DE102005007516A1

DE102005007516A1 - Adsorptionskühlvorrichtung

Info

Publication number: DE102005007516A1
Application number: DE102005007516A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Westerdorf
Original assignee: Klingenburg GmbH
Current assignee: FlaektGroup Deutschland GmbH
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Eine Adsorptionskühlvorrichtung (1), die z. B. als Adsorptionswärmepumpe oder Adsorptionskältemaschine o. dgl. ausgebildet ist, hat einen Zeolithkörper (4), mittels dem Wasserdampf aus einem als Kühlelement der Adsorptionskühlvorrichtung (1) fungierenden Verdampfer (2) ansaug- und anlagerbar ist, und eine Heizvorrichtung (6), mittels der der Zeolithkörper (4) aufheiz- und das im Zeolithkörper (4) angelagerte Wasser austreibbar ist. DOLLAR A Zur Erhöhung des Wirkdungsgrads einer deratigen Adsorptionskühlvorrichtung (1) wird vorgeschlagen, dass der Zeolithkörper (4) als Zeolithbeschichtung von Wärmeaustauschflächen der Heizvorrichtung (6) ausgebildet ist und dass die Zeolithbeschichtung zumindest teilweise aus einem synthetischen Nano-Zeolith aus Partikeln mit einer Partikelgröße > 1000 nm besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Adsorptionskühlvorrichtung, z.B. eine Adsorptionswärmepumpe, eine Adsorptionskältemaschine od.dgl., mit einem Zeolithkörper, mittels dem Wasserdampf aus einem als Kühlelement der Adsorptionskühlvorrichtung fungierenden Verdampfer ansaug- und anlagerbar ist, und einer Heizvorrichtung, mittels der der Zeolithkörper aufheiz- und das im Zeolithkörper angelagerte Wasser austreibbar ist.

Im Betrieb derartiger Adsorptionskühlvorrichtungen wird zwischen einer Kühlphase, während der Wasserdampf aus dem Verdampfer in den Zeolithkörper angesaugt und durch den Verdampfer Kälte erzeugt wird, und einer Ladephase unterschieden, bei der der Zeolithkörper mittels der Heizvorrichtung aufgeheizt und das im Zeolithkörper während der Kühlphase angelagerte Wasser aus dem Zeolithkörper ausgetrieben wird und in einen als Kondensator fungierenden Wärmetauscher kondensiert.

Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Adsorptionskühlvorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, bei der die Adsorptions- und die Desorptionseigenschaften des Zeolithkörpers verbessert sind und die aufgrund dessen einen erhöhten Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zeolithkörper als Zeolithbeschichtung von Wärmeaustauschflächen der Heizvorrichtung ausgebildet ist und dass die Zeolithbeschichtung zumindest teilweise aus einem synthetischen Nano-Zeolith aus Partikeln mit einer Partikelgröße < 1000 nm besteht. Durch diese Ausgestaltung des die Zeolithbeschichtung ausbildenden Werkstoffs lässt sich eine im Vergleich zu aus dem Stand bekannten Zeolithkörpern erheblich erhöhte Adsorptionskinetik realisieren, die zur Folge hat, dass die Menge des je Zeiteinheit ad- bzw. desorbierten Wasserdampfes erhöht ist, woraus eine erhöhte Feuchteübertragung resultiert. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Nano-Zeoliths als Beschichtungsmaterial wird eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche desselben erreicht, wobei der als Beschichtungsmaterial eingesetzte Nano-Zeolith über eine schnelle Regenerationsfähigkeit verfügt. Als synthetischer Nano-Zeolith ist der Werkstoff der Zeolithbeschichtung mit einer sehr gleichmäßigen Partikelgrößenverteilung herstellbar. Je nach Auswahl der für die Zeolithbeschichtung vorgesehenen Partikelgrößenverteilung kann die Dicke der Beschichtung an unterschiedlichste Anforderungsprofile angepasst werden. Die erfindungsgemäß ausgestalteten Zeolithbeschichtungen können – je nach der für den synthetischen Nano-Zeolith ausgewählten mehr oder weniger gleichmäßigen Partikelgröße – über eine hohe Packungsdichte verfügen. Die Übertragung thermischer Energie zwischen den Wärmeaustauschflächen der Heizvorrichtung und der Zeolithbeschichtung ist aufgrund der vorstehend geschilderten Ausgestaltung der Zeolithbeschichtung mit hohem Wirkungsgrad realisierbar, da die tatsächliche Kontaktfläche zwischen den Wärmeaustauschflächen und der Zeolithbeschichtung im Vergleich zum Stand der Technik erheblich erhöht ist.

