DE102008020605A1 - Heating and cooling arrangement for use in sorption cooling system, has container with pumping opening at which vacuum pump is connected in vacuum-sealed manner, and working medium-steam channel running from evaporator into container - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Heiz- und Kühlanordnung mit einem Adsorptionsmittel und Verfahren zu deren Nutzung.The The invention relates to a heating and cooling arrangement with a Adsorbents and methods for their use.
Adsorptionsvorrichtungen sind Apparate, in denen ein festes Sorptionsmittel ein zweites, bei tieferen Temperaturen siedendes Mittel, das Arbeitsmittel dampfförmig unter Wärmefreisetzung sorbiert (Sorptionsphase). Das Arbeitsmittel verdampft dabei in einem Verdampfer unter Wärmeaufnahme. Nachdem das Sorptionsmittel gesättigt ist, kann es durch Wärmezufuhr wieder desorbiert werden (Desorptionsphase). Dabei dampft Arbeitsmittel aus dem Adsorptionsmittel ab.adsorption are apparatus in which a solid sorbent is a second, at lower temperatures boiling agent, the working medium vaporous sorbed under heat release (sorption phase). The work equipment evaporates in an evaporator while absorbing heat. After the sorbent is saturated, it can be absorbed by heat be desorbed again (desorption phase). At the same time, working fluid is evaporated from the adsorbent.
Adsorptionsapparate
zum Kühlen mit festen Sorptionsmitteln sind aus der
Das
aus der
Die
Aus
der
Die
Aufgabe der Erfindung ist eine multifunktionelle Heiz- und Kühlanordnung mit einem Sorptionsmittel sowie Verfahren zur Nutzung derselben.task The invention is a multifunctional heating and cooling arrangement with a sorbent and method of using the same.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 15. Die abhängigen Ansprüche zeigen weitere erfinderische Vorrichtungen und Verfahren zur Verwendung der Heiz- und Kühlanordnung auf.Solved This object is achieved by the characterizing features of the claims 1 and 15. The dependent claims show further inventive devices and methods of using the heating and cooling arrangement.
Die erfindungsgemäße Heiz- und Kühlanordnung enthält demnach ein Sorptionsmittel innerhalb eines Sorber-Behälters und flüssiges Arbeitsmittel innerhalb eines Verdampfers. Dem Sorptionsmittel wird während der Desorptionsphase Wärme auf hohem Temperaturniveau zugeführt und während bzw. nach der Sorptionsphase auf tieferem Temperaturniveau entzogen. Erfindungsgemäß wird zu Beginn der Sorptionsphase der Verdampfer und eine Vakuumpumpe an den Sorber-Behälter angedockt und die Anordnung evakuiert. Das Arbeitsmittel verdampft dabei und kann bei niedrigem Systemdruck sogar vereisen. Während und insbesondere nach der Desorptionsphase kann der Verdampfer zu Kühlzwecken und der Sorber-Behälter zu Heizzwecken genutzt werden. Die jeweilige Nutzung kann getrennt an unterschiedlichen Einsatzorten erfolgen. Auch die Desorption des Sorber-Behälters kann getrennt von Verdampfer und Vakuumpumpe an weit entfernten Orten und zu beliebigen Zeitpunkten erfolgen.The Heating and cooling arrangement according to the invention contains therefore a sorbent within a Sorber container and liquid working fluid within an evaporator. The sorbent becomes heat during the desorption phase fed at a high temperature level and during or withdrawn after the sorption at a lower temperature level. According to the invention, at the beginning of the sorption phase the evaporator and a vacuum pump to the sorber tank docked and the arrangement evacuated. The working fluid evaporates and can even freeze at low system pressure. While and especially after the desorption phase, the evaporator can Cooling purposes and the Sorber tank for heating purposes be used. The respective use can be separated at different Places made. Also the desorption of the sorbent container Can be separated from evaporator and vacuum pump in distant places and at any time.
