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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Sorptionswärmeübertrager-Modul nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Bei Adsorptionswärmepumpen wird desorbierter Adsorptivdampf unter Wärmeabgabe kondensiert. Jeder Phasenwechsel bedarf einer Wärmeübertragerstruktur, welche die, für den Prozess des Phasenwechsels notwendige Differenztemperatur bietet. Strukturen, welche bedingt durch äußere Einflüsse ein niedriges Temperaturniveau aufweisen, können ebenso zur Kondensation des Arbeitsmittels führen. Handelt es sich bei diesen Strukturen um passive Flächen, verringert sich die Masse des an den aktiven Flächen kondensierten Arbeitsmittels sowie dessen Kondensationswärme. Folglich sinkt der Wirkungsgrad des Nutzprozesses.
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Die
WO 2013/011102 A2 beschreibt ein Konzept eines Sorptionsmoduls, bei dem in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnete Rohrbündel zur Übertragung der Adsorptions- und Desorptionswärme auf eine Adsorberstruktur einerseits und Kondensations- und Verdampfungswärme auf einer Phasenwechselstruktur andererseits angeordnet sind. Die Phasenwechselstruktur dient dabei der Kondensation von Arbeitsmitteldampf, der Speicherung von Kondensat und zur Wiederverdampfung nach dem Wechsel in die Adsorptionsphase. Die gewählte Quaderform der Sorptionsmodule erfordert aufwändige und teure Gehäusekonzepte, um die Differenzdrücke zur Umgebung hin aufzunehmen. Eine thermische Aktivierung von Gehäuseteilen zur Abfuhr von Kondensationswärme bzw. Zufuhr von Kondensationswärme ist daher technisch schwer umsetzbar.
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An kühlen Gehäuseteilen findet eine sogenannte Fremdkondensation statt, wodurch Arbeitsmittelmasse für den nachfolgenden Nutzprozess verloren geht. Durch Vibration im Fahrbetrieb mobiler Anwendungen besteht die Gefahr, dass bereits kondensiertes Arbeitsmittel abtropft oder abgeschüttelt wird und damit ebenfalls für den nachfolgenden Verdampfungsprozess verloren geht. Dadurch wird die Effizienz der Anlage verschlechtert.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Sorptionswärmeübertrager-Modul zu schaffen, welches eine thermische Aktivierung von Gehäuseteilen zur Abfuhr von Kondensationswärme unter mindestens Beibehaltung der Effizienz des Sorptionswärmeübertrager-Moduls einfach realisiert.
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Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Sorptionswärmeübertrager-Modul, umfassend ein Gehäuse, in welchem ein von einem Wärmeträger durchströmter Sorptionswärmeübertrager angeordnet ist. Dabei ist eine Gehäusewandung 13 des Gehäuses als weitere Wärmeübertragerstruktur ausgebildet, wobei an einer Außenseite und/oder einer Innenseite der Gehäusewandung mindestens eine, von einem Kühlmittel durchflossene Mantelstruktur thermisch angebunden ist. Durch diese Ausgestaltung werden die thermisch passiven Flächen der Gehäusewandung 13 aktiviert, was Leistungs- und Wirkungsgradverluste durch Fremdkondensation an passiven Flächen mit entsprechendem Masseverlust des Arbeitsmittels minimieren.
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Um einen möglichst hohen Anteil an thermisch aktiver Kondensationsfläche zu generieren, ist die thermisch aktivierte Mantelstruktur als, vorzugsweise spiralförmige, Rohrwendel ausgebildet. Diese Wendel lässt sich in mehreren Schleifen, welche vorzugsweise dicht zueinander angeordnet sind, entlang des Gehäuses ausbilden, wodurch die thermisch aktive Fläche des Gehäuses erhöht wird.
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Vorteilhafterweise ist in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung die Rohrstruktur als Mehrfachwendel ausgebildet. Diese Rohrstruktur als Mehrfachwendel kann vorteilhaft einen Teil des Gehäuses mit gutem thermischem Kontakt umschließen. Dabei kann die Mehrfachwendel über annähernd die gesamte Fläche des Gehäuses verteilt werden, wodurch die Gehäusewandung zu einer thermisch aktiven Fläche aufgewertet wird.
