DE102015010003A1 - Adsorption refrigeration system for the air conditioning of a vehicle and method for operating the same - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskälteanlage zur Klimatisierung eines Fahrzeugs, umfassend einen Kältemittelkreislauf (1) mit wenigstens zwei Sorptionseinheiten mit jeweils einem Sorbens, einen mit den Sorptionseinheiten verbindbaren Kondensator (4) oder Gaskühler (4), einen mit den Sorptionseinheiten verbindbaren Verdampfer (3), dem ein Expansionsorgan (5) vorgeschaltet ist. erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kältemittelkreislauf (1) vier Sorptionseinheiten (SE1, SE2, SE3, SE4) aufweist, die jeweils mittels eines Absperrventils (2.11, 2.12, 2.21, 2.22, 2.31, 2.32, 2.41, 2.42) entweder mit dem Verdampfer (3) oder dem Kondensator (4) bzw. Gaskühler (4) verbindbar sind und das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (1) Kohlendioxid (CO2) ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Adsorptionskälteanlage.The invention relates to an adsorption refrigeration system for the air conditioning of a vehicle, comprising a refrigerant circuit (1) with at least two sorption units each having a sorbent, a condenser (4) or gas cooler (4) connectable to the sorption units, an evaporator (3) connectable to the sorption units, which is preceded by an expansion element (5). According to the invention, it is provided that the refrigerant circuit (1) has four sorption units (SE1, SE2, SE3, SE4), each by means of a shut-off valve (2.11, 2.12, 2.21, 2.22, 2.31, 2.32, 2.41, 2.42) either with the evaporator ( 3) or the condenser (4) or gas cooler (4) are connectable and the refrigerant of the refrigerant circuit (1) is carbon dioxide (CO2). Furthermore, the invention relates to a method for operating the adsorption refrigeration system according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskälteanlage zur Klimatisierung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Adsorptionskälteanlage.The invention relates to an adsorption refrigeration system for the air conditioning of a vehicle according to the preamble of
Klimaanlagen für Fahrzeuge sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, die einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf aufweisen. In dem Kältemittelkreislauf sind ein Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, ein Kondensator zum Kühlen des verdichteten Kältemittels, ein Expansionsorgan und ein Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels angeordnet, wobei das Expansionsorgan zum Entspannen des verdichteten Kältemittels in den Verdampfer dient und sich dadurch stark abkühlt. Eine solche Klimaanlage dient insbesondere dazu, Luft, die der Fahrzeugkabine zugeführt wird, zu temperieren, insbesondere zu kühlen. Durch die mittels des Verdampfers bewirkte Verdampfung des Kältemittels kann das Kältemittel Wärme aus der den Verdampfer umströmenden Luft aufnehmen, wodurch die Luft gekühlt wird.Air conditioning systems for vehicles are well known from the prior art, which have a traversed by a refrigerant refrigerant circuit. In the refrigerant cycle, a compressor for compressing the refrigerant, a condenser for cooling the compressed refrigerant, an expansion element, and an evaporator for evaporating the refrigerant are arranged, the expansion element serving to depressurize the compressed refrigerant into the evaporator and thereby cool strongly. Such an air conditioner is used in particular to temper air, which is supplied to the vehicle cabin, in particular to cool. Due to the evaporation of the refrigerant caused by the evaporator, the refrigerant can absorb heat from the air flowing around the evaporator, whereby the air is cooled.
Als Kältemittel kommt wegen der geringen Klimaschädlichkeit Kohlendioxid (CO2) zum Einsatz, wobei in diesem Fall der Kondensator als Gaskühler arbeitet.As a refrigerant is due to the low climate damage carbon dioxide (CO 2 ) is used, in which case the condenser works as a gas cooler.
Zum Betreiben solcher CO2-Klimaanlagen werden Kältemittelverdichter als Kompressoren eingesetzt, die entweder vom Fahrmotor des Fahrzeugs oder einem Elektroantrieb angetrieben werden müssen, also den Einsatz von Fremdenergie erforderlich machen.For operating such CO 2 air conditioning refrigerant compressor are used as compressors, which must be driven either by the drive motor of the vehicle or an electric drive, so make the use of external energy required.
Bei einer Adsorptionskälteanlage mit einem Sorptionssystem wird der Kompressor durch einen sogenannten thermischen Verdichter ersetzt, bei dem bei niedrigem Verdampferdruck das Kältemittel adsorbiert wird, um anschließend durch eine Desorption das Kältemittel dem Kondensator bei einem höheren Kondensatordruck zuzuführen. Die Desorption erfolgt durch Wärmezufuhr in das Sorbens, während bei der Adsorption Wärme freigesetzt wird.In an adsorption refrigeration system having a sorption system, the compressor is replaced by a so-called thermal compressor in which the refrigerant is adsorbed at a low evaporator pressure to subsequently supply the refrigerant to the condenser at a higher condenser pressure by desorption. The desorption occurs by supplying heat to the sorbent, while heat is released during adsorption.