Darüber hinaus ist die mit dem Nano-Zeolith ausge-staltete Zeolithbeschichtung aufgrund der Eigenschaften des Nano-Zeoliths hinsichtlich ihrer Oberflächenchemie variabel gestaltbar.

Bei bestimmten Anforderungsprofilen an die Adsorptionskühlvorrichtung kann es zweckmäßig sein, wenn die Zeolithbeschichtung außer Nano-Zeolith auch herkömmlichen Zeolithwerkstoff mit größeren Partikeln und/oder Silikagele aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung weist deren Heizvorrichtung zumindest ein mittels eines Aufheizmediums durchströmbares Wärmetauscherrohr mit einer Vielzahl von auf der Außenmantelfläche desselben angeordneten Wärmetauscherrippen auf, deren Außenflächen mit der Zeolithbeschichtung versehen sind. Hierbei wird die Schichtdicke der Zeolithbeschichtung so gewählt, dass zwischen den mit der Zeolithbeschichtung versehenen Wärmetauscherrippen ein beschichtungsfreier Zwischenraum vorhanden ist, so dass für die Anlagerung von Wasserdampf eine möglichst große dem Fluidstrom ausgesetzte Fläche der Zeolithbeschichtung zur Verfügung steht.

Alternativ kann die Heizvorrichtung zumindest ein von einem Aufheizmedium umströmbares Wärmetauscherrohr mit einer Vielzahl von von dessen Innenmantelfläche in das Wärmetauscherrohr vorstehenden Innenrippen aufweisen, wobei die Außenflächen dieser Innenrippen mit der Zeolithbeschichtung versehen sind.

Zur Verbesserung der Übertragung von thermischer Energie aus diesen mit Innenrippen versehenen Wärmetauscherrohren in deren Umgebung und umgekehrt ist es vorteilhaft, wenn die mit den Innenrippen versehenen Wärmetauscherrohre der Heizvorrichtung an ihren Außenmantelflächen in Wärmetauscherblechen gehaltert sind, mittels deren Außenfläche der Übergang von thermischer Energie aus der Umgebung der Wärmetauscherrohre zu deren Innenrippen verstärkbar ist. Selbstverständlich ergibt sich der erleichterte Übergang von thermischer Energie auch in umgekehrter Richtung.

Um die Befestigung der Zeolithbeschichtung an den Wärmeaustauschflächen zu verbessern, ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeaustauschflächen der Heizvorrichtung so strukturiert sind, dass das Anhaften der Zeolithbeschichtung gefördert wird. Diese Strukturierung kann in beliebiger Weise erfolgen, z.B. durch die Ausgestaltung von Vorsprüngen, Absenkungen od.dgl.

Die Zeolithbeschichtung kann z.B. auf die Wärmeaustauschflächen aufgesprüht werden.

Alternativ kann die Zeolithbeschichtung durch einen ggf. wiederholbaren Eintauchvorgang in eine den Nano-Zeolith und ggf. den herkömmlichen Zeolithwerkstoff und/oder die Silikagele enthaltende Suspension hergestellt werden.

Bei der Ausgestaltung der Heizvorrichtung mit Wärmetauscherrohren mit auf deren Außenmantelfläche angeordneten Wärmetauscherrippen können die mit der Zeolithbeschichtung versehenen Wärmetauscherrippen auf die Außenmantelfläche des Wärmetauscherrohrs aufgeschoben sein.

Für die Zeolithbeschichtung kann ein Bindemittel vorgesehen sein, das beispielsweise als Dispersionsklebstoff, z.B. Acrylat-Sole, mit einem Zusatz aus evtl. kolloidalem SiO₂, eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung ist der Nano-Zeolith der Zeolithbeschichtung so gewählt, dass er eine homogene Porengrößenverteilung mit einem Porendurchmesser < 1,5 nm, vorzugsweise 0,4 nm, besitzt. Hierdurch kann Wasserdampf in hervorragender Weise aufgenommen bzw. abgegeben werden. Die Partikel des Nano-Zeoliths liegen vorteilhaft in nano-kristalliner Form vor.

