DE3509564A1

DE3509564A1 - Apparatur zur durchfuehrung von adsorption, desorption und innerem waermeaustausch

Info

Publication number: DE3509564A1
Application number: DE19853509564
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Föllinger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-03-16
Filing date: 1985-03-16
Publication date: 1986-09-18

Description

' BESCHREIBUNG DER APPARATUR ZUR DURCHFÜHRUNG VON ADSORPTION,

j DESORPTION UND INNEREM WÄRMEAUSTAUSCH

Die Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur zur Durchführung von Adsorption, Desorption und innerem Wärmeaustausch, insbesondere zur Verwendung in Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältema-

schinen und Wärmetransformatoren.

Derzeitiger Stand der Technik und Beschreibung der Aufgabe

Bei Sorptionswärmepumpen und Sorptionskältemaschinen wird bekanntermaßen ein günstiges Wärmeverhältnis und damit eine gute Wirtschaftlichkeit erreicht, indem die Antriebswärme, mit der das Kältemittel zumindest teilweise ausgetrieben wird, bei möglichst ι hoher Temperatur zugeführt wird. Bei Wärmetransformatoren stellt sich häufig die Aufgabe, daß die erzeugte Nutzwärme bei hoher Temperatur zur Verfugung stehen muß.

Arbeitsstoffsysteme, die eine flüssige Lösung bilden, sind auf vergleichsweise niedrige Temperaturbereiche beschränkt, da bei Überschreitung der zulässigen Temperaturen u. a. Probleme hinsichtlich Korrosion, der Löslichkeit des Kältemittels in der Lösung und des ansteigenden Lösungsmitteldampfdruckes auftreten. Dagegen weisen Arbeitsstoffsysteme, die eine feste Lösung bilden, diese Nachteile nicht auf. Die Lösungsmittel dieser Arbeitsstoffsysteme sind häufig ebenfalls fest, und das Kältemittel kann von diesen Feststoffen adsorbiert bzw. desorbiert werden.

Herkömmliche Sorptionswärmepumpen, Sorptionkältemaschinen und Wärmetranfsformatoren, die mit flüssigen Lösungen arbeiten, weisen einen sogenannten Lösungskreislauf auf, in dem durch Pumpen im Kreis die flüssige Lösung abwechselnd zunächst im sogenannten

Absorber einer Absorption (d. h. Aufnahme von Kältemitteldampf) und weiterhin im sogenannten Desorber oder Austreiber einer Desorption (d. h. Abgabe von Kältemitteldampf) unterworfen wird. Aus Gründen einer energiesparenden Betriebsweise ist es hierbei erforderlich, zwischen Absorber und Desorber einen Wärmeaustauscher (Rekuperator) derart vorzusehen, daß zwischen der stark kältemittelhaltigen Lösung und der weniger kältemitteihaitigen Lösung ein Wärmeaustausch stattfinden kann.

Bei Sorptionswärmepumpe^ Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, die mit festen Lösungen arbeiten, kann ein herkömmlicher Lösungskreislauf nicht realisiert werden. Da die Lösung fest ist, kann der beim herkömmlichen Lösungskreislauf zur Überwindung des Druckunterschiedes zwischen Absorber und Desorber unverzichtbare Pumpvorgang einerseits und Drossel- oder Expansionsvorgang andererseits nicht durchgeführt werden. Adsorption und Desorption müssen demnach im gleichen Behälter stattfinden. Die Arbeitsweise von Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren erfordert jedoch, daß Absorption und Desorption bei

; 20 verschiedenen Temperaturen stattfinden. Bei flüssigen Lösungen spricht man bekanntermaßen von "Absorption" und bei festen Lösungen von "Adsorption". Wegen der Temperaturdifferenz zwischen Adsorption und Desorption muß der kombinierte Adsorptions-Desorptions-Behälter, im folgenden kurz mit "Behälter" bezeichnet,

abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt werden. In technischer Hinsicht ergibt sich hieraus eine diskontinuierliche, periodische • Betriebsweise.

Bisher sind keine Ausführungsformen von mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und/oder Wärmetransformatoren bekannt, bei denen eine zumindest quasikontinuierliche Arbeitsweise mit einem für ein großes Wärmeverhältnis notwendigen inneren Wärmeaustausch zwischen der stark kältemittelhaltigen Lösung und der weniger kältemittelhaltigen Lösung derart kombiniert ist, daß die Behälter näherungsweise die gesamte Differenz zwischen Adsorptions- und Desorptionstemperatur nur

, aufgrund dieses inneren Wärmeaustausches durchlaufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsweise von mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren so zu verbessern, daß sie an den Anlagengrenzen zumindest quasikontinuierlich arbeiten und zusätzlich ein innerer Wärmeaustausch möglich ist.

