BRPI0712799A2

BRPI0712799A2 - bomba de calor quìmica, e, trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor

Info

Publication number: BRPI0712799A2
Application number: BRPI0712799-5A
Authority: BR
Inventors: Ray Olsson; G Ran Bolin
Original assignee: Climatewell Ab
Priority date: 2006-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2012-10-02
Also published as: SE0601222L; EP2021704A1; WO2007139476A1; EP2021704B1; IL194956A0; KR20090016566A; RU2433360C2; RU2008147120A; CN101454624B; EP2021704A4; SE530959C2; IL194956A; AU2007268277A1; KR101477305B1; MX2008013444A; ZA200808849B; CN101454624A; US20090249825A1; JP5735596B2; US8695374B2

Abstract

BOMBA DE CALOR QUìMICA, E, TROCADOR DE CALOR OU UMA ESTRUTURA DE TROCADOR DE CALOR. Uma bomba de calor química inclui uma parte de reator (1) que contém uma substância ativa e uma parte de evaporador/condensador (3) que contém aquela porção de líquido volátil que existe em um estado condensado e pode ser absorvida pela substância ativa. Um canal (4) interconecta a parte de reator e a parte de evaporador/condensador. No mínimo na parte de reator uma matriz (13) é fornecida para a substância ativa, de modo que a substância ativa ao mesmo em seu estado sólido e seu estado líquido ou sua fase de solução é mantida ou carregada por, ou ligada à matriz. A matriz é, de maneira vantajosa, um material inerte tal como óxido de alumínio, e tem poros que são permeáveis ao líquido volátil, e nos quais a substância ativa está localizada. Em particular, um material pode ser utilizado, o qual tenha uma superfície ou superfícies nas quais a substância ativa pode ser ligada em seu estado líquido. Por exemplo, a matriz pode ser um material que compreende partículas separadas, tais como um pó ou um material de fibra comprimida.

Description

"ΒΟΜΒΑ DE CALOR QUÍMICA, Ε, TROCADOR DE CALOR OU UMA ESTRUTURA DE TROCADOR DE CALOR" PEDIDO RELACIONADO

Este Pedido reivindica prioridade é benefício do Pedido de Patente Sueco Número 0601222/3, depositado em 29 de maio de 2006, cujos ensinamentos completos são aqui com isto incorporadas para referencia.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção é relativa a uma bomba de calor química que trabalha de acordo com o princípio híbrido.

FUNDAMENTO DA INVENÇÃO

O princípio de funcionamento da bomba de calor química é bem conhecido ver, por exemplo, as Patentes U.S. 5440889, 5056591, 4993239, 4754805 e os Pedidos de Patente Internacional publicados WO 94/21973, WO 00/31206, WO 00/37864 e WO 2005/054757. Em uma bomba de calor química uma substância ativa é fornecida, a qual realiza o verdadeiro processo da bomba de calor e que trabalha juntamente com um meio volátil, o absorvente, que usualmente é um líquido dipolar, água na maioria dos casos. Como a substância de trabalho ativa pode ser utilizada de acordo com a técnica precedente, ou uma substância sólida ou uma substância líquida, ou uma substância "híbrida". Por substância ativa "sólida" se quer significar que a substância permanece em um estado sólido todo o tempo, durante todo o processo e todos os ciclos, isto é, ao mesmo tempo com e sem um meio volátil absorvido nela. Por uma substância ativa "líquida" se quer significar que a substância permanece em um estado líquido todo o tempo, durante todo o processo e todos os ciclos, isto é, ao mesmo tempo com e sem um meio volátil absorvido nela. Por uma substância "híbrida"se quer significar que a substância ativa durante o processo na bomba de calor é alternado entre um estado sólido e um estado líquido.

Para uma substância ativa sólida são obtidas vantagens, as quais incluem que a temperatura de resfriamento no sistema no qual a bomba de calor está incorporada permanece constante durante todo o processo de descarga e que uma capacidade de armazenagem relativamente grande pode ser omitida. Um valor típico da capacidade de armazenagem de uma substância sólida que utilizam água como o absorvente, tomada como a energia de resfriamento, é cerca de 0,3 kWh/l da substância. Uma outra vantagem associada com a utilização de uma substância sólida, é que não são requeridos componentes teve móveis no sistema. Calor é fornecido para ou retirado da substância por meio de um trocador de calor lamelar ou um trocador de calor de placa que está em contato homogêneo com a substância. Daí, na bomba de calor química descrita no Pedido de Patente citado WO 00/31206 nenhum componente móvel é fornecido no lado de processo. A desvantagem associada com uma substância sólida é a potência limitada que pode ser obtida devido à condutividade térmica genericamente baixa de substâncias sólidas. No mesmo Pedido de Patente, entre outras coisas, está descrito um método para solucionar o problema associado com a má condutividade térmica de substâncias sólidas e a baixa potência/eficiência (rendimento) que resulta disto. O método inclui que a substância sólida seja sedimentada no sorbato para formar uma lama que tem a consistência que pode ser facilmente enchida ao redor ou para o interior de um trocador de calor. A quantidade de sorbato na lama deveria exceder a concentração de sorbato que irá existir mais tarde no estado descarregado da bomba de calor. Daí em diante, quando a substância está carregada ela obtém uma forma sinterizada final, uma assim chamada matriz, que não é dissolvida na absorção normal de sorbato na operação da bomba de calor.

Para utilização de uma substância líquido a vantagem de uma potência elevada é obtida, uma vez que a substância pode ser borrifada sobre o trocador de calor ao mesmo tempo nos processos de carregamento e descarregamento, e daí ser resfriada e aquecida, respectivamente, de maneira eficiente. A desvantagem associada com uma substância sólida é que a capacidade de resfriamento diminui como uma função da diluição do absorvente. Realmente, ela limita fortemente o intervalo operacional dentro do qual a substância pode ser utilizada, isto por sua vez reduzindo a capacidade de armazenagem tomada como acima, como energia de resfriamento por litro de substância. A maior parte das substâncias líquidas para utilização em bombas de calor químicas são soluções de sais inorgânicos fortemente higroscópicos, preferivelmente em água, e de maneira similar a água é utilizada como o absorvente. Isto fornece uma outra limitação devido ao fato que a substância dissolvida não pode ser deixada cristalizar. A cristalização cria problemas em bocais e bombas.