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In einer Ausgestaltung ist ein Profil eines Rohres der Rohrstruktur eckig oder rund und/oder mehrflutig oder einflutig ausgebildet. Je nach gewünschter Leistungs- und Druckverlustanforderung des Sorptionswärmeübertrager-Moduls lässt sich die Rohrstruktur entsprechend ausbilden, um einen hohen Wirkungsgrad des Sorptionswärmeübertrager-Moduls bei vertretbaren Pumpleistungen für den zugeordneten Wärmeträgerkreislauf zu gewährleisten.
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In einer Variante ist die Rohrstruktur als Mehrkammer-Flachrohrwendel ausgebildet. Eine solche Mehrkammer-Flachrohrwendel lässt sich technisch einfach realisieren und trägt zu einem hohen Wirkungsgrad des Sorptionswärmeübertrager-Moduls bei, insbesondere wenn die Mehrkammer-Flachrohrwendel annähernd die gesamte Innen- oder Außenseite der Gehäusewandung abdeckt.
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In einer zweiten Ausführungsform wird der Gehäusemantel durch eine Kühlmanschette thermisch aktiviert, die einen Teil des Gehäuses, insbesondere einen Großteil des Gehäuses umfasst. Diese Kühlmanschette besteht vorschlagsgemäß aus mindestens einem Flachrohr, das den Umfang eines insbesondere zylindrischen Gehäuseteils wenigstens teilweise umschließt. Die Flachrohrenden münden in je ein Verteil- und Sammelrohr zur zu- und Abführung des in den Flachrohren strömenden Wärmeträgers. Vorteilhafterweise wird der Endbereich der Flachrohre mit dem Verteil- bzw. Sammelrohr so ausgeführt, dass mittels eines Spannelements ein Kraftschluss zwischen dem Gehäuse und der Kühlmanschette aufbringbar ist.
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In einer Ausführungsform ist die Rohrstruktur aus einem wärmeleitenden Kunststoff oder einem Metall ausgebildet. Damit wird der Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der den Arbeitsmittelraum begrenzenden Gehäusewandung 13 optimiert.
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Um einen zuverlässigen Sitz und thermische Anbindung der Rohrstruktur an dem Gehäuse zu gewährleisten, ist die Rohrstruktur kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit der Gehäusewandung 13 verbunden.
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Vorteilhafterweise ist die Rohrstruktur über ein thermisches Kontakt- und oder Befestigungsmittel an der Gehäusewandung 13 positioniert. Dadurch wird der Wärmeaustausch zwischen Kühl- und Arbeitsmittel verbessert und ein Wärmeverlust zuverlässig unterbunden.
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In einer Ausgestaltung ist das thermische Kontakt- und/oder Befestigungsmittel als Wärmeleitkleber ausgebildet, um einen dauerhaften mechanischen Kontakt zu gewährleisten. Ein Wärmeleitkleber stellt ein kostengünstiges Kontakt- und Befestigungsmittel dar, welches einfach zu handhaben ist und die Rohrstruktur vorteilhaft an dem Gehäuse befestigt. Durch die Verwendung eines Wärmeleitklebers wird nicht nur die Rohrstruktur an dem Gehäuse befestigt, sondern gleichzeitig der Wärmeaustausch zwischen Arbeits- und Kühlmittel verbessert.