Während der Desorptionsphase wird aus dem Sorptionsmittel Arbeitsmitteldampf desorbiert. Dieser strömt durch den offenen Sorber-Behälter in die Umgebung oder aber in einen Verflüssiger um die Kondensationswärme an ein zu erwärmendes Medium abzugeben. Am Ende dieser Phase wird die Wärmezufuhr in das Sorptionsmittel gestoppt. Die Desorption von weiterem Arbeitsmitteldampf endet damit. In diesem desorbierten Zustand kann die fühlbare Wärme des Sorptionsmittels an die Umgebung oder energetisch sinnvoller zur Erwärmung eines weiteren Mediums abgeführt werden. Nach der Desorptionsphase sollte der Luftzutritt in das Sorptionsmittel unterbunden werden. Andernfalls kann das Sorptionsmittel die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit adsorbieren sofern ein häufiger Luftwechsel erfolgt.During the desorption phase, working fluid vapor is desorbed from the sorbent. This flows through the open sorber container in the environment or in a condenser to deliver the heat of condensation to a medium to be heated. At the end of this phase, the heat input into the sorbent is stopped. The desorption of further agent vapor ends with it. In this desorbed state, the sensible heat of the sorbent to the environment or more energetically useful for heating a be discharged further medium. After the desorption phase, the entry of air into the sorbent should be prevented. Otherwise, the sorbent can adsorb the moisture contained in the air if there is a frequent change of air.
Die Adsorptionswärme wird erst dann frei, wenn der Sorber-Behälter an den Verdampfer gekoppelt und mittels Vakuumpumpe die Luft aus der Anordnung abgepumpt wird und der Gesamtdruck unter den Verdampfungsdruck der Wasserfüllung im angeschlossenen Verdampfer abgesenkt wird. Um den Verdampferinhalt zu vereisen muss der Gesamtdruck unter 6 mbar, besser jedoch unter 5 mbar abgesenkt werden.The Adsorption heat is only released when the sorber tank coupled to the evaporator and by means of vacuum pump, the air the arrangement is pumped off and the total pressure below the evaporation pressure lowered the water filling in the connected evaporator becomes. In order to freeze the evaporator contents, the total pressure must be below 6 mbar, but better below 5 mbar be lowered.
Als Sorptionsmittel kommt erfindungsgemäß Zeolith zum Einsatz. Je Kilogramm Zeolith kann damit eine erfindungsgemäße Heiz- und Kühlanordnung im Verdampfer ca. 130 Wh Kälte erzeugen und in Form von Eis speichern. Um 130 Wh Kalte in Eisform zu speichern muss der Verdampfer eine Wasserfüllung von ca. 1,4 kg aufweisen. Hinzu kommt noch die zu verdampfende Wassermenge von 0,2 kg. Aus der Zeolithfüllung sind unter diesen Voraussetzungen je Kilogramm über 160 Wh Wärme abrufbar.When Sorbent comes according to the invention zeolite for use. Per kilogram of zeolite can thus be an inventive Heating and cooling arrangement in the evaporator approx. 130 Wh cold produce and store in the form of ice. To 130 Wh cold in ice form to store the evaporator must be filled with water about 1.4 kg. Added to this is the amount of water to be evaporated of 0.2 kg. From the zeolite filling are under these conditions per kilogram more than 160 Wh heat available.