Utilizando uma assim chamada substância híbrida, diversas das vantagens associadas com sistemas sólidos e líquidos podem ser combinadas, ver o Pedido de Patente Internacional WO 00/37864 citado acima. A bomba de calor química divulgada neste Pedido de Patente opera de acordo com procedimento especial que pode ser chamado o princípio híbrido, o método híbrido ou o processo híbrido. Neste processo a substância existe ao mesmo tempo em um estado sólido e líquido durante o processo, a fase sólida sendo utilizada para armazenar energia com uma densidade de energia grande como em sistemas sólidos, enquanto a troca de calor para e a partir da substância é feita somente na fase liquida da substância com um rendimento tão grande como em sistemas líquidos comuns. Somente a fase líquida é utilizada para a troca de calor para as vizinhanças. Uma condição disto é que as fase sólida e líquida possam ser mantidas separadas durante o processo.

Uma separação pode ser obtida por filtragem utilizando um dispositivo de separação de um tipo adequado, tal como uma rede ou um filtro, ou de alguma outra maneira. A fase líquida, muitas vezes chamada "a solução", é bombeada e borrifada sobre um trocador de calor. Como no caso de sistemas que utilizam somente uma solução, isto é, com uma substância que é líquida todo o tempo, é importante que as bombas válvulas e bocais de sistemas híbridos não sejam bloqueados por cristais no trajeto de circulação.

Assim, genericamente, o sistema sólido tem em relação a ele uma vantagem evidente, uma vez que ele não requer quaisquer bombas, válvulas e bocais.

Na figura 1 uma bomba de calor química está genericamente mostrada em uma maneira esquemática, a bomba de calor projetada para produzir resfriamento ou calor, e trabalhar de acordo com o processo híbrido descrito no Pedido de Patente Internacional citado WO 00/37864. A bomba de calor inclui um primeiro recipiente 1 ou acumulador, que inclui uma substância mais ou menos dissolvida 2 que pode que absorver exotermicamente ou dessorver endotermicamente um sorbato. O primeiro recipiente 1 é conectado a um segundo recipiente 3, também chamado condensador/evaporador, através de um tubo 4. Um segundo recipiente 3 trabalha como um condensador para condensar sorbato gasoso 6 para formar sorbato líquido 5 durante dessorção endotérmica da substância 2 no primeiro recipiente e como um evaporador de sorbato líquido 5 para formar sorbato gasoso 6 durante absorção exotérmica do sorbato na substância 2 no primeiro recipiente 1. A substância 2 no acumulador 1 está em contato de condução de calor com um primeiro trocador de calor 7 localizado nele que pode, por sua vez, através de um escoamento líquido 8 ser suprido com calor a partir de calor distribuído para a vizinhança. O líquido 5 na parte de evaporador/condensador 3 está, de maneira similar, em um contato de condução de calor com um segundo trocador de calor 9 localizado nele, para ou a partir do qual calor pode ser fornecido ou distribuído de ou para a vizinhança, respectivamente, através de um fluxo de calor 10. Para que a bomba de calor venha a trabalhar de acordo com o princípio híbrido o primeiro trocador de calor 7 juntamente com a substância 2 no seu estado sólido é encerrada em uma rede de malha fina ou filtro 11. Solução que é o estado líquido da substância existe na porção inferior do acumulador 1 e é coletada em um espaço livre 12 localizado abaixo do primeiro trocador de calor 7. A partir deste espaço a solução pode, através de um conduto 13 e uma bomba 14, ser borrifada sobre o primeiro trocador de calor 7.

Para resumir, o que segue é verdadeiro:

- Em um sistema que trabalha com uma substância sólida uma temperatura de resfriamento constante é obtida uma vez que a reação ocorre entre dois estados de fase da substância. Estes dois estados de fase são ambos sólidos e mantém, em uma transformação de um dos estados para o outro estado uma pressão de reação constante do absorvente. A pressão de reação permanece constante até que toda a substância tenha sido transformada do primeiro estado para o segundo estado. A desvantagem do sistema é a condutividade de calor muito baixa e a energia baixa que resulta disto. Suas vantagens incluem que ele trabalha sem quaisquer partes móveis, tem uma capacidade de armazenagem elevada e uma pressão de reação constante.

- Em um sistema que trabalha com uma substância híbrida a primeira fase é, quando o absorvente é absorvido pela substância, isto é, no processo de descarga, sólido enquanto a segunda fase é líquida e então, da mesma maneira como acima, é mantida uma pressão de reação constante do absorvente. A substância irá então mudar sucessivamente de maneira contínua de um estado sólido para um estado líquido ao mesmo tempo em que uma temperatura de resfriamento constante é obtida. O processo continua com uma pressão de reação constante, até que toda a substância tenha mudado de seu estado sólido para seu estado líquido. Da mesma maneira, a pressão de reação é constante no processo de carregamento quando a substância muda de um estado líquido para um estado sólido. A capacidade de armazenagem e a pressão de reação são equivalentes àquelas de uma substância sólida. O método utilizado em sistemas que trabalham com uma substância híbrida para obter uma potência elevada é trabalhar com soluções da mesma maneira como em um sistema que trabalha com uma substância líquida. Líquido é bombeado do recipiente de substância através de um sistema para separar cristais para um sistema de borrifamento por meio do qual a solução é borrifada sobre o trocador de calor que forma uma unidade separada no reator.

SUMÁRIO

É um objetivo da invenção fornecer uma bomba de calor química eficiente que trabalha de acordo com o princípio híbrido.

É um outro objetivo da invenção fornecer uma bomba de calor química na qual vantagens de um sistema sólido são combinadas com vantagens de um sistema híbrido.