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In einer Ausführungsform ist das Gehäuse zylinderähnlich ausgebildet. Eine zylinderähnliche Gehäuseform vereinfacht die Montage einer wendelförmigen oder manschettenförmigen Rohrstruktur, wodurch die Aufwendungen für den Montageprozess reduziert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager-Moduls,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rohrstruktur des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager-Moduls,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rohrstruktur des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager-Moduls,
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Rohrstruktur des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager-Moduls,
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rohrstruktur des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertrager-Moduls
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6 eine Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiel in perspektivischer Darstellung, und
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7 eine Schnittansicht des weiteren Ausführungsbeispiels nach 6.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sorptionswärmeübertrager-Moduls 1. Dieses Sorptionswärmeübertrager-Modul 1 besteht aus einem Gehäuse 2, welches in seinem Inneren einen fluiddichten Arbeitsmittelraum 3 ausbildet. Innerhalb des Arbeitsmittelraumes 3 ist ein Sorptionswärmeübertrager 4 angeordnet, welcher Fluidanschlüsse 5, 6 aufweist. Durch die Fluidanschlüsse 5, 6 wird ein Fluidführungssystem gebildet, das in thermischem Kontakt mit einer nicht weiter dargestellten Adsorberstruktur steht. Über den mindestens einen Eintritt 5 und den mindestens einen Austritt 6 des Fluidführungssystems kann der Sorptionswärmeübertrager 4 von einem Arbeitsmittel wechselnder Temperatur durchströmt werden und die Adsorberstruktur thermisch zyklieren. Durch eine dadurch erzeugte Desorption und Adsorption des Arbeitsmittels wird ein Druckwechsel innerhalb des Arbeitsmittelraumes 3 verursacht.
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Bei dem erläuterten Sorptionswärmeübertrager-Modul 1 wird dessen Gehäuse 2 als Kondensationsfläche genutzt, indem dieses mit einer strukturstabilisierenden Rohrstruktur einen Fluid-durchströmbaren thermisch aktivierten Gehäusemantel 7 bildet. Dieser Gehäusemantel ist mit einem zweiten Fluidführungssystems ausgestattet, das durch Beströmung mit einem Kühlmittel während der Desorptionsphase der Adsorberstruktur an der Gehäusewand 2 entstehende Kondensationswärme aufnimmt und dadurch den Arbeitsmitteldruck während der Desorptionsphase auf den Kondensationsdruck begrenzt. Das im Gehäusemantel 7 zirkulierende Kühlmittel wird über einen oben am Gehäusemantel 7 angeordneten Kondensationswärmeträgereintritt 14 eingeführt und über einen diagonal an der gegenüberliegenden Seite des Gehäusemantels 7 ausgebildeten Kondensationswärmeträgeraustritt 15 abgeführt.
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Der thermisch aktivierte Geäusemantel 7 wird innerhalb des Arbeitsmittelraumes 3 am unteren Ende durch eine Kondensatsammeleinrichtung 8 begrenzt. Diese Kondensatsammeleinrichtung 8 ist vorzugsweise als Ringkanal zur Aufnahme des Kondensats ausgebildet, das an der Innenseite der Rohrstruktur 7 herunterläuft und von der Kondensatsammeleinrichtung 8 aufgefangen wird. Über eine Kondensatabführleitung 9, welche ein Rückschlagventil 10 enthält, wird das Kondensat aus dem Sorptionswärmeübertrager-Modul 1 nach außen abgeleitet. Darüber hinaus ist an dem Gehäuse 2 ein Saugleitungsanschluss 12 mit einem zweiten Rückschlagventil 11 zur Ansaugung von Arbeitsmitteldampf angeordnet, wobei der Saugleitungsanschluss 12 außerhalb der Rohrstruktur 7 positioniert ist.
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Aus 2 ist ein bevorzugte Ausführungsbeispiel eines thermisch aktivierten Gehäusemantels 7 dargestellt. Dieser wird durch eine Rohrstruktur 71 gebildet, die die Form einer Mehrkammer-Flachrohrwendel ausgeführt ist, welche das Gehäuse 2 außen spiralförmig fallend umschließt. Eine Mehrkammer-Flachrohrwendel besteht aus einem Flachrohr, welches einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wobei das Kühlmittel innerhalb des Flachrohres in mehreren, im Inneren des Flachrohres ausgebildeten Kanälen fließt.
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Die einzelnen Schleifen der Mehrkammer-Flachrohrwendel 71 sind dabei dicht nebeneinander angeordnet, so dass ein Großteil der Gehäusewandung 13 des Gehäuses 2 mit dieser Mehrkammer-Flachrohrwendel abgedeckt ist, wodurch eine thermisch aktive Gehäusefläche gebildet wird. Die Rohrstruktur 71 kann an dem Gehäuse 2 mittels Kraft-, Form- oder Materialschluss angebunden sein.
