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Die Erfindung betrifft ein Sorptionswärmeübertragungsmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ablassen eines einem Arbeitsfluid beigemischten Gases aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul.
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Thermisch angetriebene Sorptionswärmeübertragungsmodule weisen als Kälteanlagen ein hohes Energieeinsparungspotenzial auf. Insbesondere kann für diese als Antriebsenergie kostengünstige Ab- oder Überschusswärme genutzt und dadurch elektrische Netze besonders in warmen Klimazonen mit einem hohen Kältebedarf in Spitzenlastzeiten entlastet werden. In der kalten Jahreszeit lassen sich die Sorptionswärmeübertragungsmodule als Wärmepumpen nutzen, die mittels Brennerwärme zusätzliche Umweltwärme auf ein ausreichendes Temperaturniveau für Heizzwecke heben. Besonders interessant sind dabei Sorptionswärmeübertragungsmodule, die poröse Feststoffe nutzen und keine bewegten und damit störanfälligen Verschleißteile aufweisen. Für eine erfolgreiche Vermarktung ist der Servicebedarf über die gesamte angestrebte Lebensdauer von Sorptionswärmeübertragungsmodulen sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen entscheidend.
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Nachteiligerweise wird die Leistung von Sorptionswärmeübertragungsmodulen mit einem Niederdruck-Arbeitsfluid von nicht kondensierenden Gasen negativ beeinträchtigt. Um die Partialdrücke dieser beigemischten Gase möglichst niedrig zu halten, muss bei der Fertigung der Komponenten eine hohe Dichtigkeit erreicht werden. Ferner muss bei der Evakuierung und der Aufbereitung des Arbeitsfluids und der Desorption des Sorptionsmittels ein hoher Aufwand getrieben werden. Dies wirkt sich negativ auf die Herstellungskosten aus. Weiterhin muss sichergestellt sein, dass die in Sorptionswärmeübertragungsmodulen intern verbauten Werkstoffe chemisch mit dem Arbeitsfluid kompatibel sind. So dürfen die Werkstoffe durch das Arbeitsfluid nicht chemisch angreifbar sein und es dürfen keine chemischen Abbaureaktionen des Arbeitsfluids unter Bildung nicht kondensierenden Gase bei den Arbeitstemperaturen stattfinden.
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In der Praxis ist es jedoch äußerst schwierig, alle beschriebenen Anforderungen ausreichend zu erfüllen und über die Lebensdauer von Sorptionswärmeübertragungsmodulen von 15 bis 20 Jahre hinweg ein Ansammeln der nicht kondensierenden Gase zu vermeiden. Insbesondere schwierig ist es bei metastabilen Arbeitsfluiden wie beispielsweise Alkohole. Bei diesen kann es vorkommen, dass über längere Betriebszeiten hinweg in hermetisch geschlossenen Hohlelementen von Sorptionswärmeübertragungsmodulen sich unerwünschte Spaltgase anreichern. Diese verschlechtern die Kinetik des Stoffübergangs des Arbeitsfluids beim zyklischen Phasenwechseln, insbesondere bei der Kondensation und bei der Sorption.
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WO 2007/068481 A1 ,
WO 2010/112433 A2 und
WO 2009/103325 A1 beschreiben unterschiedlich ausgestaltete Sorptionswärmeübertragungsmodule. In der
DE 103 10 748 B3 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ablassen eines einem Arbeitsfluid beigemischten Gases in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul beschrieben. Hier wird das Arbeitsfluid in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul vollständig verdampft und die beigemischten Gase zusammen mit dem verdampften Arbeitsfluid rausgelassen. Nachteiligerweise wird dabei das Arbeitsfluid zusammen mit den beigemischten Gasen abgelassen, was zu einem erhöhten Verlust des Arbeitsfluids führt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für ein Sorptionswärmeübertragungsmodul der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll ein Ablassen eines einem Arbeitsfluid beigemischten Gases in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul ermöglicht sein. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen. Insbesondere soll die Leistung in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul über die gesamte Lebensdauer mit einem akzeptablen Serviceaufwand aufrechterhalten werden können.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein gattungsgemäßes Sorptionswärmeübertragungsmodul weist ein flüssigkeits- und gasdichtes Gehäuse mit einer Sorptionszone und mit einer Aufnahmezone auf, die durch ein Arbeitsfluid durchströmbar sind. Das Arbeitsfluid kann dabei in der Sorptionszone in einem Sorptionsmittel sorbiert oder desorbiert und in der Aufnahmezone an einem Aufnahmemittel verdampft oder kondensiert werden. Erfindungsgemäß ist an die Aufnahmezone ein Auslasspfad mit einem Verdrängungsraum und mit einem aus dem Verdrängungsraum führenden Auslasskanal stromab angeschlossen, so dass das von dem Arbeitsfluid separierte Gas in dem Verdrängungsraum gesammelt und über den Auslasskanal aus diesem geführt werden kann.