Como foi mencionado acima, bombas de calor químicas que trabalham com uma substância sólida têm a desvantagem associada com uma condutividade de calor muito baixa e daí uma potência ou rendimento baixos e as vantagens de ter a capacidade de trabalhar sem quaisquer partes móveis, uma capacidade de armazenagem elevada e uma pressão de reação constante. Bombas de calor químicas que trabalham com uma substância híbrida têm as vantagens de uma potência e rendimento elevados devido à condutividade de calor mais alta e, adicionalmente, ao fato que elas também podem trabalhar sem quaisquer partes móveis e que elas têm uma capacidade de armazenagem elevada e uma pressão de reação constante.

Em uma bomba de calor química que trabalha com uma substância híbrida, se a solução de substância ativa é utilizada para aumentar a condução de calor entre a substância ativa e o trocador de calor no acumulador, o que pode, por exemplo, ser conseguido pelo fato que a substância ativa não está sujeita a qualquer deslocamento durante o processo total na bomba de calor química, isto é, de modo que a substância ativa todo o tempo esteja estacionária ou localizada em uma maneira estacionária, uma bomba de calor química que tem uma assim chamada substância "híbrida" sólida, pode ser obtida. Para conseguir isto, a solução da substância ativa pode ser aspirada para e/ou ser ligada a uma substancia passiva aqui chamada uma matriz um portador, que genericamente deveria estar em bom contato de condução de calor com o trocador de calor no acumulador e pode ser arranjada como um ou mais corpos que, por sua vez, podem ser integrados de maneira próxima uns com os outros. Que a substância é passiva significa que ela não opera em conjunto na absorção e liberação de meio volátil pela substância ativa. Assim, a função da matriz é manter a solução da substância ativa na localização dela e com isto aumentar a condução de calor entre o trocador de calor e a substância ativa quando a substância ativa está mudando de seu estado líquido para seu estado sólido no processo de carregamento e desde seu estado sólido para seu estado líquido durante o processo de descarregamento. Com isto, pode ser explorado o fato que a solução muitas vezes tem uma capacidade de condução de calor mais elevada do que a substância sólida A matriz é formada de uma substância que é inerte ao processo na bomba de calor e pode ter genericamente uma capacidade de ligar a fase solução da substância ativa a si mesma e ao mesmo tempo permitir que a substância ativa interaja com o meio volátil. Em particular, pode ser desejável que o corpo ou os corpos dos quais a matriz é formada, pudessem ser capazes de, de maneira eficiente absorver e/ou serem capazes de ligar a fase solução da substância ativa em uma maneira capilar. A matriz pode incluir partículas mais ou menos separadas, tais como pós, por exemplo, de tamanhos granulares variáveis e compreender grãos de formas variáveis, fibras que têm, por exemplo, diâmetros variáveis e comprimentos de fibra variáveis e/ou uma massa sinterizada que tem uma porosidade adequada, que por exemplo não tem que ser uniforme mas que pode variar dentro dos corpos de matriz formados. O tamanho e forma das partículas, isto é, nos casos especiais tamanho de grão, diâmetro e porosidade, e porosidade no caso de uma matriz sólida e a escolha de material nos corpos de matriz influenciam no caso respectivo a capacidade de armazenagem e potência e rendimento do acumulador acabado. No caso onde a matriz é aplicada como uma camada à superfície do trocador de calor, também a espessura da camada pode influenciar a potência ou rendimento do acumulador.

A capacidade de a matriz aspirar líquido para o seu interior, de modo que o líquido forme o meio portador de calor e a sua capacidade de ainda permitir transporte de gás através da matriz, são igualmente aplicáveis à unidade condensador/evaporador em uma bomba de calor química. Quando do carregamento da bomba de calor química, gás está sendo transportado através da matriz para ser condensado na superfície do trocador de calor, e então ser absorvido pela matriz, depois do que o líquido absorvido aumenta a condução de calor da matriz, de modo que mais gás pode ser resfriado, condensado e absorvido. Ao descarregar a bomba de calor química a matriz libera vapor d'água, isto resfriando o líquido volátil absorvido que, devido à sua boa condutividade de calor, transporta calor para evaporação da superfície do trocador de calor através do líquido para a zona de evaporação.

Assim, os processos na bomba de calor pode ser dito serem realizados com a substância ativa aspirada para um corpo ou pavio de fibras ou pó o que vem a resultar em uma potência ou rendimento elevados. A potência ou rendimento tem pouco a ver com condução de calor no corpo ou pavio, porém, depende da reação na fase liquida, isto é, entre outras coisas, o fato que a substância ativa em seu estado finamente dividido muda para uma solução que conduz calor melhor do que o material sólido finamente dividido.

A matriz que pode ser dita ser um material de aspiração ou de absorção pode ser escolhida entre uma pluralidade de diferentes materiais. Por exemplo, testes com sucesso foram realizados utilizando tecidos de dióxido de silício como uma matriz e uma matriz que inclui areia e pós de vidro em diferentes frações. A bomba de calor trabalha devido ao fato que calor é conduzido na fase liquida ao mesmo tempo em que a estrutura da matriz é suficientemente permeável para permitir transporte de fase vapor do meio volátil. Também é possível produzir a matriz sinterizando um pó ou fibras para formar uma estrutura mais sólida.