Zeolith ist ein kristallines Mineral, dessen regelmäßige Gerüststruktur aus Silizium- und Aluminiumoxiden besteht. Diese Gerüststruktur enthält Hohlräume, in welchen Wassermoleküle unter Wärmefreisetzung (ad)sorbiert werden können. Innerhalb der Gerüststruktur sind die Wassermoleküle starken Feldkräften ausgesetzt, deren Stärke von der bereits in der Gerüststruktur enthaltenen Wassermenge und der Temperatur des Zeolithen abhängt. Für den praktischen Gebrauch können pro 100 Gramm Zeolith bis zu 25 Gramm Wasser sorbiert werden. Zeolithe sind feste Stoffe ohne störende Wärmeausdehnung bei der Sorptions- bzw. Desorptionsreaktion. Die Gerüststruktur ist von allen Seiten für die Wasserdampfmoleküle frei zugänglich. Adsorptionsvorrichtungen sind deshalb in jeder Lage einsatzfähig. Für eine wirtschaftliche Betriebsweise sind bei Zeolith Desorptionstemperaturen von über 140°C empfehlenswert.zeolite is a crystalline mineral whose regular Framework structure consists of silicon and aluminum oxides. This framework structure contains cavities, in which water molecules with heat release (ad) can be sorbed. Within the framework structure the water molecules are exposed to strong field forces, their strength from that already in the framework structure contained amount of water and the temperature of the zeolite depends. For practical use can be per 100 grams Zeolite can be sorbed up to 25 grams of water. Zeolites are solid Substances without disturbing thermal expansion in the sorption or desorption reaction. The framework structure is of all Sites for the water vapor molecules freely accessible. Adsorption devices are therefore operational in every situation. For an economical operation are with zeolite Desorption temperatures of over 140 ° C recommended.
Verwendbar sind jedoch auch andere Sorptionsmittelpaarungen, bei denen das Sorptionsmittel fest ist und auch bei der Sorptionsreaktion fest bleibt. Feste Sorptionsmittel haben allerdings eine geringe Wärmeleitung und einen schlechten Wärmeübergang. Da auch der Wärmeübergang von Umgebungsluft auf den Sorber-Behälter in der gleichen Größenordnung liegt, empfehlen sich bei diesbezüglichen Anwendungen Wärmetauscher ohne Berippung, wie beispielsweise Zylinder-, Platten- oder Rohrgeometrien. Da insbesondere Zeolithgranulate eine geringe Wärmeleitung haben, ist der Sorber-Behälter so auszulegen, dass der durchschnittliche Wärmeleitungsweg für die umgesetzten Wärmemengen 3 cm nicht übersteigt.usable However, there are other sorbent pairings in which the Sorbent is solid and also solid in the sorption reaction remains. However, solid sorbents have a low heat conduction and a bad heat transfer. Since also the Heat transfer from ambient air to the sorber tank in the same order, recommend itself in related applications heat exchangers without ribbing, such as cylinder, plate or tube geometries. In particular, zeolite granules have a low heat conductivity have the Sorber container designed so that the average heat conduction path for the converted Heat does not exceed 3 cm.
Einige feste Sorptionsmittel, wie insbesondere Zeolith, sind stabil genug, um ohne Volumenänderung auch äußere Überdrücke bei dünnwandigen Behälterwänden abstützen zu können. Zusätzliche Versteifungen oder dickwandige Wärmetauscherflächen sind deshalb nicht nötig. Da bei der Verwendung von Wasser als Ar beitsmittel die Sorptionsvorrichtung unter Vakuum steht und für die gesamte Funktionsdauer keine Gase in das System eindringen sollten, sind vakuumdichte Bauteile zu verwenden.Some solid sorbents, especially zeolite, are stable enough around without volume change and external pressures support with thin-walled container walls to be able to. Additional stiffeners or thick-walled Heat exchanger surfaces are therefore not necessary. As in the use of water as Ar beitsmittel the sorption is under vacuum and for the entire service life no Gases should enter the system are vacuum-tight components to use.
