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Die Erfindung betrifft eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1. Zudem betrifft die Erfindung ein Heizungssystem
mit einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe.
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Es ist bekannt, thermisch angetriebene
Wärmepumpen
auf der Basis von Feststoffadsorption für Heizungs- und Kühlungszwecke
zu verwenden. Übliche
Arbeitsstoffpaare – Sorptionsmaterial
und Adsorbat – sind
beispielsweise Zeolith und Wasser, wobei das Arbeitsgas Wasser im
Niederdruckbereich betrieben wird. Adsorptionswärmepumpen mit einem solchen
Arbeitsstoffpaar sind beispielsweise in der
DE 199 61 629 A1 und
DE 100 38 663 A1 soffenbart.
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Es sind jedoch auch Arbeitsstoffpaare,
die im Hochdruckbereich betrieben werden, bekannt. Beispielsweise
seien Salzammoniakate-Ammoniak genannt, wie sie zum Beispiel in
der
US 4.694.659 A offenbart
sind.
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An Feststoff-Sorptionswärmepumpen
werden verschiedene technische Anforderungen gestellt. Besonders
wesentlich sind die Forderungen nach einem hohen Wärmeverhältnis, einer
hohen Leistungsdichte und einer einfachen Regelbarkeit der Wärmeabgabe.
Das Wärmeverhältnis der
Nutzwärme
zur Antriebswärme
(auch COP: Coefficent of Perfomance) hängt im wesentlichen von den
Anteilen des sorptiven und des sensiblen Wärmeumsatzes während eines
Wärmepumpenzyklus
ab. Unter sorptivem Umsatz versteht man die Freisetzung der bei der
Adsorption des Arbeitsgases entstehende beziehungsweise die Aufnahme
der zur Desorption benötigte
Sorptionswärme,
wohingegen der sensible Wärmeumsatz
den Energieumsatz beschreibt, der bei der Aufheizung beziehungsweise
Abkühlung
des gesamten Systems auftritt.
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Nimmt man idealerweise an, dass die
sensible Wärme
vernachlässigbar
klein ist, wird das maximal mögliche
Wärmeverhältnis mit
einem bestimmten Arbeitsstoff paar erreicht. Für Silikagel-Wasser liegt dieses
für eine
einstufige Wärmepumpe
typischerweise bei ca. 180%. Diese Prozentzahl setzt sich zusammen
aus 100 Prozent Nutzwärme,
die aus der Antriebswärme
gewonnen wird, bei gleichzeitiger vollständiger Desorption des Adsorbats.
Der zweite Anteil von 80 Prozent kann in Form von Nutzwärme abgegeben
werden, bei der anschließenden
Abkühlung
des Adsorbers und der Adsorption des Adsorbats im Sorptionsmaterial.
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Um besonders hohe Wärmeverhältnisse
zu erreichen, wurden thermodynamisch immer ausgereiftere Systeme
entwickelt, wobei insbesondere durch die Anordnung einer Vielzahl
von Adsorbern beziehungsweise Desorbern, welche nacheinander vom
Wärmeträger durchströmt werden
und in einer Vielzahl von Zyklen geschaltet werden, eine möglichst
hohe Wärmerückgewinnung
angestrebt wird, die das Verhältnis
zwischen sorptivem und sensiblem Umsatz verbessert. Nachteilig an
diesen Systemen sind jedoch der erhebliche technische Aufwand, die Störanfälligkeit
und die hohen Herstellungs- und Wartungskosten.
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Die Offenlegungsschrift
DE 199 02 695 A1 zeigt
eine Sorptionswärmepume,
bei der ein Ad-/Desorber-Wärmetauscher
zusammen mit einem Verdampfer und einem Kondensator, die zu einem Verdampfer/Kondensator-Wärmetauscher
integriert sind, in einem gemeinsamen vakuumdichten Behälter angeordnet
sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Feststoff-Sorptionswärmepumpe
mit einem hohen Wärmeverhältnis und
ein Heizungssystem anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert
sind.
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Diese Aufgabe wird durch eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe
beziehungsweise ein Heizungssystem gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Der Erfinder hat erkannt, dass die
herkömmlichen
Feststoff-Sorptionspumpen zwar hinsichtlich des thermodynamischen
Prozesses durch die kaskadenförmige Verschaltung
mehrere Adsorber beziehungsweise Desorber verbessert sind, gleichzeitig aber
auch durch den notwendigen Einbau von Rohren, Ventilen und Pumpen
für den
inneren Wärmeaustausch
zusätzliche
Kapazitäten
und Wärmeverluste
in den Gesamtapparat eingebracht werden, welche wiederum die Effizienz
der Wärmerückgewinnung
reduzieren. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe zeichnet
sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, der zum einen die
Herstellungskosten reduziert und die Störanfälligkeit deutlich verringert.