Objetivos adicionais e vantagens da invenção serão descritos na descrição que segue e que em parte serão óbvias a partir da descrição ou podem ser atendidas pela prática da invenção. Os objetivos e vantagens da invenção podem ser realizados é obtidos por meio dos métodos, processos instrumentalidades e combinações apontadas, em particular nas reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Embora os aspectos inovadores da invenção estejam descritos particularmente nas reivindicações anexas, um entendimento completo da invenção, ao mesmo tempo quanto à organização e a conteúdo e de seus aspectos acima e outros, pode ser obtido a partir da invenção e será melhor apreciado a partir de uma consideração da descrição detalhada a seguir de configurações não limitativas apresentadas aqui abaixo, com referência aos desenhos que acompanham, nos quais:

A figura 1 é um esquema de uma bomba de calor química de acordo com a técnica precedente, que trabalha de acordo com o princípio híbrido;

A figura 2a é um esquema similar à figura 1, porém de uma bomba de calor química na qual a substância ativa é absorvida em um portador,

A figura 2b é um esquema similar à figura 2a de uma configuração alternativa de uma bomba de calor química,

A figura 3 é um diagrama do processo de carregamento em uma bomba de calor química de acordo com a figura 2 utilizando LiCl como a substância ativa,

A figura 4 é um diagrama similar à figura 3, porém do processo de descarga, A figura 5 é um esquema de um tanque acumulador para a bomba de calor química mostrada na figura 2,

A figura 6 é um esquema de uma bomba de calor química similar àquela da figura 2, porém tendo uma configuração diferente,

As figuras 7 e 8 são esquemas de tanques acumuladores alternativos para a bomba de calor química mostrada na figura 2,

A figura 9a é um esquema de uma unidade tubo ou unidade célula que tem uma função similar àquela da bomba de calor química da figura 2a, mas que tem uma estrutura diferente e superfícies exteriores de troca de calor,

A figura 9b é um esquema similar à figura 9b(?), porém de uma unidade tubo que tem uma função similar àquela da bomba de calor química da figura 2b,

A figura 10a é um esquema de uma bomba de calor química que inclui uma pluralidade das unidades da figura 9a ou 9b,

A figura IOb é um esquema que ilustra a localização das unidades tubos das figuras 9a ou 9b para troca de calor em escoamentos de ar, As figuras 11a, Ilb e Ilc são vistas em detalhe em seção transversal de um material de matriz colocado em uma superfície de troca de calor,

A figura Ild é uma vista de detalhe em seção transversal de um material de matriz localizado em uma superfície de troca de calor a partir da qual se projeta um flange, e

As figuras 12a e 12b são esquemas que ilustram uma bomba de calor química que tem troca de calor com ar e com um meio líquido, respectivamente.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Na figura 2a uma bomba de calor química modificada para produção de congelamento/resfriamento ou calor é mostrada de maneira esquemática que utiliza o processo híbrido e uma matriz para manter e/ou carregar a substância ativa.

A bomba de calor química modificada inclui em uma maneira convencional um primeiro recipiente 1 também chamado acumulador ou reator, que contém uma substância ativa 2, aqui também chamada apenas "substância". A substância pode absorver um sorbato de maneira exotérmica ou de maneira endotérmica. O sorbato, também chamado o absorvente, usualmente água. A substância 2 é aqui ilustrada para ser mantida por ou carregada por ou aspirada para uma matriz ou portador 13 que forma genericamente ou é no mínimo um corpo poroso que tem poros abertos e é feito de uma substância inerte adequada. A matriz pode em um caso típico consistir de um pó finamente dividido, por exemplo, de óxido de alumínio aplicado em uma camada que tem uma espessura adequada, por exemplo, uma camada relativamente fina, tal como uma camada que tem uma espessura de 5-10 mm. Nesta configuração a matriz no primeiro recipiente 2 é aplicada somente nas superfícies interiores deste recipiente, que são localizadas em um primeiro trocador de calor 7 como mostrado particularmente apenas nas superfícies interiores e verticais do primeiro recipiente. O primeiro recipiente 1 é conectado a um outro recipiente 3, também chamado condensador/evaporador, através de uma conexão de gás fixa ou estacionaria 4, que tem uma forma de um tubo que em suas extremidades está conectado aos lados superiores dos recipientes 1, 3. O segundo recipiente trabalha como um condensador para condensar sorbato gasoso 6 para formar sorbato líquido 5 em uma dessorção endotérmica da substância 2 no primeiro recipiente 1 e como um evaporador de sorbato líquido 5 para formar sorbato gasoso 6 em uma absorção exotérmica de sorbato na substância no primeiro recipiente. O segundo recipiente 3 é aqui ilustrado para ter metade da porção de sua superfície interior que está em contato com o segundo trocador de calor 9 coberta com um material 14 que está aspirando uma maneira capilar, e metade da mesma superfície interior estar livre. Na configuração de acordo com a figura isto significa que metade da superfície vertical interna do segundo recipiente 3 está coberta com um material que tem uma função de aspiração capilar, enquanto o restante da sua superfície interior está livre. Condensação de sorbato gasoso 6 ocorre na superfície livre do trocador de calor 9 no segundo recipiente 3, e evaporação ocorre a partir do material 14 que está aspirando de maneira capilar na superfície interior do segundo recipiente.

Os diversos componentes da bomba de calor química, também chamado o sistema, isto é, os espaços interiores nos primeiro e segundo recipientes 1, 3 e o conduto de gás 4 que estão em conexão direta um com o outro são inteiramente estanques a gás e evacuados de todos os outros gases diferentes do gás 6 que participa no processo químico, também chamado o meio volátil ou absorvente, que usualmente é vapor d água. A substância ativa 2 no acumulador 1 está em um contato de condução de calor direto com superfícies do primeiro trocador de calor 7 que nesta configuração está localizado nas superfícies interiores verticais que encerram o acumulador 1, e que assim também podem ser ditas encerrar o acumulador, e que podem ser supridas com calor de ou distribuir calor para a vizinhança através de um primeiro escoamento líquido 8. O líquido 5 na parte de evaporador/condensador 3 está de maneira similar em um contato direto de condução de calor com superfícies do segundo trocador de calor 9 que nesta configuração está colocado nas superfícies interiores verticais da parte de evaporador/condensador e daí também podem ser ditas encerrarem a parte de evaporador/condensador para e a partir da qual calor pode ser suprido ou transportado de ou para a vizinhança respectivamente através de um segundo escoamento de líquido 11.