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Das Sorptionswärmeübertragungsmodul kann dabei ein Adsorptionsmodul oder ein Absorptionsmodul sein. Das Arbeitsfluid kann beispielweise Alkohol - beispielweise Methanol oder Ethanol - oder auch Wasser sein. Bei dem beigemischten Gas kann es sich beispielweise um Kohlenstoffmonoxid oder um Kohlenstoffdioxid oder um molekularen Stickstoff oder um molekularen Sauerstoff handeln. Entsprechend bezieht sich der Begriff „gasdicht“ in erster Linie auf die hier genannten Gase. Der hier und weiter benutzte Begriff „das beigemischte Gas“ ist lediglich zur Einfachheit der Beschreibung gewählt. In dem erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmodul kann es sich auf gleiche Weise auch um ein Gasgemisch aus mehreren oben genannten und weiteren Gasen handeln. In dem erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmodul wird das beigemischte Gas in der Aufnahmezone von dem Arbeitsfluid getrennt und in dem Verdrängungsraum gesammelt. Die Aufnahmezone bildet dadurch eine Stoffsenke für das Arbeitsfluid. Dadurch wird dieses aus dem Kreislauf des Arbeitsfluids entzogen und beeinträchtigt die Leistung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls nicht mehr. Das Volumen des Verdrängungsraums kann dabei derart ausgelegt sein, dass die komplette Menge des beigemischten Gases in diesem aufgenommen werden kann. Dadurch kann das Sorptionswärmeübertragungsmodul für eine definierende Betriebszeit weitgehend frei von dem beigemischten Gas gehalten werden. Der Verdrängungsraum bildet dadurch einen Zwischenspeicher für das von dem Arbeitsfluid separierte Gas, bis dieses aus dem Verdrängungsraum nach außen geführt wird. Vorteilhafterweise kann das Aufnahmemittel der Aufnahmezone durch eine Kondensationsstruktur oder durch ein Sorptionsmaterial gebildet sein. Über den Auslasskanal kann das bereits separierte Gas bei Bedarf aus dem Verdrängungsraum und aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul nach außen geführt werden. Der Begriff „nach außen geführt“ bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass das eventuell umweltschädliche separierte Gas aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul in die Umgebung freigesetzt wird. Insbesondere kann das eventuell umweltschädliche Gas beim Führen aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul aufgefangen und umweltgerecht entsorgt werden.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass eine zum Kondensieren freistehende Außenfläche des Aufnahmemittels in einem Strömungskanal parallel zur Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ausgerichtet ist. Beim Kondensieren des Arbeitsfluids an dem Aufnahmemittel kann dadurch kein Gaspolster auf der Außenfläche des Aufnahmemittels gebildet werden. Mit anderen Worten kann sich das beigemischte Gas auf der Außenfläche des Aufnahmemittels nicht absetzen. Durch die parallele beziehungsweise tangentiale Strömungsrichtung des Arbeitsfluids an der Aufnahmezone wird das beigemischte Gas von der Außenfläche des Aufnahmemittels weggebracht, so dass das Arbeitsfluid ungehindert in der Aufnahmezone kondensiert werden kann. Dadurch nimmt die Konzentration des beigemischten Gases entlang der Aufnahmezone in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ständig zu, so dass das beigemischte Gas nahe arbeitsfluidfrei in den stromab angeschlossenen Verdrängungsraum eintreten kann.