Zum anderen kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau die Wärmekapazität des gesamten
Apparates außerordentlich
gering gehalten werden, so dass der sensible Wärmeumsatz entsprechend gering
ausfällt.
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Bei der erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe
ist eine Adsorber-Desorber-Einheit und
eine Kondensator-Verdampfer-Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet
und durch ein adsorptivdurchlässiges
Element voneinander getrennt. In der Gasphase wird der Arbeitsstoff
als Adsorptiv bezeichnet und in der adsorbierten, flüssigen Phase
als Adsorbat. Man könnte
daher auch allgemein von einem dampfdurchlässigen Element sprechen. Das
Gehäuse
ist gegenüber
der Umgebung abgedichtet.
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Die Adsorber-Desorber-Einheit umfasst
einen Wärmetauscher,
zum Übertragen
von Wärme von
einem Wärmeträger, der
durch den Wärmetauscher
strömt,
auf das Feststoff-Sorptionsmaterial beziehungsweise vom Feststoff-Sorptionsmaterial
auf den Wärmeträger.
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Verdampfer und Kondensator der erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe sind
als ein Bauteil – Kondensator-Verdampfer-Einheit – ausgeführt. Mittels
der Kondensator-Verdampfer-Einheit kann einerseits das dampfförmige Adsorptiv
kondensiert werden und dabei die Kondensationswärme auf ein Wärmemedium
zur Weiterleitung in eine Heizeinrichtung übertragen werden und andererseits
Wärme aus
einer Niedertemperaturquelle dem flüssigen Arbeitsstoff zur Verdampfung
zugeführt
werden.
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Die Kondensator-Verdampfer-Einheit
ist vorteilhaft im gemeinsamen Gehäuse unterhalb der Adsorber-Desorber-Einheit
angeordnet und das adsorptivdurchlässige Element als ein dampfdurchlässiger Schwamm
ausgebildet, welcher die Funktion eines Abstandshalters mit Dampfkanälen hat.
Insbesondere ist die Verwendung eines Keramik-Schwammes als adsorptivdurchlässiges Element
geeignet.
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Um erfindungsgemäß einen Aufbau mit einer besonders
geringen Wärmekapazität zu erreichen, umfasst
die Adsorber-Desorber-Einheit einen wärmeleitenden Aufnahmekörper, der
in wärmeleitender Verbindung
mit dem Wärmetauscher
steht. Der Aufnahmekörper
erfüllt
zwei Funktionen, nämlich
einerseits die Wärmeübertragung
zwischen Wärmetauscher
und Sorptionsmaterial und andererseits die Herstellung einer stabilen
Struktur der Adsorber-Desorber-Einheit.
Mit dieser stabilen Struktur ist es nämlich möglich, die Wandung des gemeinsamen Gehäuses besonders
dünn auszuführen, da
diese der Baueinheit der Sorptionswärmepumpe keine zusätzliche
Stabilität
mehr verleihen muss, sondern lediglich zur Abdichtung des Innenraumes
mit der Adsorber-Desorber-Einheit
und der Kondensator-Verdampfer-Einheit gegenüber der Umgebung dient. Die Außenwand
kann beispielsweise als Blechummantelung ausgeführt sein mit einer Wandstärke von
0,5 Millimetern oder weniger, insbesondere von 0,1 bis 0,5 Millimetern,
die von außen
auf die Adsorber-Desorber-Einheit beziehungsweise Kondensator-Verdampfer-Einheit
aufgelegt oder abgestützt
ist. Besonders vorteilhaft umfasst auch die Kondensator-Verdampfer-Einheit
einen gleichartigen Aufnahmekörper
mit der Doppelfunktion des Übertragens von
Wärme zwischen
Arbeitsstoff und zugeführtem/abgeführtem Wärmeträger und
des Herstellens einer stabilen Struktur.
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Für
den Aufbau des Aufnahmekörpers
sind insbesondere zwei Ausführungen
geeignet. Die erste Ausführung
umfasst eine Lamellenkonstruktion, die um den Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit
angeordnet ist. Zwischen die einzelnen Lamellen ist das Feststoff-Sorptionsmaterial
eingebracht, derart, dass ein möglichst
hoher Wärmeübergang
vom Wärmetauscher
auf das Sorptionsmaterial erreicht wird. Insbesondere sind handelsübliche Lamellenwärmetauscher
verwendbar, wobei vorteilhafterweise die Lamellen senkrecht angeordnet
sind und Bohrungen für
den Dampftransport des Sorptionsmaterials aufweisen.
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Die zweite vorteilhafte Ausführung des
Aufnahmekörpers
weist einen Metall-Schwamm
auf, in dessen Zwischenräume
das Sorptionsmaterial eingebracht ist, und durch welchen die Rohrleitungen des
Wärmetauschers
geführt
sind.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausführung ist
vorgesehen, den Wärmetauscher
der Adsorber-Desorber-Einheit und/oder den Aufnahmekörper derselben
mit dem Sorptionsmaterial zu beschichten. Dies kann alternativ oder
zusätzlich
zu der Einbringung des Feststoff Sorptionsmateriales in die Adsorber-Desorber-Einheit
erfolgen.