Als Kältemittel für bekannte Adsorptionskälteanlagen wird bspw. Wasser oder Methanol verwendet. Als Adsorber/Desorber-Material wird bekannterweise ein Material verwendet, das aus einer Gruppe, bestehend aus Aktivkohle, Aluminiumoxid, Aluminiumphosphat, Silika-Aluminiumphosphat, Metall-Silika-Aluminiumphosphat, Mesostruktur-Silikat, einem metallorganischen Gerüst, einem mikroporösen Material, einem Silikagel oder einem Zeolith ausgewählt wird. Diese Materialien haben aufgrund ihrer großen inneren Oberfläche die Eigenschaft, das Kältemittel, insbesondere Wasser oder Methanol, sehr gut aufzusaugen. Da der Sorptionsprozess bei diesen Materialien an Feststoffen stattfindet, müssen wenigstens zwei Sorptionssysteme periodisch mit einem Kältemittel beladen und entladen bzw. regeneriert werden.As a refrigerant for known adsorption refrigeration systems, for example, water or methanol is used. As adsorber / desorber material, it is known to use a material selected from a group consisting of activated carbon, alumina, aluminum phosphate, silica-aluminum phosphate, metal-silica-aluminum phosphate, mesostructure silicate, an organometallic skeleton, a microporous material, a silica gel or a zeolite is selected. These materials have due to their large inner surface the property of the refrigerant, especially water or methanol, absorb very well. Since the sorption process of these materials takes place on solids, at least two sorption systems must be periodically loaded with a refrigerant and discharged or regenerated.
Eine gattungsbildende Adsorptionskälteanlage zur Klimatisierung von Fahrzeugen ist aus der
Beim Betrieb dieser bekannten Adsorptionskälteanlage werden die beiden Sorptionseinheiten wechselweise in Adsorption oder Desorption betrieben. Zur Aufladung einer Sorptionseinheit wird Kühlwasser aus einem Motorraum durch zu dem Wärmetauscher der jeweiligen Sorptionseinheit gefördert, um die dort entstehende Adsorptionswärme abzuführen. Bei der Entladung einer Sorptionseinheit wird Kühlwasser des Fahrzeugmotors durch den Wärmetauscher der jeweiligen Sorptionseinheit geführt, um die zur Desorption erforderliche Wärme als Motorwärme bereitzustellen.During operation of this known adsorption refrigeration system, the two sorption units are operated alternately in adsorption or desorption. For charging a sorption cooling water is conveyed from an engine compartment through to the heat exchanger of the respective sorption to dissipate the heat of adsorption arising there. During the discharge of a sorption unit, cooling water of the vehicle engine is guided through the heat exchanger of the respective sorption unit in order to provide the heat required for desorption as engine heat.
Im Betrieb dieser bekannten Adsorptionskälteanlage wird das in der ersten Sorptionseinheit desorbierte Sorbat in den Kondensator geleitet, wo es verflüssigt wird. Das Kondensat kühlt sich im nachfolgenden Vorratsbehälter auf Umgebungstemperatur ab und wird anschließend dem Verdampfer zur Verdampfung und Kälteerzeugung zugeführt und von dort in die zweite Sorptionseinheit, die sich im entladenen Zustand befindet, geleitet. Die im Verdampfer zur Verdampfung erforderliche Verdampfungswärme wird dem Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs entnommen, der dadurch gekühlt wird. Nach Beendigung sowohl der Desorptionsphase in der ersten Sorptionseinheit als auch der Adsorptionsphase in der zweiten Sorptionseinheit wird die Adsorptionskälteanlage derart angesteuert, dass nunmehr die Entladephase in der zweiten Sorptionseinheit und die Beladungsphase in der ersten Sorptionseinheit eingeleitet werden kann.In operation of this known adsorption refrigeration system, the sorbate desorbed in the first sorption unit is passed into the condenser, where it is liquefied. The condensate cools in the subsequent storage tank to ambient temperature and is then fed to the evaporator for evaporation and refrigeration and from there into the second sorption, which is in the discharged state, passed. The evaporation heat required for evaporation in the evaporator is taken from the vehicle interior of the vehicle, which is thereby cooled. After completion of both the desorption phase in the first sorption unit and the adsorption phase in the second sorption unit, the adsorption refrigeration system is activated such that now the discharge phase in the second sorption unit and the loading phase in the first sorption unit can be initiated.