Beim Verdampfen von Wasser unter Vakuum kühlt sich das Wasser im Verdampfer auf 0°C ab und gefriert bei fortgesetzter Verdampfung zu Eis. Zur Weiterleitung des Arbeitsmitteldampfes ist ein geeigneter Arbeitsmittel-Dampfkanal vorzusehen. Dieser ist sowohl im Verdampfer als auch im Sorber-Behälter strömungsgünstig anzuordnen. Beim Einsatz von Rohren ist es vorteilhaft den Arbeitsmittel-Dampfkanal in axialer Richtung anzuordnen und für die Wasserfüllung im Verdampfer ein saugfähiges Material ringförmig zwischen den Dampfkanal und das Außenrohr einzusetzen. Das saugfähige Material kann aus einem Schwamm bestehen, der offene Poren aufweist oder aber aus einem saugfähigen Fasermaterial. Zum Auffüllen des Verdampfers kann das Material mit Wasser geflutet und anschließend die nicht gebundene Wassermenge durch Kippen des Verdampfers entleert werden. Die Menge des saugfähigen Materials ist dabei so zu bemessen, dass es die für die im Sorber-Behälter enthaltene Sorptionsmittelmenge eine ausreichende Arbeitsmittelmenge zurückbehalten kann.At the Evaporation of water under vacuum cools the water in the evaporator to 0 ° C and freezes with continued Evaporation to ice. For forwarding the working medium vapor is to provide a suitable working fluid vapor channel. This one is both streamlined in the evaporator as well as in the sorbent tank to arrange. When using pipes, it is advantageous the working medium steam channel to arrange in the axial direction and for the water filling in the evaporator an absorbent material annular insert between the steam duct and the outer pipe. The absorbent material may consist of a sponge, which has open pores or from an absorbent Fiber material. To fill the evaporator, the material flooded with water and then the unbound Amount of water to be emptied by tilting the evaporator. The amount the absorbent material is to be dimensioned so that it is the amount of sorbent contained in the sorber tank can retain a sufficient amount of working fluid.
Auch der Sorber-Behälter kann erfindungsgemäß eine Rohrgeometrie mit zentrisch und axial verlaufendem Arbeitsmittel-Dampfkanal aufweisen. Wenn das zwischen Dampfkanal und Rohraußenwand eingefüllte Sorptionsmittel dünner als 3 cm ist, kann der Rohrdurchmesser unter 12 cm liegen. Um die Wärmeleitung im Sorptionsmittel zu verbessern, kann das Rohr im Innenraum zusätzlich mit axial verlaufenden Wärmeleitlammellen ausgestattet sein.Also The sorber container can according to the invention a Pipe geometry with centric and axial working medium steam channel exhibit. If that between the steam duct and pipe outer wall filled sorbent is thinner than 3 cm, can the pipe diameter is less than 12 cm. To the heat conduction In the sorbent to improve, the tube in the interior can additionally equipped with axially extending Wärmeleitlammellen be.
Bei einer Rohrgeometrie kann die Wärmequelle für die Desorption auch direkt in den axial verlaufenden Arbeitsmittel-Dampfkanal des Sorber-Behälters eingeschoben werden. Elektrische Heizpatronen können auf diese Weise die Sorptionsmittelfüllung von innen heraus beheizen. Andere Wärmequellen werden ihre Wärme über die Außenwandung des Sorber-Behälters in die Sorptionsmittelfüllung einleiten. Als Wärmequellen eigenen sich insbesondere heiße Gase aus Verbrennungs prozessen oder industrielle Abwärme sofern sie die notwendigen Desorptionstemperaturen von über 140°C aufweisen.at a tube geometry can be the heat source for the Desorption also directly into the axial working medium vapor channel of the sorber tank. Electric heating cartridges In this way you can fill the sorbent heat from the inside out. Other heat sources will be theirs Heat over the outer wall of the sorber tank introduce into the sorbent filling. As heat sources are in particular hot gases from combustion processes or industrial waste heat provided they have the necessary desorption temperatures of over 140 ° C have.
Auch die Speicherung von solarer Energie ist mit der Heiz- und Kühlanordnung auf einfache Weise möglich. Die Sorber-Behälter werden hierzu an Sonnenkollektoren gekoppelt, die das Sonnenlicht auf die Sorptionsmittelfüllung übertragen. Bei einer Rohrgeometrie können vorteilhaft Systeme zum Einsatz kommen, die das Sonnenlicht mittels Parabolrinnen auf den Sorber-Behälter kollimieren. Auch der Einschub eines rohrförmig aufgebauten Sorber-Behälters in sogenannte Vakuum-Röhren erlaubt eine sehr effiziente Desorption der Sorptionsmittelfüllung. Die auf diese Weise desorbierten Sorber-Behälter lassen sich ohne Verluste für die spätere Nutzung der Wärme und/oder Kälte stapeln.Also the storage of solar energy is with the heating and cooling arrangement in a simple manner possible. For this purpose, the sorber containers are coupled to solar collectors, which transmit the sunlight to the sorbent filling. In a tube geometry systems can advantageously be used, which collimate the sunlight by means of parabolic troughs on the sorbent container. Also, the insertion of a tubular Sorber container in so-called vacuum tubes allows a very efficient desorption of the sorbent filling. The desorbed in this way sorber container can be stacked without loss for the subsequent use of heat and / or cold.