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Um eine besonders gute Isolierung
der Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gegenüber
der Umgebung zu erreichen, kann das gemeinsame Gehäuse zweischalig
ausgeführt
sein. In den Innenraum zwischen die innere und die äußere Schale
ist vorteilhaft ein wärmedämmendes
Material eingefügt,
welches Druckkräfte übertragen
kann. Dadurch ist es möglich, beide
Schalten besonders dünnwandig
auszuführen, beispielsweise
als dünne
Blechummantelung. Druckkräfte
können
von der äußeren Schale über das
wärmedämmende Material
auf die innere Schale und weiter auf den Aufnahmekörper der
Adsorber-Desorber-Einheit beziehungsweise der Kondensator-Verdampfer-Einheit
abgeleitet werden. Der Zwischenraum zwischen den beiden Schalen
kann evakuiert, das heißt
mit einem Unterdruck beaufschlagt sein, um die Isolationswirkung
noch zu steigern.
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Das erfindungsgemäße Heizungssystem umfasst einen
Heizkreislauf, der von einem Wärmeträger durchströmt wird
und an den eine Hochtemperaturquelle angeschlossen ist, von der
Wärme auf den
Wärmeträger bei
einem vorgegebenen ersten Temperaturniveau überführt werden kann. Zudem ist eine
Niedertemperaturquelle an den Heizkreislauf angeschlossen, zum Zuführen von
Wärme auf
den Wärmeträger auf
einem zweiten Temperaturniveau, welches unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt.
Eine Heizeinrichtung, die zum Abführen von Wärme aus dem Wärmeträger dient – beispielsweise für die Aufheizung
eines Raumes oder Gebäudes – ist an
den Heizkreislauf angeschlossen, wobei die Wärme auf einem vorgegebenen
dritten Temperatumiveau abgeführt
wird, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Temperatumiveau
liegt. An den Heizkreislauf ist weiterhin eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe
angeschlossen, welche den beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau
aufweist. Mittels eines Heizkreisverteilers beziehungsweise mittels Heizkreislaufventilen,
die im Heizkreislauf angeordnet sind, kann der Strömungsweg
des Wärmeträgers durch
den Heizkreislauf beziehungsweise durch die angeschlossenen Elemente
eingestellt werden. Dabei ist der Heizkreisverteiler beziehungsweise
sind die Heizkreislaufventile derart ausgeführt und angeordnet, dass vorteilhaft
drei Schaltphasen eingestellt werden können. Die einzelnen Schaltphasen – Desorptionsphase,
Adsorptionsphase und Bypassphase – werden nachfolgend in diesem
Dokument beschrieben.
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Die Erfindung soll anhand einiger
Ausführungsbeispiele
näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Heizkreislaufes mit einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gemäß eines
Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung;
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3 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Feststoff Sorptionswärmepumpe
mit einem Aufnahmekörper;
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4 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe
mit einem Aufnahmekörper;
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5 eine
schematische Darstellung der Wärmeströmungen in
den verschiedenen Phasen eines Ausführungsbeispieles eines Heizungssystemes;
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6 ein
gemeinsames Gehäuse
für eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einer besonders guten Wärmedämmung.
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In 1 erkennt
man die Grundkomponenten eines Ausführungsbeispieles einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung. In einem gemeinsamen Gehäuse 5 sind eine Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
eine Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 benachbart zueinander
angeordnet. Die Adsorber-Desorber-Einheit 2 ist oberhalb
der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 angeordnet, und beide
Einheiten 5, 6 sind ausschließlich durch ein adsorptivdurchlässiges Element 7 voneinander
getrennt. Durch die Adsorber-Desorber-Einheit 2 ist ein
Wärmetauscher 3 geführt. Die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 umfasst
ebenfalls einen Wärmetauscher,
welcher auch als Kondensations-Verdampfungs-Rohr 11 bezeichnet
werden kann.
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Der Innenraum der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 wird
durch bei der Kondensation des Arbeitsstoffes (Adsorptiv) anfallenden
Kondensats in einen Dampfraum 15 und einen Kondensatraum 16 aufgeteilt.
Das Volumen der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 ist
derart bemessen, dass der Kondensations-Verdampfungs-Wärmetauscher bei maximalem Kondensatanfall
nicht überflutet
wird. Im Verhältnis
zur Adsorber-Desorber-Einheit 2 hängt das maximal benötigte Kondensatvolumen
von der erreichbaren Beladungsbreite der Wärmepumpe ab und beträgt typischereise
15 bis 25 Prozent des Volumens des Sorptionsmateriales.