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Um das bereits separierte Gas in dem Verdrängungsraum zu halten, kann der Verdrängungsraum von der Aufnahmezone durch eine Konvektionssperrwand getrennt sein. Das in dem Verdrängungsraum separierte Gas kann auf diese Weise durch Strömen des Arbeitsfluids an der Konvektionssperrwand außerhalb des Verdrängungsraums nicht konvektiv beeinflusst werden. Mit anderen Worten kann das separierte Gas aus dem Verdrängungsraum nicht mitgerissen sowie in dem Verdrängungsraum nicht verdünnt werden. Bevorzugt ist die Konvektionssperrwand ein Lochgitter, ein Lochblech, eine Sinterplatte oder eine Membran. Die Konvektionssperrwand weist dann mehrere Öffnungen auf, die so klein sind, dass ausschließlich ein langsamer und laminarer Transport des beigemischten Gases durch die Konvektionssperrwand möglich ist. Der Begriff „langsam“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine laminare Verdichtung des separierten Gases in dem Verdrängungsraum möglich ist, jedoch ein konvektives Flüchten des separierten Gases aus dem Verdrängungsraum unterbunden ist. Die Aufnahmezone bildet für das Arbeitsfluid eine Stoffsenke und das beigemischte Gas wird in Strömungsrichtung entlang der Aufnahmezone konzentriert und gelangt durch die Konvektionssperrwand in den Verdrängungsraum. Bei dem nachfolgenden Verdampfen des Arbeitsfluids aus dem Aufnahmemittel kann das gesammelte Gas aus dem Verdrängungsraum nicht entweichen. Dadurch kann die Konzentration des beigemischten Gases in dem Verdrängungsraum bei vielen sich abwechselnden Kondensations- und Verdampfungszyklen durch die periodischen Druckwechsel steigen.
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Bei einer Weiterbildung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls ist vorgesehen, dass in dem Auslasspfad ein Rückschlagventil stromab zuletzt angeordnet ist. Bei einer Druckdifferenz an dem Rückschlagventil kann das separierte Gas aus dem Auslasspfad abgeführt werden und ein Umgebungsgas kann in den Auslasspfad nicht gelangen. Das Rückschlagventil öffnet zweckgemäß nur dann, wenn der Druck innerhalb des Sorptionswärmeübertragungsmoduls den Druck in der Umgebung um einen vorgegebenen Wert übersteigt. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Auslasspfad nach außen flüssigkeits- und gasdicht durch eine in dem Ablaufpfad stromab zuletzt angeordnete Verschlusseinheit geschlossen ist. Die Verschlusseinheit kann vorzugsweise eine Verschlusskappe oder ein Verschlussstopfen sein. Bei dieser Lösung können der Auslasspfad nur im Rahmen des Services geöffnet und das separierte Gas abgelassen werden. Vorteilhafterweise können zum flüssigkeits- und gasdichten Verschließen hochvakuumdichte oder stoffschlüssige Verschlusstechniken - beispielsweise Metalldichtungen oder Dichtlacke - eingesetzt werden. Der Begriff „stromab zuletzt angeordnet“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass unabhängig von der Anzahl und der Ausgestaltung weiterer Komponenten des Auslasspfads das Rückschlagventil und/oder die Verschlusseinheit beim Ablassen des beigemischten Gases zuletzt durchströmt werden. Sind in dem Auslasspfad sowohl das Rückschlagventils als auch die Verschlusseinheit vorgesehen, so ist die Verschlusseinheit dem Rückschlagventil stromab angeordnet.
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Der Auslasskanal kann aus dem Verdrängungsraum unmittelbar nach außen und bei der betriebsgeeigneten Ausrichtung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls von dem Verdrängungsraum nach oben führen. Der nach oben ausgerichtete Auslasskanal bewirkt bei einem in diesem festgelegten Rückschlagventil, dass das mit dem separierten Gas nach außen ausgetretene und auskondensierte Arbeitsfluid an dem Rückschlagventil ansteht und bei einer ungewollten geringfügigen Leckage des Rückschlagventils nur das reine und weitgehend von Umgebungsgasen freie Arbeitsfluid in den Verdrängungsraum zurückströmen kann. Der Begriff „oben“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Wirkung der Erdanziehungskraft, die von „oben“ nach „unten“ gerichtet ist.