Zur Verbesserung des Zusammenhalts der Zeolithbeschichtung können in diese vorteilhaft Faserwerkstoffe eingebettet sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung;
2 einen Teil eines Ausführungsbeispiels eines Zeolithkörpers der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung;
3 den Ausschnitt A in 2;
4 eine Prinzipdarstellung eines Teils einer anderen Ausführungsform des Zeolithkörpers der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung; und
5 einen im Vergleich zu 4 größeren Abschnitt des Zeolithkörpers der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung.
Eine in 1 prinzipiell dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung 1 ist in Zeolith/Wasser-Kühltechnologie ausgeführt. Im Falle der erfindungsgemäßen Adsorptionskühlvorrichtung 1 wird sich die Eigenschaft von Zeolith zunutze gemacht, Wasser bzw. Wasserdampf anzusaugen. Die Wasser ansaugenden Kräfte des Zeoliths sind bei Einsatz dieser Technologie so stark, dass Wasserdampf, der sich über der Oberfläche eines Wasservorrats befindet, so schnell aufgesogen bzw. adsorbiert wird, dass der dadurch initiierte Verdampfungsprozess das Wasser des Wasservorrats so stark abkühlt, dass es zu Eis erstarrt. Sobald das Wasser gefroren bzw. in den eisförmigen Aggregatzustand übergegangen ist, stellt sich ein neuer Gleichgewichtszustand ein, wobei nunmehr nur noch soviel Wasserdampf durch den Zeolith adsorbiert wird, wie erforderlich, um einen Ausgleich der Wärmezufuhr in das System herbeizuführen. Dieser Gleichgewichtszustand bleibt solange aufrecht erhalten, bis entweder der Zeolith seine Wasseraufnahmefähigkeit verliert oder bis das vorhandene Wasser verdampft bzw. durch den Zeolith adsorbiert ist. Bei der Aufnahme des angesaugten Wasserdampfs im Zeolith wird Adsorptionswärme frei, d.h. der Zeolith erwärmt sich.
Die in 1 prinzipiell gezeigte Adsorptionskühlvorrichtung 1 hat entsprechend einen Behälter 2, der über eine Rohrverbindung 3 an einen Zeolithkörper 4 angeschlossen ist und der als Verdampfer und Kondensator fungieren kann. Alternativ zu dem im Folgenden prinzipiell beschriebenen Ausführungsbei spiel können bei realen technischen Lösungen separate Behälter für den Verdampfer und den Kondensator vorgesehen werden.
Die Rohrverbindung 3 ist mittels eines Ventils 5 verschließbar, so dass aus dem als Verdampfer fungierenden Behälter 2 kein weiterer Wasserdampf mehr durch die Rohrverbindung 3 zum Zeolithkörper 4 gelangen kann.
Der Zeolithkörper 4 ist mit einer in 1 lediglich prinzipiell dargestellten Heizvorrichtung 6 versehen, durch deren Betrieb im Zeolithkörper 4 adsorbiertes Wasser aus diesem ausgetrieben werden kann.
Wenn mittels des als Verdampfer fungierenden Behälters 2 der Adsorptionskühlvorrichtung 1 eine Kühlwirkung realisiert werden soll, ist das Ventil 5 geöffnet. Der Zeolithkörper 4 saugt durch die geöffnete Rohrverbindung 3 Wasserdampf aus dem als Verdampfer fungierenden Behälter 2 an. Das im Behälter 2 vorhandene Wasser 7 verdampft, die Kühlphase der Adsorptionskühlvorrichtung 1 beginnt. Die Strömung des Wasserdampfs aus dem Behälter 2 zum Zeolithkörper 4 ist durch den Pfeil 8 dargestellt. Aufgrund der für die Verdampfung des Wassers 7 benötigten Verdampfungswärme gefriert das Wasser 7 an seiner Oberfläche, wie in 1 durch die Eisschicht 9 dargestellt. Die Eisschicht 9 dient als Kältespeicher.
In der Ladephase der Adsorptionskühlvorrichtung 1 ist das Ventil 5 ebenfalls geöffnet. Mittels der Heizvorrichtung 6 wird der Zeolithkörper 4 erhitzt, woraufhin das im Zeolithkörper 4 enthaltene Wasser verdampft und im nunmehr als Kondensator fungierenden Behälter 2 kondensiert. Im geladenen Zustand der Adsorptionskühlvorrichtung 1 ist das Ventil 5 ge schlossen. Die gesamte Adsorptionskühlvorrichtung 1 kühlt auf Raumtemperatur ab. Das im Behälter 2 vorhandene Wasser 7 ist vom Zeolithkörper 4 getrennt.