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Das adsorptivdurchlässige Element 7 ist
in Form eines schlecht wärmeleitenden
Abstandshalters mit Dampfkanälen
ausgeführt.
Dadurch kann ein vorgegebener Abstand zwischen den beiden Einheiten 2, 6 eingestellt
werden und diese weitgehend thermisch gegeneinander isoliert werden.
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Nachfolgend soll kurz die Funktionsweise der
dargestellten Feststoff-Sorptionswärmepumpe beschrieben
werden: In einer ersten Phase wird über den Wärmetauscher 3 Heizwärme – beispielsweise aus
einem Brenner einer Heizungsanlage – der Adsorber-Desorber-Einheit 2 zugeführt. Durch
die Wärmezufuhr
wird bei der Verwendung beispielsweise eines Silikagel/Wasser-Arbeitspaares Wasserdampf bei
Unterdruck aus dem Sorptionsmaterial ausgetrieben. Der dampfförmige Arbeitsstoff
(Adsorptiv, beispielsweise Wasserdampf) wird in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 kondensiert
und die dabei entstehende Kondensationswärme über das Kondensations-Verdampfungs-Rohr 11 abgeleitet
und zu Heizzwecken genutzt. Aufgrund des bei der Kondensation anfallenden
geringeren Druckes wird das aus dem Sorptionsmaterial ausgetriebene
Adsorptiv sozusagen in die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 aus
der Adsorber-Desorber-Einheit 2 durch
das adsorptivdurchlässige
Element 7 angesaugt.
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Nach einer vorgegebenen Zeitspanne
(beispielsweise von 30 Minuten) ist der erste Zyklus – Desorptionszyklus – beendet.
Zu diesem Zeitpunkt ist Idealerweise das Adsorbat vollständig aus
dem Sorptionsmaterial ausgetrieben und liegt in kondensierter Form,
das heißt
in flüssiger
Phase, in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 an. Wie
in 1 dargestellt, wird
sich ein gewisser Flüssigkeitsspiegel
in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 einstellen.
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Der Betrieb der dargestellten Feststoff-Sorptionswärmepume
wird jetzt in die zweite Phase – Adsorptionsphase – durch
Umschalten der entsprechenden Leitungsführung im Wärmeträgerkreislauf überführt. Dabei
wird die Adsorber-Desorber-Einheit 2,
das heißt
der Wärmetauscher 3 derselben,
mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise zum Aufheizen eines Raumes
oder Gebäudes,
verbunden. Das Kondensations-Verdampfungs-Rohr 11 der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 wird
mit einer Niedertemperaturquelle verbunden. Die Adsorber-Desorber-Einheit
2 wird
durch Wärmeabgabe
abgekühlt.
Dabei wird der Arbeitsstoff wieder vom Sorptionsmaterial adsorbiert,
nachdem es zuvor in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verdampft wurde.
Auch dieser zweite Zyklus kann beispielsweise eine halbe Stunde
betragen, ist aber insbesondere etwas länger als die Desoptionsphase.
Danach befindet sich die Feststoff Sorptionswärmepumpe wieder in der Ausgangssituation
für die
erste Phase, das heißt,
das Adsorbat ist Idealerweise vollständig im Sorptionsmaterial adsorbiert.
Adsorptionsphase und Desorptionsphase laufen somit zyklisch ab.
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In 2 ist
die Systemeinbindung einer Ausführung
einer erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe
in ein Heizungssystem gezeigt. Das Heizungssystem umfasst, wie in 2a dargestellt ist, einen
Heizkreislauf 20, an den eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1,
eine Hochtemperaturquelle 21 in Form eines Brenners mit
einem angeschlossenen Wärmeübertrager,
eine Niedertemperaturquelle 22 und eine Heizeinrichtung 23 mit
einem Abgaswärmeübertrager 23.1 und
einer Heizung 23.2 angeschlossen sind. In den Heizkreislauf 20 sind
ein Heizkreisverteiler 24 und Heizkreislaufventile 25 in einer
Bypassschaltung angeordnet. Damit können drei verschiedene Betriebsphasen
eingestellt werden, welche nachfolgend beschrieben werden.
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Als Brenner können beliebige konventionelle Brenner,
beispielsweise mit Gas, Öl
oder anderen Brennstoffen, eingesetzt werden. Als Niedertemperaturquelle
sind insbesondere Außenluftwärmetauscher,
Erdkollektoren oder Grundwasser geeignet. Durch die Bypassschaltung
ist ein bivalenter Betrieb von Brenner und Wärmepumpe möglich (Phase 3 - Bypass).
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Durch die gezeigte Systemeinbindung
ist es möglich,
die Wärmepumpe
mit einem öl-
oder gasbetriebenen Brenner in einer Weise zu kombinieren, dass
sowohl die Brennwertnutzung durch Kondensation der Abgase als auch
die Nutzung der Wärmepumpe
kombiniert werden können.