A substância ativa 2 na bomba de calor química é selecionada de modo que ela nas temperaturas para as quais a bomba de calor é projetada possa operar de modo que ela muda entre um estado sólido e um estado líquido nos processos de descarregamento e carregamento da bomba de calor. Assim, a reação no acumulador 1 ocorre entre duas fases, um estado de fase sólida e um estado de fase líquida da substância ativa. No processo de descarga, quando o absorvente é absorvido pela substância, a primeira fase é sólida enquanto a segunda fase é líquida e então uma pressão de reação constante é mantida para um absorvente. A substância irá então mudar sucessivamente de um estado sólido para um estado líquido ao mesmo tempo em que é obtida uma temperatura de resfriamento constante. O processo continua com uma pressão de reação constante até que substancialmente toda a substância ativa tenha mudado de seu estado sólido para seu estado líquido. Em uma maneira correspondente, a pressão de reação no processo de carregamento é constante enquanto a substância está mudando de seu estado líquido para seu estado sólido.

Uma substância híbrida normal, ver o Pedido de Patente WO 00/37864 mencionado acima, pode ser utilizada de maneira vantajosa, a qual é diluída para uma concentração desejada na solução do sorbato e daí em diante é aspirada para uma matriz que consiste de um pó inerte, isto é, um pó de um material que não é mudado em uma extensão substancial durante a operação da bomba de calor química. Assim, o material deveria ter um estado sólido durante as condições de carregamento na bomba de calor e não deveria interagir quimicamente com, isto é, não influenciar quimicamente ou ser afetado por quaisquer das substâncias ou meios que mudam seus estados agregados durante operação da bomba de calor. Em testes realizados este pó tem sido, por exemplo, óxido de alumínio e a substância ativa LiCl. Outras substâncias ativas possíveis podem ser SrBr2, etc., ver também o Pedido de Patente Internacional WO 00/37864 mencionado acima. O tamanho granular do pó pode aqui ser de importância e também a sua capacidade de aspirar ou absorver em uma maneira capilar. Para formar corpos adequados da matriz um tal pó pode primeiro ser aplicado a uma ou mais superfícies de um trocador de calor como uma camada que tem uma espessura adequada, por exemplo, com uma espessura entre 5-10 mm. Na maior parte dos casos então uma estrutura de rede de algum tipo (não mostrado) deve ser aplicada ao trocador de calor para manter a respectiva camada para formar um corpo a partir do pó. Por exemplo, testes foram realizados utilizando camadas que têm uma espessura de 10 mm aplicadas ao exterior de tubos, dentro de tubos e no fundo do recipiente. A solução, isto é, a substância ativa diluída pelo meio volátil também chamado o sorbato, em seu estado líquido é então aspirada para um pó nas camadas é deixada sair dele até que toda a solução remanescente esteja ligada em uma maneira capilar no pó nas camadas. Daí em diante o reator pode ser utilizado da mesma maneira que um reator para uma substância sólida e utilizado, ver, por exemplo, o Pedido de Patente Internacional WO 00/31206 mencionado acima.

A matriz juntamente com a substância mantida nela é, neste caso, não um corpo sólido, mas uma massa frouxa similar à areia molhada do estado descarregado da bomba de calor. Contudo, no estado carregado da bomba de calor a matriz é dura. A solução da substância ativa tem uma capacidade de condução de calor significativamente melhor do que a substância em seu estado sólido. Calor do primeiro trocador de calor 7 pode então ser transportado de maneira eficiente para, ou para longe da substância ativa. Se, por exemplo, uma matriz que consiste de óxido de alumínio é enchida com uma solução 3 molar de LiCl, um carregamento muito rápido e eficiente do sistema é realizado até cerca de solução 1 molar. Daí em diante o pó diminui uma vez que a substância ativa agora não contém mais qualquer solução, isto é, não existe em qualquer parte em uma fase líquida ou uma fase solução. Contudo, não existe problema para acionar o processo até a concentração de 0 molar. No processo de descarregamento o processo trabalha muito bem até um estado onde a solução é 2,7 a 2,8 molar, depois do que ela é retardada. Isto é assim porque a matriz não tem mais qualquer permeabilidade para gás quando a concentração 3 molar é alcançada. Nesta condição, uma matriz está cheia, isto é, a matriz absorveu tanta solução quanto é substancialmente possível.

A função e potência de sistemas híbridos que utilizam uma solução aspirada para uma matriz é tipicamente substancialmente melhor do que aquelas dos sistemas sólidos. Contudo, superfícies de troca de calor maiores são necessárias do que as necessárias para sistemas que utilizam substâncias híbridas e somente uma solução livre. Testes mostram que área de trocador de calor 2 a 3 vezes maiores são requeridas para alcançar em um sistema híbrido que utiliza uma fase de solução "ligada" a mesma potência como em um sistema híbrido que utiliza somente uma solução livre. Contudo, então a densidade de potência na superfície em um tal sistema que tem uma área eficiente aumentada da superfície de troca de calor é tão pequena que o trocador de calor não tem necessariamente que estar atuando diretamente, porém pode ser vantajosamente aumentada. O termo trocador de calor que atua diretamente ou uma troca de calor que atua diretamente entre trocador de calor e substância/solução ativa significa que a substância/solução existe na superfície externa de uma parede lisa simples do trocador de calor enquanto o meio térmico que carrega/resíria ou o fluido no trocador de calor está circulando na superfície interior da mesma parede, isto é, a substância/solução tem um contato substancialmente direto com o meio trocador de calor através de apenas uma parede relativamente fina e plana no trocador de calor. O termo trocador de calor ou uma troca de calor com uma superfície aumentada significa que a substância/fluido existe em uma superfície do trocador de calor que recebeu uma área de troca de calor efetiva aumentada, por exemplo, por meio de ser corrugada e/ou dotada de porções salientes de mesmo tipo adequado, tal como flanges. Para um sistema híbrido que utiliza uma solução aspirada para uma matriz, significa que também a matriz é localizada em tal superfície do trocador de calor. Testes que foram realizados em uma escala de laboratório e então foram recalculados para uma escala real forneceram dados para carregar e descarregar, respectivamente, que aparecem dos diagramas das figuras 3 e 4. Estes testes foram realizados utilizando acumuladores 1 que têm a forma de vasos cilíndricos circulares de 1 litro de diâmetro de 100 mm e altura de 130 mm, nos quais uma camada 13 tendo uma espessura de 10 mm de um material inerte como a substância contida nele é localizada na superfície cilíndrica interior do vaso, isto é, no lado interior de sua superfície envoltória. O material matriz e a substância são, nesta configuração, mantidos em seus lugares por uma estrutura de rede que inclui uma rede 15 que tem uma cobertura exterior de estrutura em malha mais fina tal como um tecido de algodão 16 ou uma tela de malha fina, ver figura 5. Quaisquer mudanças da estrutura ou função da camada que inclui um portador inerte e a substância não foram observadas durante os testes realizados.