Anhand der 2 und 3 wird im Folgenden eine Ausführungsform des Zeolithkörpers 4 und der ihm zugeordneten Heizvorrichtung 6 beschrieben. Die in 2 teilweise gezeigte Heizvorrichtung 6 des Zeolithkörpers 4 hat zumindest ein Wärmetauscherrohr 10, welches mittels eines Aufheizmediums durchströmbar ist. Die Heizvorrichtung 6 ist lediglich in der vorstehend beschriebenen Ladephase der Adsorptionskühlvorrichtung 1 in Betrieb, bei der durch Wärmebeaufschlagung des Zeolithkörpers 4 in diesem gebundenes Wasser ausgetrieben wird. Die Heizvorrichtung 6 bzw. die sie bildenden Wärmetauscherrohre 10 haben Wärmeaustauschflächen 11, die im dargestellten Ausführungsbeispiel des Zeolithkörpers 4 durch Wärmetauscherrippen 12 gebildet werden, die auf der Außenmantelfläche des Wärmetauscherrohrs 10 gleich beabstandet zueinander angeordnet sind. Bei dem in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wärmetauscherrippen 12 radial in Bezug auf das Wärmetauscherrohr 10 angeordnet.
Der Zeolithkörper 4 wird dadurch gebildet, dass die Wärmetauscherrippen 12 des Wärmetauscherrohrs 10 mit einer Zeolithbeschichtung 13 versehen sind. Diese Zeolithbeschichtung 13 besteht ganz oder teilweise aus einem synthetischen Nano-Zeolith aus Partikeln mit einer Partikelgröße < 1000 nm. Der Nano-Zeolith ist so gewählt, dass er eine homogene Porengrößenverteilung mit einem Porendurchmesser von 0,4 nm besitzt. Die Partikel des Nano-Zeoliths liegen in Nano-kristalliner Form vor.
Wenn die Zeolithbeschichtung 13 neben dem Nano-Zeolith weitere Bestandteile enthalten soll, kann hierfür ein herkömmlicher Zeolithwerkstoff, bei dem die Partikelgröße erheblich größer sein kann als beim Nano-Zeolith, oder auch Silikagele eingesetzt werden.
Zur Verbesserung des Zusammenhalts der Zeolithbeschichtung 4 können Faserwerkstoffe eingesetzt werden, die Bestandteil der Zeolithbeschichtung 13 sind.
Um das Anhaften der Zeolithbeschichtung 13 an den Wärmeaustauschflächen der Heizvorrichtung 6 zu sichern, können die Wärmeaustauschflächen 11 strukturiert, d.h. mit Erhebungen und/oder Absenkungen versehen, ausgebildet sein.
Die Zeolithbeschichtung 13 kann auf die Wärmeaustauschflächen 11 der Heizvorrichtung 6 aufgesprüht sein; alternativ kann die Zeolithbeschichtung 13 durch einen ggf. wiederholt durchgeführten Eintauchvorgang der die Wärmeaustauschflächen 11 bildenden Bestandteile der Heizvorrichtung 6 bzw. der gesamten Heizvorrichtung 6 in eine den Nano-Zeolith und ggf. die weiteren Bestandteile enthaltende Suspension hergestellt werden.
Die Wärmetauscherrippen 12 können in einem Zustand auf das Wärmetauscherrohr 10 aufgeschoben und mit diesem verbunden werden, indem sie bereits mit der Zeolithbeschichtung 13 versehen sind.
Die Zeolithbeschichtung 13 kann des weiteren Bindemittel, z.B. Dispersionsklebstoffe, wie Acrylat-Sole, denen zusätzlich kolloidales SiO₂ zugesetzt sein kann, enthalten.
Die anhand der 4 und 5 gezeigte Ausführungsform der Heizvorrichtung 6 bzw. des Zeolithkörpers 4 hat Wärmetauscherrohre 14, die so angeordnet sind, dass sie vom Aufheizmedium umströmt bzw. umspült werden. Die Wärmetauscherrohre 14 weisen Innenrippen 15 auf, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in Längs- bzw. Axialrichtung der Wärmetauscherrohre 14 verlaufen. Die Innenrippen 15 stehen in den Innenraum der Wärmetauscherrohre 14 vor und bilden mit ihren Außenflächen die Wärmeaustauschflächen 11 der Heizvorrichtung 6, wobei diese Außenflächen der Innenrippen 15 bzw. Wärmeaustauschflächen 11 mit der Zeolithbeschichtung 13 versehen sind.
Die Wärmetauscherrohre 14 mit Innenrippen 15 sind mittels Wärmetauscherblechen 16 gelagert, wobei eine Vielzahl derartiger Wärmetauscherbleche 16 in Axialrichtung der Wärmetauscherrohre 14 gleich beabstandet angeordnet sein können und mit ihren für die Wärmetauscherrohre 14 ausgebildeten Ausnehmungen an den Außenmantelflächen der Wärmetauscherrohre 14 anliegen. Die Außenflächen der Wärmetauscherbleche 16 dienen dazu, thermische Energie aus dem Aufheizmedium, welches die Wärmetauscherrohre 14 umströmt, besser und schneller zu den Wärmeaustauschflächen 11 im Inneren der Wärmetauscherrohre 14 zu transportieren, so dass das Austreiben des Wassers bzw. Wasserdampfs aus dem Zeolithkörper 4 möglichst schnell erfolgen kann. Die Zeolithbeschichtung 13 der anhand der 4 und 5 dargestellten Ausführungsform des Zeolithkörpers 4 bzw. der Heizvorrichtung 6 entspricht hinsichtlich ihrer Ausgestaltung und Zusammensetzung der Zeolithbeschichtung 13 der anhand der 2 und 3 näher beschriebenen Ausführungsform.