Hierzu sind zwei getrennte Wärmeüberträger für die Wärmeauskopplung
aus der Brennkammer und die Kondensation der Abgase vorgesehen.
Auf den Abgaswärmeüberträger 23.1 kann
auch verzichtet werden, wenn eine Nutzung der Wärmeenergie der Abgase entbehrlich ist.
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In 2b ist
der Heizkreisverteiler 24 und dessen Verschaltungsmöglichkeiten
nochmals in größerem Detail
dargestellt. Schematisch ist die Anordnung der verschiedenen Elemente-Hochtemperaturquelle 21,
Niedertemperaturquelle 22, Heizeinrichtung 23,
Adsorber-Desorber-Einheit 2 und Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 – dargestellt
und deren Verschaltung im Heizkreislauf 20 mittels des
Heizkreisverteilers 24. Der Heizkreisverteiler 24 umfasst drei
Heizkreislaufventile 25, die insbesondere als Motor-3-Wege-Ventile
ausgebildet sind.
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Der gezeigte Verteiler 24 ist
derart ausgebildet, dass folgende Verschaltungsmöglichkeiten (Phasen) eingestellt
werden können:
Phase
1 – Desorption:
Die Hochtemperaturquelle 21 ist mittels eines Strömungskreislaufes
von einem Wärmeträger mit
der Adsorber-Desorber-Einheit 2 verbunden; die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 ist
mittels eines Strömungskreislaufes
von einem Wärmeüberträger mit
der Heizeinrichtung 23 verbunden; die Niedertemperaturquelle 22 ist
gegenüber dem
restlichen Heizkreislauf abgesperrt.
Phase 2 – Adsorption:
Die Hochtemperaturquelle 21 ist gegenüber dem restlichen Heizkreislauf
abgesperrt; die Heizeinrichtung 23 ist mittels eines Strömungskreislaufes
von einem Wärmeträger mit
der Adsorber-Desorber-Einheit 2 verbunden; die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 ist
mittels eines Strömungskreislaufes
von einem Wärmeträger mit
der Niedertemperaturquelle 22 verbunden.
Phase 3 – Bypass:
Die Niedertemperaturquelle 22, die Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sind gegenüber dem
restlichen Heizkreislauf abgesperrt; die Hochtemperaturquelle 21 ist
mit einem Strömungskreislauf
von einem Wärmeträger mit
der Heizeinrichtung 23 verbunden.
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Die Schaltstellungen der einzelnen
Heizkreislaufventile 25 für die Phasen 1 und 2 sind aneinandergekoppelt.
Anstelle der in 2b dargestellten getrennten
Ventile ist es auch möglich,
im Heizkreisverteiler einen Ventilblock vorzusehen.
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Die Zyklendauer (Phasendauer) der
Sorptionswärmepumpe
wird an die Wärmeabgabe
der Heizeinrichtung angepasst. Die Phasen 1 und 2 (Desorption und
Adsorption) werden alternierend jeweils so lange durchgeführt, bis
die Vorlauftemperatur den aus der Heizkurve bestimmten Sollwert
des Heiznetzes unterschreitet. Dadurch kann trotz diskontinuierlichen
Betriebes der Wärmepumpe
eine gleichmäßige Wärmeabgabe
geleistet werden. Die Phase 3 (Bypass) wird eingestellt,
wenn aufgrund der Betriebsbedingungen das Wärmeverhältnis der Wärmepumpe den Wert Eins erreicht.
In diesem Fall wird die Hochtemperaturquelle 21, beispielsweise
ein Brenner, direkt an das Heiznetz, das heißt die Heizeinrichtung 23 gekoppelt.
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Die Wärmeströme in den einzelnen Phasen 1
bis 3 sind noch einmal in der 5 dargestellt. 5a zeigt die Phase 1 (Desorptionsphase).
Von der Hochtemperaturquelle 21 fließt ein Wärmestrom in die Adsorber-Desorber-Einheit 2 der
Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1.
Hier wird durch Erwärmung
des Sorptionsmaterials das Adsorbat gelöst und strömt dampfförmig zur Kondensator-Verdampfer-Einheit 6,
wo es kondensiert wird. Die Kondensationswärme wird von der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 in
einem Wärmestrom
zur Heizeinrichtung 23 geleitet. Die Niedertemperaturquelle 22 ist
gegenüber
dem Heizkreislauf isoliert.