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Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass in dem Auslasspfad ein Temperatursensor angeordnet ist. Beim Ablassen des separierten Gases kann dadurch eine Temperaturänderung zwischen dem durchströmenden Gas und dem durchströmenden Arbeitsfluid festgestellt und das Ablassen des separierten Gases kann rechtzeitig unterbrochen werden. Überraschenderweise zeigte sich, dass der Temperatursensor auf ein Austreten des beigemischten nicht kondensierenden Gases kaum erkennbar reagiert. Dagegen zeigt der Temperatursensor einen starken Temperaturanstieg an, sobald das austretende Gas hohe Dampfanteile des Arbeitsfluids enthält. Dies ist dadurch zu erklären, dass der Dampf des Arbeitsfluids an dem Temperatursensor kondensiert und diesen durch Freisetzen der Kondensationswärme erwärmt. Damit ist der festgestellte Temperaturanstieg an dem Temperatursensor sehr gut geeignet, das optimale Ende des Ablassens zu erkennen und dadurch den Verlust des Arbeitsfluids zu minimieren.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls ist vorgesehen, dass in dem Auslasspfad der Verdrängungsraum einen primären Gassammelraum zum Speichern des separierten Gases bildet. Der primäre Gassammelraum ist dann als eine Vergrößerung des Verdrängungsraumes ausgelegt. Durch die Druckänderung in der Aufnahmezone kann das beigemischte Gas zwischen der Aufnahmezone und dem Verdrängungsraum ausgetauscht werden, so dass in dem Verdrängungsraum das separierte Gas konzentriert wird. Dabei wird die Funktion des Sorptionswärmeübertragungsmoduls nicht negativ beeinträchtigt. Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass in dem Auslasspfad ein sekundärer Gassammelraum zum Speichern des separierten Gases dem Auslasskanal stromab angeschlossen ist. Dabei mündet der Auslasskanal bei der betriebsgeeigneten Ausrichtung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls an der untersten Stelle des Gassammelraumes in diesen fluidisch. Der Auslasskanal verbindet dann unmittelbar den Verdrängungsraum mit dem Gassammelraum. Der Begriff „unten“ bezieht sich in diesem Zusammenhang auf die Wirkung der Erdanziehungskraft, die von „oben“ nach „unten“ gerichtet ist.
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Bei dem sekundären Gassammelraum kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Auslasskanal ein Drosselrohr ist, so dass die Durchflussrate des separierten Gases aus dem Verdrängungsraum in den sekundären Gassammelraum begrenzt werden kann. Ferner kann dadurch auch konvektive Rückströmung des Arbeitsfluids in den Verdrängungsraum und weiter in die Aufnahmezone reduziert werden. Vorzugsweise sind der Querschnitt und die Länge des Drosselrohrs so gewählt, dass das in dem sekundären Gassammelraum auskondensierte Arbeitsfluid bei einem entsprechenden Druckgradienten zurückgeführt werden kann. Alternativ kann in dem Auslasskanal ein Rückschlagventil angeordnet sein, so dass ein Rückströmen des separierten Gases aus dem sekundären Gassammelraum in den Verdrängungsraum verhindert werden kann. Der sekundäre Gassammelraum bildet dadurch einen Druckspeicher. Bei dieser vorteilhaften Ausführung des sekundären Gassammelraumes kann das separierte Gas aus dem Verdrängungsraum schrittweise in den sekundären Sammelraum überführt werden, wodurch der Druck in dem sekundären Sammelraum dann entsprechend schrittweise erhöht wird. Das dem separierten Gas beigemischte Arbeitsfluid kann dabei in dem sekundären Gassammelraum auskondensieren und in die Aufnahmezone zurückgeführt werden. Dies kann beispielweise durch eine vorgesehene minimale Leckage des Rückschlagventils in dem Auslasskanal realisiert sein. Der sekundäre Sammelraum kann im Rahmen eines Serviceprozesses abgesaugt oder entsorgt werden.