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Um die Gehäusewandung 13 homogener zu temperieren, ist in 3 eine Mehrfachwendel 16 dargestellt, welche an der Innenseite der Gehäusewandung 13 des Gehäuses 2 anliegt. Auch in diesem Fall wird durch das dichte Nebeneinanderliegen der einzelnen Schleifen der Mehrfachwendel 16 eine thermisch aktive Gehäusewandung 13 des Gehäuses 2 realisiert, wobei ein, die Mehrfachwendel 16 bildendes Rohr einen runden Querschnitt aufweist.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rohrstruktur, bei welcher wenigstens zwei, als Mehrkammer-Flachrohrwendeln ausgebildete Rohrwendeln 17, 18 alternierend zueinander um das Gehäuse 2 positioniert sind. In der ersten Rohrwendel 17 fließt das Kühlmittel in eine Richtung, während das Kühlmittel in der zweiten Rohrwendel 18 in die entgegengesetzte Richtung transportiert wird. Die Durchströmungsrichtung ist dabei durch die Pfeile charakterisiert.
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Eine weitere Ausgestaltung der Rohrstruktur 7 ist in 5 dargestellt. Das zylindrische Gehäuse 2, das von einer Wärmeübertragermanschette in Form einer Flachrohr-Mehrkammerwendel 7 spiralförmig umgeben ist, ist über einen Wärmeleitkleber 19 an dem Gehäuse 2 befestigt. Somit wird eine einfache und trotzdem gut wärmeleitende Verbindung zwischen der Gehäusewandung 13 und der Mehrkammer-Flachrohrwendel 7 ausgebildet.
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Die 6 und 7 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Gehäusemantel 100 durch eine Kühlmanschette 101 thermisch aktiviert wird, die einen Teil des Gehäuses bzw. des Gehäusemantels 100 umschließt. Dabei ist zu erkennen, dass die Kühlmanschette 101 den Gehäusemantel nahezu vollständig umschließt.
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Die Kühlmanschette 101 weist mindestens ein Flachrohr 102 auf, wobei in der 5 drei Flachrohre 102 gezeigt sind, die in Längsrichtung des Gehäusemantels 100 benachbart zueinander angeordnet sind. Dabei umschließen die Flachrohre 102 der Manschette 101 den Umfang des insbesondere zylindrischen Gehäuses oder eines Gehäuseteils wenigstens teilweise, so dass sie im Wesentlichen an einem Teil des Umfangs oder im Wesentlichen an dem ganzen Umfang des Gehäuses 100 anliegen.
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Die Flachrohrenden 103 der Flachrohre 102 münden in je einem Verteilrohr 104 bzw. in einem Sammelrohr 105 zur Zu- und Abführung des in den Flachrohren 102 strömenden Wärmeträgers. Die Verteil- und Sammelrohre 104, 105 verlaufen senkrecht zu einer Horizontalebene des Gehäuses, so dass die Flachrohre nebeneinander an den Verteil- bzw. Sammelrohr angeschlossen sind. An dem Verteil- und an dem Sammelrohr 104, 105 sind jeweils Anschlussstutzen 106 angebracht, um ein Fluid ein- bzw. ausströmen zu lassen.
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Vorteilhafterweise wird der Endbereich 103 der Flachrohre 102 mit dem Verteil- bzw. Sammelrohr 104, 105 so ausgeführt, dass mittels eines Spannelements 107 ein Kraftschluss zwischen dem Gehäuse 100 und der Kühlmanschette 101 aufbringbar ist.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Rohrstrukturen beschränkt. Die Rohrstrukturen können die unterschiedlichsten Formen aufweisen. Vorteilhafterweise bestehen die Rohrstrukturen aus einem thermisch leitfähigen Kunststoff oder Metall. Des Weiteren kann die Form des Gehäuses unterschiedlich gestaltet sein. Neben der erwähnten zylindrischen Form ist auch eine prismatische oder kegelförmige Ausbildung vorstellbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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