DE10238510B4

DE10238510B4 - Wärmepumpen-Modul für eine Adsorptionswärmepumpe

Info

Publication number: DE10238510B4
Application number: DE10238510.6A
Authority: DE
Inventors: Johann-Ludwig Heim; Dr. Hocker Thomas; Dr. Lang Rainer; Frank Marth; Uwe Marx; Ralf Prescha; Johann Wienen
Original assignee: Vaillant GmbH
Current assignee: Vaillant GmbH
Priority date: 2001-08-22
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2019-12-05
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: DE10238510A1

Abstract

Wärmepumpen-Modul (1) für eine Adsorptionswärmepumpe, bestehend aus einem Adsorber/Desorber-Raum (105), in dem sich mindestens ein Adsorber/Desorber (101), vorzugsweise ein Zeolith-Wärmeaustauscher, und ein Kondensator (102) befinden, und einem Verdampferraum (40), in dem sich mindestens ein Verdampfer (3), der über einen Solekreislauf (5) mit einer Umweltwärmequelle (6) verbunden ist, befindet, wobei der Adsorber/Desorber-Raum (105) und der Verdampferraum (40) über eine Verbindung (47) miteinander verbunden sind und die Verbindung (47) mittels eines Ventils (48) mit Verschluss (43) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48) mittels Schwerkraft oder Federkraft die Verbindung (47) schließt und das Öffnen des Ventils (48) durch Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Adsorber/Desorber-Raum (105) und Verdampferraum (40) in Form einer Kraft auf die Fläche des Verschlusses (43) des Ventils (48) erfolgt, wobei das Ventil (48) über eine Drehachse (44), um die eine Drehbewegung zum Öffnen und Schließen erfolgt, verfügt und der Druck der Flüssigkeitssäule eines kondensierten Kältemittels die Öffnungskraft des Ventils (48) bewirkt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmepumpen-Modul für eine Adsorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs, und ein Verfahren zum Betreiben dieser Adsorptionswärmepumpe.
In Adsorptionswärmepumpen werden eine Wärmequelle im Gerät, oft ein konventioneller Brenner, und eine Umweltwärmequelle genutzt, um einen Heizkreislauf zu beheizen. Die Umweltwärmequelle wird genutzt, um in einem Verdampfer Kältemittel zu verdampfen, das in einem Adsorber adsorbiert, wodurch Adsorptionswärme freigesetzt wird. Diese Wärme geht auf einen Wärmeträger und über diesen auf einen Heizkreislauf über. Bei der Desorption wird der Wärmeträger von der Wärmequelle im Gerät erhitzt und gelangt in einen Desorber. In dem Desorber wird Wärmeenergie dazu benötigt, um Kältemittel zu desorbieren. Das Kältemittel kondensiert an einem Kondensator und gibt dabei Wärme ab. Diese Wärme ist für den Heizkreislauf bestimmt. Der Wärmeträger des Primärkreislaufs gibt nach Verlassen des Desorbers Wärme an den Heizkreislauf ab.
Adsorber und Desorber sind dabei ein einziges Bauteil, das bei der Adsorption Kältemittel aufnimmt und bei der Desorption dieses Kältemittel wieder abgibt. Bei der Adsorption muss der Adsorber/Desorber mit einem Verdampfer in Kontakt stehen, der das Kältemittel verdampft. Bei der Desorption ist es dagegen ratsam, dass der Adsorber/Desorber nicht mit dem Verdampfer in Kontakt steht, da ansonsten der Verdampfer am Kondensator kondensiertes Kältemittel wieder verdampfen würde und hierdurch der Wirkungsgrad sich verschlechterte.
Deshalb wird der Verdampfer häufig vom Adsorber/Desorber absperrbar angeordnet. Bei der Desorption kondensiert dann das Kältemittel im Adsorber/Desorber-Raum an dem Kondensator und sammelt sich im Sumpf des Adsorber/Desorber-Raums. Währenddessen kann in einem abgetrennten Verdampferraum ein Verdampfer Kältemittel verdampfen und auf diese Art Umweltwärme stetig aufnehmen. Ist die Desorption abgeschlossen, so wird eine Verbindung zwischen Adsorber/Desorber-Raum und Verdampferraum hergestellt. Nun wird der Kältemitteldampf von dem Adsorber adsorbiert. Zur Trennung von Adsorber/Desorber-Raum und Verdampferraum werden häufig motorbetriebene Absperrventile eingesetzt. Diese benötigen elektrische Energie und müssen angesteuert werden. Hierzu muss gemäß eines Kriteriums, das anzeigt, dass die Desorption beendet werden soll, eine Steuerung des Ventils erfolgen.
US 1 809 958 A zeigt eine Kälteanlage, bei welcher 2 Federn auf das Expansionsventil einwirken, um den Expansionsprozess variable zu gestalten.
DE 88 14 922 U1 offenbart eine Sorptionsanlage, bei welcher ein Schwimmer den Kondensatorraum vom Verdampferraum trennt. Eine Feder drückt gegen den Schwimmer, so dass zum Öffnen ein entsprechender Auftrieb auf den Schwimmer wirken muss. Ein Schwimmer ohne Feder zu einem derartigen Verwendungszweck ist aus DE 410 423 A bekannt.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Wärmepumpenmodul mit Adsorber/Desorber-Raum und Verdampferraum der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, bei dem ein einfaches Ventil die beiden Räume trennt und ohne beziehungsweise mit wenig Fremdenergie miteinander verbindet.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Wärmepumpenmodul der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird erreicht, dass der Adsorber/Desorber-Raum und der Verdampferraum durch ein Ventil, welches bei Erreichen eines bestimmten Druckes öffnet, getrennt werden. Es ergibt sich der Vorteil, dass die Kraft zum Öffnen des Ventils durch fortgeschrittene Desorption und Kondensation des Kältemittels zwangsläufig im Laufe der Desorption erreicht wird. Die Flüssigkeitssäule ist einerseits ein Maß für den Fortschritt der Desorption; andererseits nimmt mit der Höhe h der Flüssigkeitssäule der Druck p auf das Ventil zu (p ≡ Dichte des Kältemittels, g=9,81 m/s²). $p = ρ \cdot g \cdot h$