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Bei dem sekundären Gassammelraum kann in dem Auslasspfad zweckgemäß ein Außenkanal vorgesehen sein, der aus dem sekundären Gassammelraum nach außen führt. Bei der betriebsgeeigneten Ausrichtung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls mündet der Außenkanal an der obersten Stelle des sekundären Gassammelraums in diesen fluidisch. Der Außenkanal führt ferner aus dem sekundären Gassammelraum nach oben. Das stromab letzte Rückschlagventil und/oder die stromab letzte Verschlusseinheit sind dann zweckgemäß in dem Außenkanal angeordnet.
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Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Auslasspfad eine thermische oder katalytische Umwandlungsvorrichtung angeordnet ist. Die Umwandlungsvorrichtung kann dann das separierte Gas und/oder in dem separierten Gas enthaltende Anteile des Arbeitsfluids chemisch in unbedenkliche Zersetzungsprodukte umwandeln. Dadurch können weder das umweltschädliche separierte Gas und/oder in dem separierten Gas enthaltende Anteile des umweltschädlichen Arbeitsfluids zersetzt und in die Umwelt freigesetzt werden. Die Umwandlungsvorrichtung kann unterschiedliche bekannte technische Lösungskomponenten umfassen. Beispielsweise kann das separierte Gas und/oder in dem separierten Gas enthaltende Anteile des Arbeitsfluids einer bereits vorhanden Verbrennungseinrichtung, einem Brennstoffheizer oder einem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Alternativ kann das separierte Gas und/oder in dem separierten Gas enthaltende Anteile des Arbeitsfluids einem optional beheizten Zersetzungskatalysator zugeführt werden. Der Zersetzungskatalysator kann beispielsweise ein vorhandener Oxidationskatalysator eines Verbrennungsmotors sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass in dem Auslasspfad eine auswechselbare Adsorbenspatrone angeordnet ist. In dem separierten Gas enthaltende Anteile des Arbeitsfluids können dann in der Adsorbenspatrone aufgefangen und zurückgehalten werden. Die Adsorbenspatrone kann dann beispielweise als eine Wechselkartusche ausgebildet sein, die bei Bedarf im Rahmen des Services ausgewechselt werden kann. Dadurch, dass die Adsorbenspatrone das Arbeitsfluid zurückhält, kann dieses beim Ablassen des separierten Gases in die Umwelt nicht gelangen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Ablassen eines einem Arbeitsfluid beigemischten Gases aus dem oben beschriebenen Sorptionswärmeübertragungsmodul. Dabei ermittelt eine Steuerungseinheit des Sorptionswärmeübertragungsmoduls Kontrollwerte, die mit der Leistung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls zusammenhängen. Die Kontrollwerte können beispielweise durch in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul verbaute Temperatursensoren ermittelt werden. Danach stellt die Steuerungseinheit anhand der ermittelten Kontrollwerte durch eine Berechnung und/oder durch einen Vergleich einen Leistungsverlust oder keinen Leistungsverlust des Sorptionswärmeübertragungsmoduls fest. So kann die Steuerungseinheit die ermittelten Kontrollwerte beispielweise miteinander verrechnen und die miteinander verrechneten Kontrollwerte anschließend mit Erwartungswerten vergleichen. Als Erwartungswerte können beispielweise minimal zu erzielende Temperaturdifferenzen zwischen einem Fluideintritt und einem Fluidaustritt des Sorptionswärmeübertragungsmoduls als Funktion der Rückkühl- und Verdampfungstemperatur dienen. Stimmen die miteinander verrechneten Kontrollwerte mit den Erwartungswerten nicht überein, so stellt die Steuerungseinheit einen Leistungsverlust in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul fest.