Erfindungsgemäß kann sich die Wärmequelle weit entfernt von der späteren Nutzung der Wärme und Kälte befinden. In diesem Fall lassen sich mehrere Sorber-Behälter als Sammeltransport mit reduzierten Transportkosten versenden.According to the invention the heat source is far away from the later ones Use of heat and cold are located. In this In the case, several sorber containers can be used as collective transport ship with reduced transport costs.
Für die lösbaren Verbindungen des Sorber-Behälters an die Vakuumpumpe und an den Verdampfer eignen sich bekannte Verbindungstechniken. Um die Ankopplung schnell und ohne Werkzeug zu ermöglichen, sind erfindungsgemäß Dichtungen im Einsatz, die sich bei anliegendem Unterdruck selbsttätig an die Öffnungen des Sorber-Behälters ansaugen und eine gasdichte Verbindung eingehen. Um auch eine gute mechanische Stabilität zu gewähren kann zusätzlich eine Steckverbindung, z. B. ein Bajonett-Verschluss zum Einsatz kommen. Auch Schraubverbindungen lassen sich gut einsetzen. Vorteilhaft ist es in jedem Fall, die Dichtungen nicht am Sorber-Behälter sondern am Saugschlauch der Vakuumpumpe und an der Verdampfer-Öffnung fest zu montieren. Der Sorber-Behälter kann dann höheren Temperaturen ausgesetzt werden. Zudem werden pro Anordnung zahlenmäßig häufig mehr Sorber-Behälter als Verdampfer und Vakuumpumpen vorhanden sein. Die Kosten für die Dichtungselemente sind dann geringer. Wenn das Dichtungselement am Verdampfer und an der Vakuumpumpe baugleich ist, kann der Sorber-Behälter mit beliebiger Ausrichtung angedockt werden.For the detachable connections of the sorber tank to the vacuum pump and to the evaporator known connection techniques are suitable. To enable the coupling quickly and without tools, are inventively seals in use, the itself at applied negative pressure to the openings of the sorber tank and a gas-tight connection received. To give a good mechanical stability In addition, a connector, z. B. a bayonet closure be used. Even screw connections can be used well. Advantageous In any case, it is not the seals on the sorber tank but at the suction hose of the vacuum pump and at the evaporator opening firmly to assemble. The sorber tank can then be higher Be exposed to temperatures. In addition, each arrangement will be numerical often more sorber tanks than vaporizers and Vacuum pumps be present. The cost of the sealing elements are then lower. When the sealing element on the evaporator and is identical to the vacuum pump, the sorber container docked with any orientation.
An die zum Einsatz kommende Vakuumpumpe werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Sofern der für die Vereisung notwendige Enddruck erreicht wird, kann jeder Vakuumerzeuger verwendet werden. Die Vakuumpumpe kann auch mit einem Drucksensor kombiniert werden, der die Pumpe abstellt, sobald der notwendige Druck erreicht ist und wieder anschaltet sobald der Druck durch eventuelle Leckagen angestiegen ist. Auch der Einsatz manueller Vakuumpumpen erscheint energetisch sinnvoll, wenn keine Elektrizität zum Einsatz kommen kann oder soll.At The vacuum pump used will be no special requirements posed. If the final pressure required for icing is reached Any vacuum generator can be used. The vacuum pump can also be combined with a pressure sensor that the pump as soon as the necessary pressure has been reached and reactivated as soon as the pressure has increased due to leaks. Also The use of manual vacuum pumps seems to make sense in terms of energy, though no electricity can or should be used.
Die Zeichnung zeigt:The Drawing shows:
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Verdampfer
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