Durch die erfindungsgemäße Apparatur werden die Vorteile der mit flüsssigen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, nämlich ein großes Wärmeverhältnis durch inneren Wärmeaustausch im Lösungskreislauf sowie eine zumindest quasikontinuierliche Betriebsweise vereint mit den Vorteilen der mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, insbesondere der Möglichkeit, das oberste Temperaturniveau sehr hoch legen zu können.

Aufbau der erfindungsgemäßen Apparatur

Die Gesamtmenge des zum Betrieb der Apparatur benötigten festen Lösungsmittels (Sorptionsmittels) ist gleichmäßig auf mehrere Behälter, im folgenden im Uhrzeigersinn durchlaufend mit 1 bis 8 bezeichnet, verteilt (Fig. 1). Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Behälter in Form eines ebenen Kreises angeordnet, sie können jedoch auch in einer anderen räumlichen Weise angeordet sein. Die Anzahl der Behälter kann beliebig gewählt werden und ist im Ausführungsbeispiel mit acht gewählt. Sie wird bei jeder Anlagenauslegung individuell angepaßt.

Die Behälter werden von einer in sich geschlossenen Kreislaufleitung 9 durchzogen. In dieser Leitung, welche auch als Hilfskreislauf bezeichnet wird, zirkuliert ständig ein Wärmeträgerme-

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1' dium. Die Behälter und insbesondere die Füllung mit Lösungsmittel bzw. Lösung stehen über die Rohrwandung mit dem Wärmeträgermedium in wärmeleitendem Kontakt. Innerhalb der Behälter kann das Rohr mit Rippen oder ähnlichen Vorrichtungen versehen sein. Es können den Wärmeübergang begünstigende Vorkehrungen getroffen sein, wie z. B. Führung in Spiralen, Aufteilung in mehrere parallel geschaltete Stränge u. ä.. Zur Bewegung des Wärmeträgermediums können beispielsweise Pumpen 10 vorgesehen sein.

Durch das zirkulierende Wärmeträgermedium wird, wie weiter unten genauer ausgeführt wird, in der Behälteranordnung ein umlaufendes Temperaturprofil derart erzeugt, daß die Behälter, untereinander zeitlich verschoben, jede Temperatur von der minimalen bis zur maximalen annehmen. Da das Lösungsmittel bzw. die Lösung in jedem Behälter diese zyklischen Temperaturschwankungen nachvollzieht, kann (beispielsweise bei Anordnung dieser Apparatur als Bestandteil einer Wärmepumpe oder Kältemaschine) der Behälter, der momentan gerade die höchste Temperatur aufweist, bei hohem Druck Kältemittel desorbieren und derjenige Behälter mit der augenblikkl ich niedrigsten Temperatur bei niedrigem Druck Kältemittel adsorbieren. Beim Betrieb als Bestandteil eines Wärmetransformators erfolgt die Adsorption bei hohem Druck und hoher Temperatur und die Desorption bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur.

Zum Zu- bzw. Abführen des ad- bzw. desorbierten Kältemittels

können Absperrarmaturen 11 vorgesehen sein, die in je eine gemeinsame Hochdruckleitung 13 bzw. Niederdruckleitung 14 münden. Die bei der Ad- bzw. Desorption erforderliche Ab- bzw. Zufuhr von Wärme kann beispielsweise über zusätzliche Wärmetauschereinrichtungen 12 erfolgen. Diese werden vorzugsweise zum Zeitpunkt der Ad- bzw. Desorption aktiviert. Der Wärmeaustausch beim Durchlaufen der Temperaturdifferenz zwischen Adsorption und Desorption erfolgt überwiegend zwischen den Behältern und dem Kreislauf 9.

; 1- Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Apparatur

Die Beschreibung der Arbeitsweise erfolgt anhand der Verwendung 5 als Bestandteil einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine. Beim Einsatz in einem Wärmetransformator erfolgen Adsorption und Desorption sinngemäß vertauscht.