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In 5b sind
die Wärmeströme in der
Phase 2 (Adsorptionsphase) dargestellt. Die Hochtemperaturquelle 21 ist
gegenüber
dem restlichen System, das heißt
dem Heizkreislauf isoliert. Die Niedertemperaturquelle 22 ist
mittels des Heizkreisverteilers 24 derart an die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 angeschlossen, dass
ein Wärmestrom
von der Niedertemperaturquelle 22 zur Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 fließt. Der
flüssige
Arbeitsstoff wird in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verdampft
und strömt dampfförmig zur
Adsorber-Desorber-Einheit 2, wo es sich am Sorptionsmaterial
anlagert. Die Wärme
der in Phase 1 aufgeheizten Adsorber-Desorber-Einheit 2 wird
in einem Wärmestrom
zur Heizeinrichtung 23 befördert. Somit können Wärmeverhältnisse
von über
100 Prozent erreicht werden, das heißt idealerweise werden 100
Prozent der Heizenergie der Hochtemperaturquelle 21 in
Phase 1 auf die Heizeinrichtung 23 übertragen und weitere 80 Prozent
in Phase 2 durch den Wärmestrom
aus der Niedertemperaturquelle 22 und die Adsorption in
der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1.
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in 5c ist
die Phase 3 (Bypassphase) dargestellt. Wie man sieht, ist mittels
des Heizkreisverteilers 24 die Hochtemperaturquelle 21 direkt
mit der Heizeinrichtung 23 verschaltet, so dass der Wärmestrom
von der Hochtemperaturquelle 21 unmittelbar zur Heizeinrichtung 23 fließt. Die
Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1,
das heißt
Adsorber-Desorber-Einheit 2 und Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sowie die
Niedertemperaturquelle 22 sind vom restlichen System isoliert.
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In 3 ist
eine erste vorzugsweise Ausführung
der erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe
dargestellt. 3a zeigt
eine Adsorber-Desorber-Einheit
mit einem Aufnahmekörper 9 in einer
Lamellenform. Man kann die Adsorber-Desorber-Einheit auch als Lamellen-Adsorber
bezeichnen. In 3a ist
eine Seitenansicht des Lamellen-Adsorbers dargestellt und in 3b eine Aufsicht auf ein einzelnes
Lamellenblatt. Beispielsweise kann ein handelsüblicher Lamellenwärmetauscher
verwendet werden, der, wie in den 5a und 5b dargestellt ist, entsprechend
angepasst wird.
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Zwischen die Lamellen des Aufnahmekörpers 9 ist
das Feststoff Sorptionsmaterial 4 eingebracht, derart,
dass ein möglichst
guter Wärmeübergang
vom Wärmetauscher über die
Lamellen auf das Feststoff Sorptionsmaterial 4 stattfindet.
Der Wärmetauscher
umfasst horizontale Rohrabschnitte, welche über Umlenkungen 13 miteinander
verbunden sind, so dass der im Wärmetauscher
geführte
Wärmeträger von
einem horizontalen Abschnitt über
eine Umlenkung 13 in den nächsten, beispielsweise darunterliegenden,
horizontalen Abschnitt geführt
wird. Die Umlenkungen 13 ragen seitlich aus dem Aufnahmekörper 9 heraus.
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Die Lamellen des Aufnahmekörpers 9 sind senkrecht
ausgerichtet, um eine gute Durchlüftung zu ermöglichen.
Die einzelnen Lamellen umfassen Öffnungen
für den
Dampftransport, die nicht mit Rohren ausgefüllt sind. In die Öffnungen
können
perforierte Rohre, Bleche oder Drahtnetze eingebracht werden, um
Dampfkanäle
auszubilden. In 3b ist ein
einzelnes Lamellenblatt 17 mit darin eingebrachten Wärmeträgenohren 18 und
Dampfkanälen 19 dargestellt.
Das Wärmeträgerrohr 18 ist
beispielsweise der genannte horizontale Rohrabschnitt des Wärmetauschers 3,
und kann beispielsweise mit Wasser als Wärmeträger durchströmt werden.
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Der Aufnahmekörper 9 wird mit dem
Sorptionsmaterial befüllt.
Um zu verhindern, dass das Material herausrieselt, kann ein Drahtnetz
oder ein perforiertes Blech umspannt werden. Alternativ oder zusätzlich können die
Lamellen, die beispielsweise aus Kupfer- oder Aluminiumblech hergestellt
sind, mit dem Sorptionsmatenal beschichtet werden.
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In 3c ist
die vollständige
Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 mit
einem Aufnahmekörper 9 gemäß der 3a und 3b dargestellt. Wie man sieht, umfasst
auch die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 einen entsprechend
ausgebildeten Aufnahmekörper 10.
Man könnte
die Kondensator-Verdampfer-Einheit auch als Lamellenverdampfer/-kondensator
bezeichnen.
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Die Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sind in einem gemeinsamen
Gehäuse 5 angeordnet
und durch einen Keramikschwamm 8 voneinander getrennt.
Das gemeinsame, Gehäuse 5 besteht
aus einem dünnen Blech,
welches beide Elemente umhüllt.
Die mechanische Stabilität
des Bleches wird durch die Unterstützung der Ränder des Wärmetauschers 3 im Bereich der
Rohrumlenkungen 13 gesichert.