Diese bekannte Adsorptionskälteanlage gemäß der
Aufgabe der Erfindung ist es eine Adsorptionskälteanlage der eingangs genannten Art bereitzustellen, die mit Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel betrieben werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Adsorptionskälteanlage anzugeben. The object of the invention is to provide an adsorption refrigeration system of the type mentioned, which can be operated with carbon dioxide (CO 2 ) as a refrigerant. It is another object of the invention to provide a method for operating this adsorption refrigeration system.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Adsorptionskälteanlage aus mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.This object is achieved by an adsorption refrigeration system having the features of
Eine solche Adsorptionskälteanlage zur Klimatisierung eines Fahrzeugs umfasst einen Kältemittelkreislauf mit wenigstens zwei Sorptionseinheiten mit jeweils einem Sorbens, einen mit den Sorptionseinheiten verbindbaren Kondensator oder Gaskühler und einen mit den Sorptionseinheiten verbindbaren Verdampfer, dem ein Expansionsorgan vorgeschaltet ist. Erfindungsgemäß weist der Kältemittelkreislauf vier Sorptionseinheiten auf, die jeweils mittels eines Absperrventils entweder mit dem Verdampfer oder dem Kondensator bzw. Gaskühler verbindbar sind, wobei das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs Kohlendioxid (CO2) ist.Such an adsorption refrigeration system for air conditioning of a vehicle comprises a refrigerant circuit having at least two sorption units each having a sorbent, a condenser or gas cooler which can be connected to the sorption units and an evaporator which can be connected to the sorption units and which is preceded by an expansion element. According to the invention, the refrigerant circuit has four sorption units which can be connected to either the evaporator or the condenser or gas cooler by means of a shut-off valve, the refrigerant of the refrigerant circuit being carbon dioxide (CO 2).
Bei dieser erfindungsgemäßen Adsorptionskälteanlage wird die im Fahrzeug erzeugte Abwärme, bspw. die von der Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme zur Komprimierung des Kältemittels genutzt, nämlich durch die unter Nutzung dieser Abwärme ablaufende Desorption des Adsorbens. Damit wird der in einem Kältemittelkreislauf üblicherweise verwendete mechanische Kompressor durch einen sogenannten thermischen Verdichter ersetzt, durch welchen der für den Kondensator bzw. Gaskühler erzeugte CO2-Druck direkt durch Abwärme, bspw. der Motorwärme erzeugt wird. Außerdem besteht die vorteilhafte Möglichkeit, dass beim Start des Fahrzeugs die in der Phase der Adsorption bzw. Aufladung des Adsorbens entstehende Wärme als Wärmequelle zum Aufheizen des Motors oder der Fahrzeugkabine zur Verfügung steht.In this adsorption refrigeration system according to the invention, the waste heat generated in the vehicle, for example the waste heat generated by the internal combustion engine is used to compress the refrigerant, namely by the desorption of the adsorbent taking place using this waste heat. Thus, the mechanical compressor commonly used in a refrigerant circuit is replaced by a so-called thermal compressor, by which the CO 2 pressure generated for the condenser or gas cooler is generated directly by waste heat, for example. The engine heat. In addition, there is the advantageous possibility that at the start of the vehicle, the heat arising in the phase of adsorption or charging of the adsorbent is available as a heat source for heating the engine or the vehicle cabin.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthalten die Sorptionseinheiten ein CO2-Adsorbens, vorzugsweise aus der Stoffgruppe der Metalloxide. Dieses Metalloxid reagiert in der Adsorptionsphase mit Kohlenstoffdioxid zu Metallcarbonat, welches in der Desorptionsphase unter Zufuhr von Wärme regeneriert wird und dabei das Kohlenstoffdioxid wieder freisetzt.According to an advantageous embodiment of the invention, the sorption units contain a CO2 adsorbent, preferably from the substance group of metal oxides. This metal oxide reacts in the adsorption phase with carbon dioxide to metal carbonate, which is regenerated in the desorption phase with the supply of heat, thereby releasing the carbon dioxide again.
Als Metalloxide können Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO), Strontiumoxid (SrO) oder Bariumoxid (BaO) eingesetzt werden.Magnesium oxides (MgO), calcium oxide (CaO), strontium oxide (SrO) or barium oxide (BaO) can be used as metal oxides.
Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Adsorptionskälteanlage für ein Fahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass die Sorptionseinheiten jeweils sukzessiv eine Adsorptionsphase, eine Desorptionsphase zur Kompression des Kältemittels, eine Entladungsphase und eine Kühlphase durchlaufen, wobei die Absperrventile derart gesteuert werden, dass die Sorptionseinheiten zeitversetzt die genannten Phasen durchlaufen und eine kontinuierliche Entladung von Kältemittel in den Kondensator oder den Gaskühler erfolgt.The method for operating the adsorption refrigeration system according to the invention for a vehicle is characterized in that the sorption units each successively undergo an adsorption phase, a desorption phase for compressing the refrigerant, a discharge phase and a cooling phase, wherein the shut-off valves are controlled such that the sorption units with a time delay Run through phases and a continuous discharge of refrigerant in the condenser or the gas cooler takes place.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:The invention will now be described in detail by means of an embodiment with reference to the accompanying figures. Show it:
Die Adsorptionskälteanlage nach
Das von dem thermischen Verdichter
Der thermische Verdichter
In den Sorptionseinheiten SE1 bis SE4 wird bei niedrigem Druck PN das Kältemittel unter Abgabe von Wärme Qab von einem Adsorbens in den Sorptionseinheiten adsorbiert, um anschließend unter Zuführung von Wärme Qzu das Adsorbens unter Freisetzung des Kohlendioxids als Adsorbat zu desorbieren, welches dem Kondensator
Als Sorbtionsmaterial wird bei dem thermischen Verdichter
Die einzelnen Phasen, nämlich eine Adsorptionsphase, eine Desorptionsphase, eine Entladungsphase und eine Kühlphase, die jede Sorptionseinheit SE1, SE2, SE3 und SE4 durchläuft, sind in dem Verfahrensdiagramm nach
Gemäß
Zur Abfuhr von Wärme Qab aus dem Adsorbens der Sorptionseinheit SE sowie zur Zufuhr von Wärme Qzu in das Adsorbens der Sorptionseinheit SE weist die Sorptionseinheit SE Wärmetauscher auf. So wird mittels Wärmetauscher erster Art Wärme Qab zur Kühlung aus dem Adsorbens abgeführt und mittels Wärmetauscher zweiter Art Wärme Qzu dem Adsorbens zugeführt. Die abzuführende Wärme Qab kann entweder mittels eines Kondensators an die Fahrzeugumgebung abgegeben oder zum Heizen der Fahrzeugkabine verwendet werden. Die zur Desorption erforderliche Wärme Qzu wird von im Fahrzeug vorhandenen Wärmequellen, bspw. einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs erzeugt.For removing heat Q ab from the adsorbent of the sorption unit SE and for supplying heat Q to the adsorbent of the sorption unit SE, the sorption unit SE has heat exchangers. Thus, heat Q is off for cooling discharged from the adsorbent and supplied to the adsorbent heat exchanger by means of the second type heat Q means of heat exchangers of the first type. The heat to be removed from Q can be either discharged or by means of a capacitor to the vehicle surroundings for heating the vehicle cabin used. The required heat for the desorption to Q produced by in-vehicle heat sources, for example. Of an internal combustion engine of the vehicle.
Die Betriebsweise des Kältemittelkreislaufes
Um sowohl eine kontinuierliche Förderung von Kältemittel bei Niederdruck PN aus dem Verdampfer
In den
In einem ersten Zeitpunkt befinden sich die Sorptionseinheiten SE1 bis SE4 in unterschiedlichen Phasen. Nach
In einem zweiten Zeitpunkt sind die jeweiligen Phasen der Sorptionseinheiten SE1 bis SE4 beendet und die Absperrventile werden gemäß
In einem dritten Zeitpunkt sind auch diese Phasen der Sorptionseinheiten SE1 bis SE4 beendet und die Absperrventile werden gemäß
In einem vierten Zeitpunkt sind wiederum diese Phasen der Sorptionseinheiten SE1 bis SE4 beendet und die Absperrventile werden gemäß
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 22
- thermischer Verdichterthermal compressor
- 2.112.11
- Absperrventilshut-off valve
- 2.122.12
- Absperrventilshut-off valve
- 2.212.21
- Absperrventilshut-off valve
- 2.222.22
- Absperrventilshut-off valve
- 2.312.31
- Absperrventilshut-off valve
- 2.322:32
- Absperrventilshut-off valve
- 2.412:41
- Absperrventilshut-off valve
- 2.422:42
- Absperrventilshut-off valve
- 33
- VerdampferEvaporator
- 44
- Kondensator, GaskühlerCondenser, gas cooler
- 55
- Expansionsventilexpansion valve
- SESE
- Sorptionseinheitsorption
- SE1SE1
- Sorptionseinheitsorption
- SE2SE2
- Sorptionseinheitsorption
- SE3SE3
- Sorptionseinheitsorption
- SE4SE4
- Sorptionseinheitsorption
- Ph1Ph1
- Adsorptionsphaseadsorption
- Ph2Ph2
- Desorptionsphasedesorption
- PH3PH3
- Entladungsphasedischarge phase
- PH4PH4
- Kühlphasecooling phase
- PHPH
- Hochdruckhigh pressure
- PN P N
- Niederdrucklow pressure
- Qab Q from
- abzuführende Wärmedissipated heat
- Qzu Q too
- zuzuführende Wärmeheat to be supplied
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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