In der graphischen Darstellung der Fig. 2 ist die Temperatur radial vom Mittelpunkt der Figuren aus aufgetragen. Die Länge der in Fig. 2 eingezeichneten, radial nach außen zeigenden Pfeile steht dabei mit den widerzugebenden Temperaturen derart in Zusammenhang, daß ein fehlender Pfeil (Länge Null, Kreismittelpunkt) der niedrigsten auftretenden Temperatur entspricht und ein am Kreisbogen anliegender Pfeil (maximale Länge) der höchsten Temperatur. Im übrigen ist dieser Zusammenhang linear.

ι Die Betrachtung beginnt zu einem Zeitpunkt, in dem die in Fig. 2a j gezeigte Temperaturverteilung vorliegt: Der Behälter Nr. 1 hat die höchste Temperatur, die Desorptionstemperatur, und der Behälter Nr. 5 hat die niedrigste Temperatur, die Adsorptionstemperatur. Nach einem bestimmten Zeitraum ist durch die Wirkung des im Uhrzeigersinn umlaufenden Wärmeträgermediums das Maximum der Temperaturverteilung zum Behälter Nr. 2 hin gewandert (Fig. 2a1).

Hierbei stehen die "Umlaufgeschwindigkeit" des Temperaturprofiles und die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in keinem einfachen, direkten Zusammenhang. Vielmehr hängt die "Umlaufgeschwindigkeit" des Temperaturprofiles außer von der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums u. a. noch von den thermischen Vorgängen bei der Adsorption und Desorption und den Wärmekapazitäten der Behälter ab.

Da die Wärmeübertragung zwischen den Behältern und dem Wärmeträgermedium nicht reversibel verläuft, erreicht der Behälter Nr. 2 nicht ganz die Desorptionstemperatur. Er muß daher nachgeheizt

werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschereinrichtungen 12. Auf diesem Wege kann auch zumindest teilweise die für die eigentliche Desorption erforderliche Wärme zugeführt werden. Während dieses Vorganges ist das Minimum der Temperaturverteilung vom Behälter Nr. 5 zum Behälter Nr. 6 gewandert. Wegen der vorhandenen Irreversibilitäten wurde dieser Behälter jedoch nicht ganz bis zur Adsorptionstemperatur abgekühlt. Er muß daher nachgekühlt werden. Außerdem ist die latente Adsorp-

! tionswärme abzuführen. Dies kann wiederum über die Wärmetauscher-

Π0 einrichtungen 12 in Fig. 1 erfolgen. Die resultierende Temperaturverteilung zeigt Fig. 2b. Sie ist identisch mit der um 1/8 Umdrehung "weitergedrehten" Temperaturverteilung von Fig. 2a.

: Durch Wiederholung des beschriebenen Vorganges entsteht die in Fig. 2c gezeigte Temperaturverteilung. Aufgrund der fortlaufenden Wiederholung dieses Vorganges existiert eine ständig rotierende Temperaturverteilung. Jeder Behälter für sich betrachtet unterliegt dabei periodisch wiederkehrenden Temperaturschwankungen derart, daß er gleitend alle Temperaturstufen zwischen der Ad-

j sorptions- und der Desorptionstemperatur durchläuft.

Durch den Wärmeträger-Hilfskreislauf wird also ein gerichteter innerer Wärmeaustausch bewerkstelligt. Das bedeutet, daß die für die gerade aufzuheizenden Behälter benötigte Wärme aus den ι gerade abzukühlenden Behältern freigestzt wird. Durch diese Wärmerückgewinnung innerhalb der Apparatur, kurz mit "innerer Wärmerückgewinnung" bezeichnet, wird das Wärmeverhältnis der Gesamtanlage wesentlich gesteigert.

; Weiterhin wird aufgrund der Tatsache, daß die ad- bzw. desorbierenden Behälter ständig wechseln, im eigenlichen Kältekreislauf insbesondere also im Kondensator und im Verdampfer der Sorptionswärmepumpe, der Sorptionskältemaschine oder des Wärmetransformators, in die bzw. in den die Apparatur integriert ist - ein zumindest quasi kontinuierlicher Betrieb erreicht. Die zeitlichen Schwankungen im eigentlichen Kältekreislauf sind dabei umso geringer, je größer die Anzahl der Behälter ist.