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Der Abstand zwischen Adsorber-Desorber-Einheit
und Kondensator-Verdampfer-Einheit wird
durch den Keramikschwamm 8 hergestellt, welcher eine geringe
Wärmeleitfähigkeit
aufweist, jedoch eine ausreichende Dampfdurchlässigkeit und Stabilität. Der Dampftransport,
das heißt
die Strömung
des Adsorptivs, zwischen Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verläuft im Bereich der Rohrumlenkungen 13 der
Lamellenwärmeüberträger. Die
Blechverkleidung ist vakuumdicht gegenüber der Umgebung ausgeführt.
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Durch die in 3 gezeigte Ausführung ist es möglich, die
gesamte Feststoff Sorptionswärmepumpe
mit einer geringen Wärmekapazität auszuführen, aufgrund
des einfachen Aufbaues mit wenigen Rohrleitungen und geringer Wandstärke, und
dadurch ein besonders hohes Wärmeverhältnis zu
erreichen.
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Feststoff Sorptionswärmepumpe
mit einem Aufnahmekörper.
Der in den 4a und 4b dargestellte Aufnahmekörper 9 der
Adsorber-Desorber-Einheit 2 ist als Metallschwamm ausgebildet.
Der Metallschwamm dient der Wärmeübertragung
zwischen dem in dem Wärmetauscher 3 geführten Wärmeträger und
dem Sorptionsmaterial. Der Metallschwamm ist offenporig ausgeführt und
mit Sorptionsmaterial befüllt
oder beschichtet. Der Metallschwamm kann mit einem Drahtnetz oder
einem perforierten Blech umspannt werden, um zu verhindern, dass
das Sorptionsmaterial herausrieselt.
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Die Rohrleitungen des Wärmetauschers 3 sind
in den: Metallschwamm eingebracht. Die Verbindung zwischen dem Metallschwamm
und der Rohrleitung ist gut wärmeleitend,
dies kann insbesondere durch Eingießen oder Einlöten des
Rohres erreicht werden.
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Wie in 4b dargestellt
ist, können
in den Metallschwamm zusätzliche
Dampfkanäle 19 eingestanzt
werden.
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Der Wärmetauscher 3 kann
wiederum aus horizontalen Rohrabschnitten 12 aufgebaut
sein, die durch Umlenkungen 13 miteinander verbunden sind. Wie
in der Draufsicht in 4b dargestellt
ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel
ein Wärmetauscher, umfassend
drei vertikal nebeneinander angeordnete Rohrschleifen, in den Metallschwamm
eingebracht. Der Metallschwamm kann dabei vorzugsweise aus drei
quaderförmigen
Abschnitten hergestellt sein, mit jeweils einem eingebrachten Rohrabschnitt,
die bündig
zueinander in dem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet sind.
Dadurch ist es besonders leicht möglich, die Dampfkanäle 19 in
den Aufnahmekörper 9, das
heißt
den Metallschwamm, einzubringen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den
Metallschwamm derart zu segmentieren, dass die Rohre des Wärmetauschers 3 zwischen
zwei benachbarte Segmente eingelegt werden können.
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Die Dampfkanäle können mit perforierten Rohren,
Blechen oder Drahtnetzen versehen werden, um ein Herausrieseln des
Feststoff Sorptionsmateriales 4 zu verhindern.
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In 4c ist
eine komplette Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 mit einer
Adsorber-Desorber-Einheit 2, umfassend einen Aufnahmekörper 9,
der als Metallschwamm ausgebildet ist, und einer Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 mit
einem Aufnahmekörper 10,
der ebenfalls entsprechend als Metallschwamm ausgeführt ist,
in einem gemeinsamen Gehäuse 5 dargestellt.
Die beiden Einheiten 2, 6 sind übereinander
benachbart angeordnet und ausschließlich durch einen Keramik schwamm 8 voneinander
getrennt. Das gemeinsame Gehäuse 5 besteht aus
einem dünnen
Blech, vorzugsweise mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,5 mm, das
auf die Ränder der
Aufnahmekörper 9 und 10 und
den zwischengeschalteten Keramikschwamm 8 aufgelegt ist.
Die mechanische Stabilität
des Bleches wird dabei durch das Auflegen auf die Metallschwämme beziehungsweise
den Keramikschwamm hergestellt, so dass das Blech selber statisch
instabil ausgeführt
sein kann. Dadurch sind besonders geringe Wandstärken möglich, welche wiederum zu einer
besonders geringen Wärmekapazität der gesamten
Feststoff Sorptionswärmepumpe
führen.
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Der Dampftransport zwischen der Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verläuft durch
den Keramikschwamm und in den Dampfkanälen 19, welche in die
Adsorber-Desorber-Einheit 2 eingebracht sind. Wie dargestellt,
ist die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 unterhalb der
Adsorber-Desorber-Einheit 2 ausgeführt und
weist mindestens eine Höhe
auf, die so groß ist,
wie der maximale Füllstand
mit anfallendem Kondensat.
