Unterbrechungen, schraubenförmig angebrachten Wollbändern (31) oder Drähten (32) versehenen Rohren (11) aufgebaut ist und dadurch bei geringer Baulänge mit nur einem wärmeträgerseitigen Durchgang Gegenstrom erreicht wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querrippen aus Rundrippen oder Rechteckrippen bestehen.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Fläche der Zusatzoberflächen (12) sowohl auf der Rohraußenseite, als auch auf der Rohrinnenseite zur Glattrohraußenfläche im wirtschaftlichen Rahmen groß gewählt wird, worunter ein Bereich von ca. 2 bis 30 verstanden wird und ein guter Wärmedurchgang bei geringem Bauvolumen durch geringe Abstände der die Flächen bildenden Bauteile von 0,5–10 mm, vorzugsweise 1 bis 4 mm, erreicht wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgerfluid (16) in Richtung der Rohrachsen strömt und die Wandstärke der Rohre (11) und der Zusatzoberflächen (12) zur Verringerung der Wärmeleitung gering gewählt wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rohre (11) Rohrmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit gewählt wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Rohrmaterial Kupfer-Zinklegierungen, Kupfer-Nickellegierunen, Stahl oder Chrom-Nickel-Stahl verwendet wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Zusatzoberflächen (12) Flächen mit Unterbrechungen in Richtung der Rohrachsen gewählt werden.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Flächen mit Unterbrechungen unterbrochene Längsrippen, schraubenförmig angebrachte Wellbänder (31) oder Drähte (32) und auf der Adsorptionsmittelseite Querrippen gewählt werden.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel (13) als Beschichtung an den Rohren (11) und an den Zusatzoberflächen (12) angebracht ist oder als Schüttung durch ein Drahtgewebe oder Lochblech (14) vom Arbeitsmitteldampfraum (15) dampfdurchlässig getrennt ist.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptioriswärmetransformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die das Sorptionsmittel (13) aufnehmende Zusatzoberfläche (12) bei einem Sorptionsmitteldurchmesser von 0,3 bis 3 mm eine Höhe von ca. 4 bis 25 mm hat, wobei die niedrigere Schichthöhe bei kleineren Abmessungen des Sorptionsmittels (13) und entsprechend geringen Abständen der die Zusatzoberflächen (12) bildenden Bauteile vorgesehen wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (5) mit dem Verdampfer (5) kombiniert ist und direkt mit dem Arbeitsmitteldampfraum (22) des Sorbers verbunden ist, wobei als verbindendes Material schlecht wärmeleitendes Metall mit geringer Wandstärke gewählt wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Rohre mit den Zusatzoberflächen (12) über 230°C schmelzende Weichlote oder Hartlote verwendet werden, wobei auch einseitig mit aus Vollmaterial herausgearbeiteten Rippen oder geschweißten Rippen oder mit sonstigen Zusatzflächen versehene Rohre durch Zusatzoberflächen auf der anderen Seite komplettiert werden können.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorberwärmeaustauscher (1) aus einem oder mehreren Rohren (11) aufgebaut ist, das Wärmeträgerfluid (16) in Richtung der Rohrachse auf der Rohrinnenseite oder der Rohraußenseite strömt und das Sorptionsmittel (13) auf der jeweils anderen Rohrseite angebracht ist, wobei zur Reinigung eine abnehmbare Ausführung des Mantels (17) vorgesehen werden kann.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorberwärmeaustauscher (1) aus wenigstens vier Rohren (11) aufgebaut ist, die mit einem Sammelrohr (22) für das Arbeitsmittel verbunden sind, welches eine geringe Wärmeleitung hat, das Wärmeträgerfluid (16) senkrecht zur Rohrachse auf der Rohraußenseite strömt und das Sorptionsmittel (13) auf der Rohrinnenseite angebracht ist und ein abnehmbarer Mantel (17) vorgesehen ist.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Raum (19) zum Wärmeaustausch genutzt wird.
Periodisch arbeitende Adsorptionswärmepumpe, Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmetransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfräume der Adsorber (101, 103) und der Desorber (101, 103) in zwei oder mehrere Räume aufgeteilt werden und an ebenso viele Kondensator- und Verdampferräume (51, 52, 53, 54) angeschlossen werden, die als Kondensator-Verdampfer ausgebildet sind.