Die Kraft F auf das Ventil beträgt somit $F = p \cdot A$
wobei A die wirksame Fläche - im Falle des Ausführungsbeispiels der Verbindung - ist.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 ergibt sich der Vorteil, dass das Ventil auch dann noch geschlossen bleiben kann, wenn der notwendige Druck beziehungsweise die notwendige Kraft vorhanden ist. Das Öffnen kann dann zu einem definierten, späteren Zeitpunkt erfolgen.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 kann das Ventil im geöffneten Zustand gehalten werden, um eine kontinuierliche Adsorptionsphase zu ermöglichen.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 ergibt sich der Vorteil, dass das Schließen des Ventils zu einem definierten Zeitpunkt erfolgen kann.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wärmepumpen-Modul 1 mit Adsorber/Desorber-Raum 105 und einem Verdampferraum 40, die durch eine Verbindung 47 miteinander verbunden sind. In dem Adsorber/Desorber-Raum 105 befinden sich ein Adsorber/Desorber 101, vorzugsweise ein Zeolith-Wärmeaustauscher und ein Kondensator 102. In dem Verdampferraum 40 befinden sich ein Verdampfer 3, der über einen Solekreislauf 5 mit einer Umweltwärmequelle 6 verbunden ist, und ein Ventils 48. Das Ventil 48 verfügt über einen Verschluß 43 mit einer Dichtung 42, einen Hebelarm 46, eine Drehachse 44 und ein Gegengewicht 45. Das Ventil 48 ist derartig montiert, dass das Gegengewicht 45 durch sein Moment um die Drehachse 44 den Verschluß 43 mit seiner Dichtung 42 über die Verbindung 47 drückt und somit den Adsorber/Desorber-Raum 105 vom Verdampferraum 40 abdichtet. Im Wärmepumpen-Modul 1 befindet sich Kältemittel, Bei geschlossenem Ventil entsteht ein Kältemittelsumpf 103 im Adsorber/Desorber-Raum 105. Im Verdampferraum 40 befindet sich Kältemittel 41 im Bereich des Verdampfers 3.
Zu Beginn der Desorption ist die Verbindung 47 mittels Verschluss 43 des Ventils 48 geschlossen. Kältemittel wird aus dem Adsorber/Desorber 101, der als Desorber arbeitet, ausgetrieben, kondensiert am Kondensator 102 und sammelt sich im Kältemittelsumpf 103 an, wobei der Füllstand im Laufe der Desorption steigt. Mit der Füllstandshöhe steigt der Druck und die Kraft auf das Ventil. $p = ρ \cdot g \cdot h$
$F = p \cdot A$
Somit übt das Kältemittel ein Moment auf das Ventil 48 aus. Hierbei ist x_s der horizontale Abstand des Schwerpunkts der wirksamen Fläche von der Drehachse 44. $M = F \cdot x_{s} = ρ \cdot g \cdot h \cdot A \cdot x_{s}$
Dem wirkt das Moment entgegen, das von dem Gegengewicht 45 mit der Masse m und dem Abstand des Schwerpunkts x von der Drehachse 44ausgeübt wird. $M_{Rückstell} = m \cdot g \cdot x$
Das Ventil öffnet demnach, sobald $ρ \cdot h \cdot A \cdot x_{s} > m \cdot x$
gilt. Das heißt, dass ab einer bestimmten Füllstandshöhe h die notwendige Kraft zum Öffnen vorhanden ist. Optional kann das Öffnen dadurch verhindert werden, indem das Ventil arretiert wird, z.B. mit Hilfe eines Elektromagneten oder eine Schnappverschlusses. Dann ist sichergestellt, dass die notwendige Energie zum Öffnen vorhanden ist, der genaue Zeitpunkt des Öffnens kann jedoch definiert bestimmt werden. Beim Umschalten von der Desorption zur Adsorption wird das Ventil dann durch Öffnen des Magneten oder Schnappverschlusses geöffnet. Das Öffnen eines federbetriebenen Schnappverschlusses kann beispielsweise mittels eines piezoelektrischen Elementes erfolgen. Beim Öffnen erhält das Ventil einen bestimmten Impuls und schwingt auf. Nun kann das Ventil wiederum in einer definierten Position z.B. mit der Hilfe eines Schnappverschlusses gehalten werden, damit nach Ablauf des Kältemittels aus dem Adsorber/Desorber-Raum 105 in den Verdampferraum 40 das Ventil 48 nicht sofort wieder schließt, sondern die Adsorption bei geöffnetem Ventil 48 stattfinden kann.
Bei der Adsorption ist das Ventil 48 geöffnet. Bereits während der Desorption konnte sich Kältemitteldampf im Verdampferrraum 40 bilden. Nun strömt der Kältemitteldampf zum Adsorber/Desorber 101 und wird dort adsorbiert. Weiterhin wird Umweltwärme über den Umwelt-Wärmeaustauscher 6 und den Solekreislauf 5 in das System eingebracht.
Zum Umschalten von der Adsorption auf die Desorption wird die Arretierung des Ventils 48 gelöst und somit die Verbindung 47 geschlossen, da das Moment des Gegengewichts 45 um die Drehachse größer als das Moment der unbelasteten Verschlußklappe 43 ist.
Nicht dargestellt ist eine alternative Bauform, bei der anstelle des Gegengewichts 45 eine Feder für das Gegenmoment zuständig ist.