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In 6 ist
eine vorzugsweise Ausführung des
gemeinsamen Gehäuses 5 dargestellt.
In den Innenraum wird die Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 geschaltet,
die in dieser Ansicht selber nicht dargestellt ist. Das Gehäuse 5 ist
zweischalig ausgeführt, umfassend
eine innere Schale, die vorzugsweise aus einem dünnen Metallblech hergestellt
ist, und eine äußere Schale,
die vorzugsweise ebenfalls aus einem dünnen Metallblech hergestellt
ist.
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In den Zwischenraum zwischen die
beiden Schalen, das heißt
zwischen die innere Blechverkleidung 26 und die äußere Blechverkleidung 27,
ist vorzugsweise eine Granulatschüttung 14 eingebracht, welche
eine derartige mechanische Stabilität aufweist, dass sie Druckkräfte zwischen
den beiden Blechverkleidungen 26, 27 überträgt. Dadurch
ist es möglich,
diese anfallenden Kräfte
nach innen auf beispielsweise in den vorherigen Figuren dargestellten Aufnahmekörper beziehungsweise
Wärmetauscherrohre
zu übertragen.
Somit können
auch die Blechverklei dungen 26 und 27 in besonders
geringer Wandstärke
ausgeführt
werden, um die Kapazität
der Feststoff-Sorptionswärmepumpe
gering zu halten.
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An das dargestellte Gehäuse ist
ein Evakuierungsstutzen 28 angeschlossen, der vorzugsweise zweigeteilt
durch Ineinanderschalten eines inneren Rohres in ein äußeres Rohr
ausgeführt
ist. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
getrennte Stutzen anzuordnen. Mittels des Evakuierungsstutzens 28 kann sowohl
der Innenraum der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 wie auch
der Zwischenraum zwischen den beiden Schalen des Gehäuses 5 evakuiert
werden. Die Evakuierung des Innenraumes der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 dient
dabei der Einstellung eines vorgegebenen Druckes entsprechend der
Erfordernisse des verwendeten Arbeitspaares. Die Evakuierung des
Zwischenraumes im Gehäuse 5 dient
der optimalen Wärmedämmung.
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Seitlich im Gehäuse 5 sind die Rohrdurchführungen 29 für die Wärmetauscher
der Adsorber-Desorber-Einheit und der Kondensator-Verdampfer-Einheit
dargestellt.
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Als Dämmmaterial, das zwischen die
beiden Schalen des Gehäuses 5 eingebracht
wird, kann beispielsweise Silikagel, Perlit oder Schaumglasperlen verwendet
werden.
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Die in den Zeichnungen dargestellte
Ausführung
der Erfindung weist verschiedene Vorteile auf. So kann ein besonders
einfacher, kompakter Aufbau erreicht werden. Durch die Verwendung
einer Blechverkleidung als Vakuumbehälter kann eine besonders geringe
spezifische Wärmekapazität erreicht werden
und damit ein hohes Wärmeverhältnis auch ohne
innere Wärmerückgewinnung.
Der Einsatz einer vakuumsuperisolierten Wärmedämmung in einem doppelwandigen
Behälter
ist möglich.
Zugleich ist eine leichte Anpassung des diskontinuierlichen Wärmepumpenbetriebs
an den Heizbedarf durch eine variable Zyklendauer möglich. Dadurch
werden externe Pufferspeicher, wie sie in herkömmlichen thermisch angetriebenen
Wärmepumpen
häufig
eingesetzt werden, vermieden.
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- 1
- Feststoff-Sorptionspumpe
- 2
- Adsorber-Desorber-Einheit
- 3
- Wärmetauscher
- 4
- Feststoff-Sorptionsmaterial
- 5
- Gehäuse
- 6
- Kondensator-Verdampfer-Einheit
- 7
- adsorptivdurchlässiges Element
- 8
- Keramikschwamm
- 9
- Aufnahmekörper
- 10
- Aufnahmekörper
- 11
- Kondensations-Verdampfungs-Rohr
- 12
- Rohrabschnitt
- 13
- Umlenkung
- 14
- Granulatschüttung
- 15
- Dampfraum
- 16
- Kondensatraum
- 17
- Lamellenblatt
- 18
- Wärmeträgerrohr
- 19
- Dampfkanal
- 20
- Heizkreislauf
- 21
- Hochtemperaturquelle
- 22
- Niedertemperaturquelle
- 23
- Heizeinrichtung
- 23.1
- Abgaswärmeüberträger
- 23.2
- Heizung
- 24
- Heizkreisverteiler
- 25
- Heizkreislaufventil
- 26
- innere
Blechverkleidung
- 27
- äußere Blechverkleidung
- 28
- Evakuierungsstutzen
- 29
- Rohrdurchführung