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Claims

1· PATENTANSPRÜCHE

("!^Apparatur zur Durchführung von Adsorption, Desorption und innerem Wärmeaustausch vorzugsweise als Bestandteil von Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und/oder Wärmetransformatoren dadurch gekennzeichnet, daß das feste Lösungsmittel auf einen oder mehrere Behälter aufgeteilt ist und zwischen diesen Behältern über einen in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislauf ein gerichteter Wärmeaustausch stattfindet, daß weiterhin das adsorbierte und desorbierte Fluid in geeignet beeinflußter Weise die Behälter verlassen oder in diese hineinströmen kann, daß weiterhin infolge des in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislaufes ein umlaufendes Temperaturprofil derart aufrecht erhalten wird, daß die Behälter, untereinander zeitlich versetzten, periodischen Temperaturschwankungen unterliegen.

2.)Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere Behälter mit von dem in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislauf unabhängigen Einrichtungen zum Wärmeaustausch versehen sind.

3.)Apparatur nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das im in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislauf zirkulierende Wärmeträgermedium seiner chemischen Beschaffenheit nach das gleiche ist, wie dasjenige Fluid, das innerhalb der Behälter adsorbiert oder desorbiert wird.

4.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einer oder an mehreren Stellen des in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislaufes zumindest ein Teil des Wärmeträgermediums zu- oder abgeführt wird.

5.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation des Wärmeträgermediums innerhalb , des in sich geschlossenen Wärmeträgerkreislaufes mit Hilfe eines ! oder mehrer Strahl apparate aufrechterhalten wird.

6.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn-

! zeichnet, daß der in sich geschlossene Wärmeträgerkreislauf eine

^! oder mehrere Pumpen enthält, die keine Strahl apparate sind.

^: 7.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des adsorbierten und/oder desorbierten , Fluids in die Behälter hinein bzw. aus diesen heraus durch eine oder mehrere Armaturen gesteuert wird.

8.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der gemäß Anspruch 7 zum Steuern der Strömung verwendeten Armaturen Rückschlagarmaturen sind.

9.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des adsorbierten bzw. desorbierten Fluides in die Behälter hinein bzw. aus diesen heraus dadurch gesteuert wird, daß sich die Behälter relativ zu den an sie angrenzenden, zum Zu- bzw. Abführen des Fluides dienenden, Bauteilen in regelmäßiger Bewegung befinden.

10.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der oder zusätzlich zu der in den Ansprüchen 7 bis 9 genannten Fluidströmung eine andre bzw. zusätzliche Strömung durch einen oder mehrere Behälter derart erzeugt wird,

daß ein unmittelbarer stofflicher Kontakt zwischen dem strömenden Fluid und dem Lösungsmittel besteht. Insbesondere kann hierbei ein Stoffaustausch und/oder ein unmittelbarer Wärmeaustausch zwischen Kältemittel und Lösungsmittel auftreten. Insbesondere kann durch diesen unmittelbaren Kontakt zumindest ein Teil des zur Ad- bzw. Desorption erforderlichen Wärmeaustausches stattfinden.

11.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel vorzugsweise Zeolithe verwendet werden.

12.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungmittel eine vorzugsweise auf einer festen Trägersubstanz anhaftende Flüssigkeit oder Gel verwendet wird. Insbesondere kann hierbei auch die feste Trägersubstanz an den relevanten physikalischen und chemischen Vorgängen beteiligt sein.

13.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine Sorptionswärmepumpe, eine Sorptionskältemaschine und/oder einen Wärmetransformator derart integriert ist, daß sie den herkömmlicherweise mit flüssiger Lösung arbeitenden Absorber-Desorber-Lösungskreislauf ersetzt.

14.)Apparatur nach einem der Ansprüche T bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in eine Resorptionswärmepumpe, eine Resorptionskältemaschine und/oder einen Resorptions- Wärmetransformator derart integriert ist, daß sie den herkömmlicherweise mit flüssiger Lösung arbeitenden Resorber-Entgaser-Lösungskreislauf ersetzt.

15. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei gattungsgemäße Apparaturen der beschriebenen Art derart in eine Resorptionswärmepumpe, eine Resorptionskältemaschine und/oder einen Resorptions-Wärmetransfor-5 mator integriert sind, daß sie sowohl den herkömmlicherweise mit ; flüssiger Lösung arbeitenden Absorber-Desorber-Lösungskreislauf ! als auch den herkömmlicherweise mit flüssiger Lösung arbeitenden Resorber-Entgaser-Lösungskreislauf ersetzen.

16.)Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Apparatur desorbierte Fluid in einer Expansionsmaschine entspannt wird.

Hinzu zwei Reinzeichnungen Fig. 1 und Fig. 2a - c