A estrutura genérica da matriz está mostrada de maneira esquemática na figura 11a. A camada ou o corpo 13 de um material matriz poroso é aplicada a um lado de uma parede de troca de calor 23 e tem poros 24. Os poros têm genericamente tal seção transversal que eles permitem transporte e absorção do sorbato gasoso. A matriz pode carregar substância ativa 2 nas paredes nos poros que podem interagir com o sorbato gasoso nos canais remanescentes 25 que podem existir em alguns estágios da operação da bomba de calor. Os poros também podem ser completamente cheios como mostrado em 26 com solução ou condensado, respectivamente. O material da matriz é escolhido de modo que ele em sua superfície pode ligar substância ativa/solução/condensado e daí pode ser de maneira adequada hidrofílico ou no mínimo ter uma superfície hidrofílica, se água é utilizada como o fluido no sistema. Contudo, é possível utilizar materiais que não têm superfícies hidrofílicas ou genericamente nenhuma superfície que seja molhada pela substância ativa em sua fase solução, ou na qual a substância ativa em sua fase solução não é ligada de maneira significativa, desde que a substância ativa seja introduzida na matriz tal como misturando ou agitando juntamente com ela antes que ela seja aplicada nas paredes do trocador de calor, mesmo se uma bomba de calor química que tem tal matriz muitas vezes trabalhe de maneira satisfatória somente durante alguns ciclos da operação da bomba de calor. O tamanho dos poros pode ser selecionado, por exemplo, de modo que eles estejam aspirando de maneira capilar a fase liquida que eles devem absorver, o que pode ser particularmente adequado para uma matriz colocada no condensador/evaporador. Dimensões típicas da seção transversal dos poros 24 podem estar na faixa de 10-60 micra. Pode ser desvantajoso ter poros muito estreitos, uma vez que eles podem tornar mais difícil a interação do meio volátil com todas as partes da substância ativa. O volume dos poros pode ser, por exemplo, no mínimo 20% e preferivelmente no mínimo 40%, mesmo no mínimo 50% do volume bruto do corpo da matriz. A matriz pode, como foi mencionado acima, ser alternativamente de um material sinterizado ou equivalente, isto é, formar um corpo conectado substancialmente sólido. A matriz também pode ser formada de partículas de diferentes formas, tais como partículas mais ou menos esféricas, ver figura 1 lb, ou de partículas alongadas, por exemplo de pedaços de fibra que podem ser relativamente curtos, tendo uma relação de comprimento/espessura, por exemplo na faixa de 1:2 até 1:10, ver figura 1 lc. A parede do trocador de calor 23 pode ser dotada de flanges 27 como mostrado na figura 11 d.

Exemplo 1 de material de matriz

Um material adequado como um material de matriz é produzido de um pó de Al2O3. A densidade dos grãos de pó é 2,8 kg/cm e seu diâmetro é 2-4 micra. O pó é aplicado em camadas com uma solução de substância ativa contida neles de acordo com a descrição acima, e o material de matriz seco nas camadas tem uma densidade bruta de cerca de 0,46 kg/cm3 que fornecem uma taxa de enchimento médio ou grau do material de matriz acabada de 0,45, isto é, quase metade do volume é tomado pelos grãos de pó. Os canais entre os grãos de pó nas camadas produzidas têm um diâmetro de ordem de magnitude de 60 micra. Exemplo 2 de material de matriz Um material adequado como um material de matriz é produzido moldando uma mistura de 1 parte em peso de cimento Portland e 5 partes em peso de pó de AI2O3 como no Exemplo 1. Este material pode ser considerado de maneira aproximada como sinterizado. Exemplo 3 de material de matriz Um material de fibra adequado como um material de matriz é

produzido de fibras que consistem de 54% de SiO2 e 47% de Al2O3 e tem um ponto de fusão de cerca de 1700 °C. A densidade das fibras é 2,56 kg/cm e seus diâmetros são de 2-4 μιη. As fibras são comprimidas em um estado úmido para aumentar sua densidade de compactação. A densidade volumétrica depois de secar o material comprimido é cerca de 0,46 kg/cm , o que fornece uma relação de enchimento média de 0,17 do material de matriz acabado. Os canais entre as fibras no material comprimido têm diâmetros entre cerca de 5-10 μηι.

Na configuração descrita acima, a camada de matriz 13 é aplicada da maneira mais simples possível, tal como a uma superfície interior substancialmente lisa de um trocador de calor. Diversas formas de estruturas de calor e camadas de matriz aplicadas a elas podem ser consideradas, comparar o Pedido de Patente WO 00/31206 mencionado acima. Daqui em diante exemplos de tais configurações concebíveis diferentes adicionais de matriz e trocadores de calor são fornecidas, as quais podem ser adequadas às instalações nas quais a técnica de matriz como descrita acima é utilizada. Em uma instalação estacionária ordinária assim a camada de matriz pode, por exemplo, ser aplicada ao lado exterior de um ou mais dos tubos nos quais um meio de troca de calor ou um meio que carrega calor está circulando. Por exemplo, testes foram realizados para tubos tendo um diâmetro de 22 mm, ao redor dos quais camadas de matriz tendo uma espessura de 10 mm foram aplicadas.