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Nach dem Feststellen des Leistungsverlustes startet die Steuerungseinheit in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul ein Entlüftungszyklus zum Ablassen des dem Arbeitsfluid beigemischten Gases. In dem Entlüftungszyklus wird dabei in einem ersten Teilprozess das Arbeitsfluid aus dem Aufnahmemittel der Aufnahmezone verdampft und in dem Sorptionsmittel der Sorptionszone sorbiert. Das Arbeitsfluid wird dann in einem zweiten Teilprozess des Entlüftungszyklus aus dem Sorptionsmittel der Sorptionszone desorbiert; in einer Aufnahmezone des Sorptionswärmeübertragungsmoduls durch Kondensieren aufgenommen; und das beigemischte Gas in dem Auslasspfad separiert. In dem zweiten Teilprozess des Entlüftungszyklus wird zudem gleichzeitig der Innendruck in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul erhöht und das separierte Gas aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul über den Auslasspfad abgelassen. Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Teilprozess genauso lange wie ein regulärer Sorptions- oder Kondensationsprozess in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul durchgeführt wird. Dadurch kann der Einfluss des Entlüftungszyklus in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul auf benachbarte Sorptionswärmeübertragungsmodule minimiert werden.
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In dem ersten Teilprozess wird das Arbeitsfluid in der Aufnahmezone verdampft und in dem Sorptionsmittel sorbiert, wozu die Aufnahmezone des Sorptionswärmeübertragungsmoduls irregulär mit einem Wärmeübertragerfluid eines Rückkühlkreises beaufschlagt wird. Durch den ersten Teilprozess kann eine große Menge des Arbeitsfluids in dem Sorptionsmittel der Sorptionszone sorbiert werden, so dass in dem zweiten Teilprozess eine ausreichende Menge des Arbeitsfluids in der Sorptionszone desorbiert und in der Aufnahmezone kondensiert werden kann. Dadurch kann die Kondensationswärme erhöht werden, die in der Aufnahmezone in dem zweiten Teilprozess freigesetzt wird.
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In dem zweiten Teilprozess kondensiert nun das Arbeitsfluid in der Aufnahmezone aus und das beigemischte Gas wird von dem Arbeitsfluid separiert. Dabei kann das Arbeitsfluid an einer zum Kondensieren freistehenden Außenfläche des Aufnahmemittels in einem Strömungskanal parallel geführt werden. Durch die parallele beziehungsweise tangentiale Führung des Arbeitsfluids an der Aufnahmezone nimmt die Konzentration des beigemischten Gases entlang der Aufnahmezone in Strömungsrichtung des Arbeitsfluids ständig zu, so dass das beigemischte Gas nahe arbeitsfluidfrei in den stromab angeschlossenen Verdrängungsraum eintreten kann.
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In dem zweiten Teilprozess wird gleichzeitig der Innendruck in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul erhöht. Dazu kann ein Zirkulieren eines Wärmeübertragerfluids eines Rückkühlkreises in der Aufnahmezone gestoppt werden, so dass die Abfuhr der Kondensationswärme aus der Aufnahmezone unterbunden wird. Dadurch steigen die Temperatur in der Aufnahmezone und der Innendruck in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul an. Die Temperaturen liegen dabei je nach Arbeitsfluid zwischen 60°C und 125°C und der Innendruck in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul liegt zwischen 1 bar und 2 bar. Nun wird das separierte Gas aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul ausgeführt, wozu beispielweise ein Rückschlagventil durch die erzeugte Druckdifferenz geöffnet und das separierte Gas beispielweise in einen sekundären Gassammelraum abgeführt wird.