Claims

Wärmepumpen-Modul (1) für eine Adsorptionswärmepumpe, bestehend aus einem Adsorber/Desorber-Raum (105), in dem sich mindestens ein Adsorber/Desorber (101), vorzugsweise ein Zeolith-Wärmeaustauscher, und ein Kondensator (102) befinden, und einem Verdampferraum (40), in dem sich mindestens ein Verdampfer (3), der über einen Solekreislauf (5) mit einer Umweltwärmequelle (6) verbunden ist, befindet, wobei der Adsorber/Desorber-Raum (105) und der Verdampferraum (40) über eine Verbindung (47) miteinander verbunden sind und die Verbindung (47) mittels eines Ventils (48) mit Verschluss (43) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48) mittels Schwerkraft oder Federkraft die Verbindung (47) schließt und das Öffnen des Ventils (48) durch Überschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Adsorber/Desorber-Raum (105) und Verdampferraum (40) in Form einer Kraft auf die Fläche des Verschlusses (43) des Ventils (48) erfolgt, wobei das Ventil (48) über eine Drehachse (44), um die eine Drehbewegung zum Öffnen und Schließen erfolgt, verfügt und der Druck der Flüssigkeitssäule eines kondensierten Kältemittels die Öffnungskraft des Ventils (48) bewirkt.
Wärmepumpen-Modul (1) für eine Adsorptionswärmepumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48) in geschlossenem Zustand von einer Arretierung, vorzugsweise einem Elektromagneten oder Schnappverschluß, gehalten wird und die Öffnung erst erfolgt, wenn die bestimmte Druckdifferenz zwischen Adsorber/Desorber-Raum (105) und Verdampferraum (40) überschritten ist und die Arretierung gelöst wird.
Wärmepumpen-Modul (1) für eine Adsorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (48) beim beziehungsweise nach dem Öffnen an einer Arretierung, vorzugsweise einem Elektromagneten oder Schnappverschluss, im geöffneten Zustand gehalten wird.
Wärmepumpen-Modul (1) für eine Adsorptionswärmepumpe gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (47) durch Lösen der Arretierung des Ventils (48) geschlossen wird.