Se uma pluralidade de tais tubos de troca de calor são conectados em paralelo e colocados em um vaso, um reator potente 1 pode ser obtido. A figura 6 mostra tal tubo trocador de calor 7' montado horizontalmente em um vaso acumulador 1 isolado tecnicamente em seu lado exterior em uma instalação de teste. Aparentemente uma pluralidade de tais tubos podem ser conectados e serem arranjados em paralelo, mesmo se não está mostrado na figura. O tubo 7' é no mínimo em sua porção dentro do vaso, feito de um material bom condutor de calor, por exemplo, de um material adequado tal como cobre. Ele é através de condutos de tubo adequados que contém uma bomba 17 acoplado a uma unidade de aquecimento tal como um painel solar 18. A camada 13 é aplicada ao exterior do tubo de cobre Ί' com a substância mantida nele. O trajeto de gás 4 a partir do reator 1 contém uma válvula 19, é conectado uma fonte de vácuo através de uma válvula 20, é conectado a uma porção superior 3' do evaporador/condensador 3, cuja porção inferior é um tanque condensador 3" para receber o absorvente condensado. O trocador de calor 9 para o evaporador/condensador está aqui mostrado como uma simples malha de resfriamento arranjada na porção superior do evaporador/condensador e é através de condutos de tubo adequados que contém uma bomba 21, acoplado a um resfriador de meio de resfriamento 22.

Em um tanque acumulador tais tubos podem ser colocados em uma maneira de deposição como na figura 6 ou em uma maneira em pé, isto é, verticalmente. Se ele são colocados verticais em um tanque, eles podem ter a estrutura ilustrada na figura 7.

Também é possível construir pisos de placas baixas 25 que tem os portadores de calor 26 arranjados em seus fundos e colocados acima um do outro em um tanque, ver figura 8. Canais conectam os espaços acima e entre as placas até a porção superior do tanque onde, de maneira adequada, a conexão mão mostrada, ao canal de gás 3 está localizada. Daí, espaços 27 nas superfícies laterais interiores verticais podem formar mais canais. Um tal canal 28 também pode ser arranjado verticalmente e passar através das placas. Por exemplo, ele pode ser localizado de maneira centralizada tal como está mostrado na figura. As placas 25 devem então ter furos vazados correspondentes, por exemplo, furos arranjados de maneira centralizada.

Em uma outra configuração unidades tubos 29 são fornecidas, nas quais o reator Ieo condensador 3 são localizados dentro do mesmo tubo fechado. A parte de reator 1 tem então sua matriz 2 localizada ao redor da porção inferior da superfície interior das paredes, ver figura 9a. A porção superior do tubo que forma a parte condensador/evaporador 3 é separada por um diafragma 30, a partir do qual o canal de gás 31 em um tiibo interior 32 passa para a porção superior 33 do tubo a partir do qual vapor então pode ser condensado e coletado nos espaços 34 entre o canal de gás e as superfícies da parede superior na unidade tubo e evaporar a partir deste espaço. Tais unidades tubo podem ser fabricadas de forma totalmente hermética de vidro ou aço esmaltado.

A parte inferior de uma unidade tubo 29, o reator, podem então ser colocados em um meio que carrega calor que está circulando para e de um painel solar e um resfriador colocado no exterior, respectivamente, ou ser colocado neste último, enquanto a porção superior do tubo é colocada em um meio que transporta calor que está escoando para radiadores em um sistema de condicionamento de ar (AC) para resfriar, por exemplo, uma residência, um apartamento ou um escritório, ou um resfriador colocado no exterior, respectivamente, ou neste último, ver figuras 10a e 10b. Como é visto na figura 10b uma bateria 35 de unidades tubo é colocada com as porções superiores dos tubos localizadas em um canal de ar superior 36 e suas porções inferiores em um canal de ar inferior 37. No processo de carregamento ar do exterior está passando no canal de ar superior e então resfria as porções superiores das unidades tubo 29, as partes condensador/evaporador 3 para condensar vapor d'água nele, e no canal de ar inferior ar aquecido a partir, por exemplo, do canal solar, não mostrado, está escoando, o qual aquece as porções inferiores das unidades tubo para liberar vapor d'água. No processo de descarga ar do exterior que está passando no canal de ar inferior 37, resfriando as porções inferiores, e as partes do reator 1, as unidades tubo 29 e o ar que passa no canal de ar superior 36 é resfriado por contato com as porções superiores das unidades tubo para transportar para, por exemplo, uma sala de uma residência ou apartamento para condicionamento de ar.

A unidade tubo 29 pode também ter substância de matriz 14 colocada em sua parte condensador/evaporador 3 e pode então ser colocada na porção superior da superfície interior do tubo dentro do espaço 34, de modo que um canal 38 é formado entre a superfície exterior do tubo 32 e a superfície interior da matriz, para permitir que condensado e vapor passem por todas as porções da matriz, ver figura 9b.

Na instalação de bomba de calor que está mostrada na figura .12a e é baseada em calor conduzido pelo ar, a bomba de calor química 40, é através de condutos de tubo conectada a uma fonte de calor tal como um painel solar 18 para um resfriador de meio de resfriamento 22 tal como um tanque de admissão de ar e até um sistema de condicionamento de ar 41. Válvulas borboleta 42 e 43 são ajustadas em diferentes posições para conduzir ar de uma maneira adequada ao mesmo tempo para o canal superior 36 e o canal de ar inferior da bomba de calor para resfriar/aquecer o reator e partes condensador/evaporador, respectivamente, comparar a figura 10b. Ao invés de ar, algum meio líquido que carrega calor pode ser utilizado, tal como na instalação mostrada na figura 12b. Condutos de tubo duplo conectam aqui as unidades 18, 22 e 41 à bomba de calor 40. Válvulas duplas de 3 vias 44, 45 controlam o escoamento de meio que carrega calor em uma maneira adequada.

Também é possível que todo o fluido, isto é, tipicamente toda a água no condensador possa ser aspirada em uma maneira capilar e com isto seja completamente eliminada como líquido livre na bomba de calor química, ver a instalação na figura 12b. Aqui todas as superfícies interiores do evaporador/condensador 3, exceto a superfície interior superior, foram dotadas de um material de matriz que é aspirado de forma capilar. Meio de troca de calor deve então também ser circulado no fundo deste recipiente.