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Vorteilhafterweise kann der zweite Teilprozess gestoppt werden, sobald die Steuerungseinheit eine Temperaturänderung in dem Auslasspfad durch einen in diesem angeordneten Temperatursensor feststellt. Alternativ kann der zweite Teilprozess zeitgesteuert gestoppt werden. Wie oben bereits erläutert, kann dadurch der Verlust des Arbeitsfluids in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul vorteilhaft reduziert werden. Zum Stoppen des zweiten Teilprozesses wird das Zirkulieren eines Wärmeübertragerfluids eines Rückkühlkreises in der Aufnahmezone erneut gestartet und die Kondensationswärme wird nun abgeführt. Dadurch sinken die Temperatur in der Aufnahmezone und der Innendruck in dem Sorptionswärmeübertragungsmodul ab. Das geöffnete Rückschlagventil wird geschlossen und das separierte Gas bleibt beispielweise in dem sekundären Gassammelraum.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls in einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls in einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 in einer ersten Ausführungsform. Das Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 weist ein flüssigkeits- und gasdichtes Gehäuse 2 mit einer Aufnahmezone 3 mit einem Aufnahmemittel 4 und mit einer Sorptionszone - hier nicht gezeigt - auf. Die Sorptionszone und die Aufnahmezone 3 sind durch ein Arbeitsfluid 5 durchströmbar. Das Arbeitsfluid 5 kann dabei in der Sorptionszone sorbiert oder desorbiert und in der Aufnahmezone 3 an dem Aufnahmemittel 4 verdampft oder kondensiert werden. In dem erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 ist an die Aufnahmezone 3 ein Auslasspfad 8 mit einem Verdrängungsraum 9 und mit einem aus dem Verdrängungsraum 9 führenden Auslasskanal 10 stromab angeschlossen. In der ersten Ausführungsform des Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 führt der Auslasskanal 10 unmittelbar nach außen. Eine zum Kondensieren oder Verdampfen freistehende Außenfläche 11 des Aufnahmemittels 4 ist in einem Strömungskanal 12 parallel zur Strömungsrichtung 22 des Arbeitsfluids 5 ausgerichtet.
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Beim Kondensieren des Arbeitsfluids 5 in dem Aufnahmemittel 4 strömt das Arbeitsfluid 5 parallel bzw. tangential an der Außenfläche 11 vorbei. Dadurch kann sich das dem Arbeitsfluid 5 beigemischte Gas auf der Außenfläche 11 des Aufnahmemittels 4 nicht absetzen. Das Arbeitsfluid 5 kann dadurch beim Kondensieren ungehindert in dem Aufnahmemittel 4 aufgenommen und zurückgehalten werden, wie mit Pfeilen angedeutet ist. Die Aufnahmezone 3 bildet folglich eine Stoffsenke für das Arbeitsfluid 5. Dabei findet an dem Aufnahmemittel 4 ein Separieren des beigemischten Gases von dem Arbeitsfluid 5 statt, das dann von der Außenfläche 11 des Aufnahmemittels 4 in Strömungsrichtung 22 des Arbeitsfluids 5 weggebracht wird. Durch das Kondensieren des Arbeitsfluids 5 wird das beigemischte Gas entlang der Aufnahmezone 3 in Strömungsrichtung 22 des Arbeitsfluids 5 konzentriert und tritt stromab der Aufnahmezone 3 nahezu arbeitsfluidfrei in den Verdrängungsraum 9 ein. Dadurch wird das beigemischte Gas aus dem Kreislauf des Arbeitsfluids 5 entzogen und beeinträchtigt die Leistung des Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 nicht mehr.
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Um das bereits separierte Gas in dem Verdrängungsraum 9 zu halten, ist dieser von der Aufnahmezone 3 und von dem Strömungskanal 12 durch eine Konvektionssperrwand 13 getrennt. Die Konvektionssperrwand 13 kann dabei ein Lochgitter, ein Lochblech, eine Sinterplatte oder eine Membran sein und weist mehrere Öffnungen 14 auf. Die Öffnungen 14 sind so klein, dass ausschließlich ein langsamer und laminarer Transport des beigemischten Gases durch die Konvektionssperrwand 13 möglich ist. Dadurch wird das bereits separierte Gas in dem Verdrängungsraum 9 durch Strömen des Arbeitsfluids 5 in dem Strömungskanal 12 nicht konvektiv beeinflusst und bleibt in dem Verdrängungsraum 9 über mehrere Phasenwechsel des Arbeitsfluids 5 sicher zurückgehalten. Der Verdrängungsraum 9 bildet hier folglich einen primären Gassammelraum. Das Volumen des Verdrängungsraums 9 ist dabei derart ausgelegt, dass die komplette Menge des beigemischten Gases in diesem aufgenommen werden kann.