Claims

Adsorptionskühlvorrichtung, z.B. Adsorptionswärmepumpe, -Kältemaschine od.dgl., mittels dem Wasserdampf aus einem als Kühlelement der Adsorptionskühlvorrichtung (1) fungierenden Verdampfer (2) ansaug- und anlagerbar ist, und einer Heizvorrichtung (6), mittels der der Zeolithkörper (4) aufheiz- und das im Zeolithkörper (4) angelagerte Wasser austreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeolithkörper (4) als Zeolithbeschichtung (13) von Wärmeaustauschflächen (11) der Heizvorrichtung (6) ausgebildet ist und dass die Zeolithbeschichtung (13) zumindest teilweise aus einem synthetischen Nano-Zeolith aus Partikeln mit einer Partikelgröße < 1000 nm besteht.
Adsorptionskühlvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Zeolithbeschichtung (13) außer Nano-Zeolith herkömmlichen Zeolithwerkstoff mit größeren Partikeln aufweist.
Adsorptionskühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Zeolithbeschichtung (13) Silikagele aufweist.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Heizvorrichtung (6) zumindest ein mittels eines Aufheizmediums durchströmbares Wärmetauscherrohr (10) mit einer Vielzahl von auf der Außenmantelfläche desselben angeordneten Wärmetauscherrippen (12) aufweist, deren Außenflächen mit der Zeolithbeschichtung (13) versehen sind.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Heizvorrichtung (6) zumindest ein von einem Aufheizmedium umströmbares Wärmetauscherrohr (14) mit einer Vielzahl von von dessen Innenmantelfläche in das Wärmetauscherrohr (14) vorstehenden Innenrippen (15) aufweist, deren Außenflächen mit der Zeolithbeschichtung (13) versehen sind.
Adsorptionskühlvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die mit Innenrippen (15) versehenen Wärmetauscherrohre (14) der Heizvorrichtung (6) an ihren Außenmantelflächen in Wärmetauscherblechen (16) gehaltert sind, mittels deren Außenflächen der Übergang von thermischer Energie aus der Umgebung der Wärmetauscherrohre (14) zu deren Innenrippen (15) verstärkbar ist.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Wärmeaustauschflächen (11) der Heizvorrichtung (6) so strukturiert sind, dass das Anhaften der Zeolithbeschichtung (13) gefördert wird.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Zeolithbeschichtung (13) auf die Wärmeaustauschflächen (11) aufgesprüht ist.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Zeolithbeschichtung (13) durch einen ggf. wiederholten Eintauchvorgang in eine den Nano-Zeolith und ggf. den herkömmlichen Zeolithwerkstoff und/oder die Silikagele enthaltende Suspension hergestellt ist.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 7 bis 9, bei der die mit der Zeolithbeschichtung (13) versehenen Wärmetauscherrippen (12) auf die Außenmantelfläche des Wärmetauscherrohrs (10) aufgeschoben sind.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Zeolithbeschichtung (13) Bindemittel, z.B. Dispersionsklebstoffe, wie Acrylat-Sole, denen zusätzlich kolloidales SiO₂ zusetzbar ist, enthält.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der Nano-Zeolith so gewählt ist, dass er eine homogene Porengrößenverteilung mit einem Porendurchmesser < 1,5 nm, vorzugsweise 0,4 nm, besitzt.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Partikel des Nano-Zeoliths in Nano-kristalliner Form vorliegen.
Adsorptionskühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der in die Zeolithbeschichtung (13) Faserwerkstoffe eingebettet sind.