Uma outra possibilidade é integrar as unidades tubo mencionadas acima, caso em que fabricados de vidro com o painel solar que assim também se torna a unidade de armazenagem e processo para congelamento/resfriamento e calor. Também é possível utilizar esta unidades células em canais de ar onde elas são carregada e descarregadas e geram congelamento/resfriamento ou calor.

Embora configurações específicas da invenção tenham sido ilustradas e descritas aqui, é imaginado que inúmeras outras configurações podem ser visualizadas, e que inúmeras vantagens, modificações e mudanças adicionais irão facilmente ocorrer àqueles versados na técnica, sem se afastar do espírito e escopo da invenção. Portanto, a invenção em seus aspectos mais amplos não está limitada aos detalhes específicos, dispositivos representativos, exemplos ilustrados, mostrados e descritos aqui. Conseqüentemente, diversas modificações podem ser feitas sem se afastar do espírito ou escopo do conceito inovador genérico como definido pelas reivindicações anexas e seus equivalentes. Deve, portanto, ser entendido que as reivindicações anexas têm a intenção de cobrir todas tais modificações e mudanças que caírem dentro de um verdadeiro espírito e escopo da invenção. Inúmeras outras configurações podem ser visualizadas sem se afastar do espírito e escopo da invenção.

Claims

1. Bomba de calor química que inclui uma substância ativa e um líquido volátil que pode ser absorvido pela substância em uma primeira temperatura e dessorvido pela substância em uma segunda temperatura mais elevada, a substância ativa tendo na primeira temperatura um estado sólido a partir do qual a substância ativa quando absorvendo o líquido volátil e a sua fase vapor e imediatamente ou diretamente parcialmente muda para um estado líquido ou uma fase solução e na segunda temperatura tem um estado líquido ou existe em uma fase de solução, a partir da qual a substância ativa quando liberando o líquido volátil, em particular a sua fase vapor, muda diretamente parcialmente para um estado sólido que inclui: uma parte de reator que contém a substância ativa que inclui um primeiro trocador de calor; uma parte de evaporador/condensador que contém a porção do líquido volátil que existe em um estado condensado e que inclui um segundo trocador de calor, e um canal para a fase vapor do líquido volátil que conecta a parte de reator e a parte de evaporador/condensador uma à outra, caracterizada pelo fato de a parte de reator conter uma matriz para a substância ativa, de modo que a substância ativa ao mesmo tempo em seu estado sólido e em sua fase líquida ou fase de solução é mantida e/ou é ligada à matriz.

2. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz ser de um material inerte, em particular que inclui no mínimo óxido de alumínio.

3. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz ser feita de um material que compreende poros que são permeáveis ao líquido volátil e nos quais a substância ativa é aplicada.

4. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz ser feita de um material que tem uma superfície na qual a substância ativa em seu estado líquido pode ser ligada, em particular que tem uma superfície que é molhada pela substância ativa no seu estado líquido e/ou o líquido volátil no seu estado líquido.

5. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz ser feita de um material que compreende partículas separadas, em particular um pó ou um material de fibra comprimida.

6. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz ter a forma de uma camada de material aplicada a uma superfície do primeiro trocador de calor.

7. Bomba de calor química de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a matriz juntamente com a substância ativa mantida nela ser envolvida em uma estrutura de restrição, em particular um dispositivo de rede que compreende no mínimo uma rede ou um tecido de um material de fibra.

8. Bomba de calor química que inclui uma substância ativa e um líquido volátil que pode ser absorvido pela substância em uma primeira temperatura e dessorvida pela substância em uma segunda temperatura mais elevada, a substância ativa tendo na primeira temperatura um estado sólido a partir do qual a substância ativa ao absorver líquido volátil e a sua fase vapor imediatamente ou diretamente muda parcialmente para um estado líquido ou uma fase de solução e na segunda temperatura tem um estado líquido ou existe em uma fase de solução a partir da qual a substância ativa ao liberar o líquido volátil, em particular a sua fase vapor, muda diretamente parcialmente para um estado sólido que inclui: uma parte de reator que contém a substância ativa e que inclui um primeiro trocador de calor, uma parte de evaporador/condensador que contém a porção do líquido volátil que existe em um estado condensado e que inclui um segundo trocador de calor, e um canal para a fase vapor do líquido volátil que conecta a parte de reator e a parte de evaporador/condensador uma à outra, caracterizada pelo fato de a parte de evaporador/condensador em no mínimo uma porção da superfície do segundo trocador de calor incluir um material poroso que é permeável ao líquido volátil.

9. Trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor que inclui uma parede de separação entre uma circulação de meio de condução de calor e um meio ativo no qual o meio ativo pode mudar entre um estado sólido e um estado líquido e/ou no qual ele pode mudar entre um estado sólido e um estado gasoso, caracterizado pelo fato de no mínimo uma porção da superfície da parede de separação que faceia o meio ativo um meio poroso ser fornecido, o qual é permeável ao meio ativo em seu estado líquido e/ou gasoso.

10. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor respectivamente de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ser feito de um material inerte em particular incluindo no mínimo óxido de alumínio.

11. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor, respectivamente, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ser feito de um material que compreende poros que são permeáveis ao líquido volátil.

12. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor, respectivamente, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ser feito de um material que tem uma superfície na qual o líquido volátil e o meio ativo em seu estado líquido, respectivamente, podem ser ligados, em particular tendo uma superfície que é molhada pelo líquido volátil do meio ativo no seu estado líquido, respectivamente.

13. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor, respectivamente, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ser feito de um material que compreende partículas separadas, em particular um pó ou um material de fibra comprimida.

14. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor, respectivamente, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ter a forma de uma camada de material aplicada a uma superfície do segundo trocador de calor ou da parede de separação, respectivamente.

15. Bomba de calor química ou um trocador de calor ou uma estrutura de trocador de calor, respectivamente, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de o material poroso que é permeável ao líquido volátil ou ao meio ativo no seu estado líquido e/ou gasoso, respectivamente, ser encerrado em uma estrutura de sustentação, em particular um dispositivo de rede que inclui no mínimo uma rede e/ou um tecido de um material de fibra.