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Über den Auslasskanal 10 kann das bereits separierte Gas bei Bedarf aus dem Verdrängungsraum 9 nach außen geführt werden. Um den Verlust des Arbeitsfluids 5 beim Ablassen aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 zu reduzieren, ist in dem Auslasskanal 10 stromab zuletzt ein Rückschlagventil 15 angeordnet. Das Rückschlagventil 15 öffnet bei einer Druckdifferenz in dem Auslasspfad 8 und das beigemischte Gas kann aus dem Verdrängungsraum 9 ausgeführt werden. Ferner ist an dem Auslasskanal 10 eine Kühlvorrichtung 16 - hier ein Gebläse - angeordnet. Durch die Kühlvorrichtung 16 können in dem separierten Gas enthaltende Anteile des Arbeitsfluids 5 in dem Auslasskanal 10 kondensiert und von dem separierten Gas getrennt werden. Anschließend können diese zurück in den Strömungskanal 12 geführt werden. Ein Temperatursensor 17 überwacht ferner die Temperaturänderung in dem Auslasspfad 8 beim Ablassen des beigemischten Gases. Bei einem Temperaturanstieg, der mit einem hohen Dampfanteil des Arbeitsfluids 5 korreliert, kann der Auslasspfad 8 geschlossen werden. Dadurch kann der Verlust des Arbeitsfluids 5 reduziert werden. Das Ablassen des beigemischten Gases kann dabei im Rahmen des Services erfolgen, bei dem der Auslasspfad 8 nach außen freigegeben wird. Ist das separierte Gas nicht umweltschädlich, so kann dieses auch außerhalb des Services bei Bedarf nach außen abgeführt werden.
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2 zeigt eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 in einer zweiten Ausführungsform. Hier ist ein sekundärer Gassammelraum 18 zum Speichern des separierten Gases dem Auslasskanal 10 stromab angeschlossen. Dabei mündet der Auslasskanal 10 an der untersten Stelle des sekundären Gassammelraumes 18 in diesen fluidisch. Der Auslasskanal 10 ist hier ein Drosselrohr 19, das die Durchflussrate des separierten Gases aus dem Verdrängungsraum 9 in den sekundären Gassammelraum 18 begrenzt. Das in dem sekundären Gassammelraum 18 gesammelte Gas kann im Rahmen des Services über einen Außenkanal 20 nach außen geführt werden, der an einer obersten Stelle des Gassammelraums 18 in diesen fluidisch mündet und nach außen führt. In dem Außenkanal 20 ist das Rückschlagventil 15 angeordnet und der Außenkanal 20 ist flüssigkeits- und gasdicht durch eine stromab nach dem Rückschlagventil 15 angeordnete Verschlusseinheit 21 verschlossen. Im Rahmen des Services kann dann die Verschlusseinheit 21 gelöst und das in dem sekundären Gassammelraum 18 gespeicherte Gas aus dem Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 nach außen geführt werden. Grundsätzlich kann bei der zweiten Ausführungsform des Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 von dem Rückschlagventil 15 auch abgesehen werden.
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3 zeigt nun eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 in einer dritten Ausführungsform. Hier ist der sekundäre Gassammelraum 18 in Form eines Druckspeichers ausgebildet. In dem Auslasskanal 10 ist dazu ein weiteres Rückschlagventil 23 angeordnet, der den Verdrängungsraum 9 von dem sekundären Gassammelraum 18 trennt. Im Übrigen entspricht das Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 hier dem Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 in der zweiten Ausführungsform.
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Es versteht sich, dass die erste Ausführungsform, die zweite Ausführungsform und die dritte Ausführungsform des Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 nur beispielhaft sind und dass auch weitere Formen des Sorptionswärmeübertragungsmoduls 1 denkbar sind. Sowohl in 1 als auch in 2 und 3 befindet sich das Sorptionswärmeübertragungsmodul 1 in einer betriebsgeeigneten Ausrichtung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/068481 A1 [0005]
- WO 2010/112433 A2 [0005]
- WO 2009/103325 A1 [0005]
- DE 10310748 B3 [0005]
