DE19539095A1

DE19539095A1 - Sorptionsklimaanlage

Info

Publication number: DE19539095A1
Application number: DE19539095A
Authority: DE
Inventors: Fritz Widemann; Helmut Mayer
Original assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Current assignee: Webasto Thermosysteme GmbH
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 1997-04-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Sorptionsklimaanlage mit zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und in einer Desorptionsphase betreibbaren Sorptionswärmeübertrageranordnungen sowie mit einer die jeweils in der Desorptionsphase befindlichen Sorptionswärmeübertrageranordnung beaufschlagenden Wärmequelle.

Eine derartige, zur Bereitstellung einer kontinuierlichen Kühlleistung geeignete Sorptionsklimaanlage ist aus der DE-A1 41 33 917 bekannt. Für eine wechselweise Beheizung der Sorptionswärmeübertrageranordnungen wird dort Luft verwendet, die in einem Wärmetauscher durch Abgas, welches gegebenenfalls von einem Brenner erzeugt wird, erwärmt wird. Die dort als Heizgas verwendete Luft verläßt nach einmaligem Passieren der Rohre des Wärmetauschers die Anlage, wodurch zur Erzeugung einer hohen Temperaturdifferenz relativ große Volumenströme erwärmt werden müssen. Insgesamt hat eine derartige Anlage dadurch einen schlechten Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte, für einen Einsatz in einem Fahrzeug besonders geeignete Sorptionsklimaanlage mit einem verbesserten Wirkungsgrad bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Mittel gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß beide Sorptionswärmeübertrageranordnungen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, an dem mittels Klappen eine wechselweise Durchströmung jeweils einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen mit Frischluft und die der jeweils anderen Sorptionswärmeübertrageranordnung mit einem Heizgas einstellbar ist, welches von einer Wärmequelle geliefert wird. Der Heizgas-Strom ist dabei als Kreisströmung innerhalb des Gehäuses ausgelegt. Bei Verwendung eines Brenners als Wärmequelle strömt dabei nur die jeweils vom Brenner gelieferte Gasmenge über eine von einer der Klappen freigebbare Abströmöffnung. Durch das permanente Kursieren des Heizgas-Stromes in Form einer Kreisströmung ist eine wesentlich bessere Energieausnutzung für eine Beheizung einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen während einer Desorptionsphase möglich.

Eine besonders kompakte Bauweise, die mit einer geringen Anzahl von Steuerklappen auskommt, ergibt sich dadurch, daß die Wärmequelle im Gehäuse zwischen den Sorptionswärmeübertrageranordnungen angeordnet ist.

Vorzugsweise sind zwischen den Sorptionswärmeübertrageranordnungen zwei innere Klappen angeordnet, die einen mit der Wärmequelle verbundenen Heizgasraum begrenzen.

Im geöffneten Zustand geben diese inneren Klappen vorteilhaft einen Strömungsweg vom Heizgasraum zu einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen und zurück zum Heizgasraum frei. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß eine der inneren Klappen im geöffneten Zustand gleichzeitig die Öffnungsweite einer Abströmöffnung begrenzt, durch welche bei Verwendung eines Brenners als Wärmequelle die jeweils vom Brenner neu in die Kreisströmung eingespeiste Abgasmenge entweichen kann.

Am Gehäuse sind vorteilhafterweise zusätzlich zwei äußere Klappen vorgesehen, die im geöffneten Zustand einen Einströmkanal und einen Ausströmkanal für eine Durchströmung der jeweils in der Adsorptionsphase befindlichen Sorptionswärmeübertrageranordnung mit Frischluft freigeben. Die Frischluft kann selbstverständlich auch mit einem mehr oder weniger großen Anteil von Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum vermischt sein.

Eine besonders kompakte Bauweise mit einer Doppelfunktion für die Klappen ergibt sich dadurch, daß der Einströmkanal und der Ausströmkanal auf ihrer Innenseite von den inneren Klappen begrenzt werden.

Für eine Verbesserung der Energieumsetzung aufgrund einer zwangsweisen Durchströmung ist es vorteilhaft, daß beiden Sorptionswärmeübertrageranordnungen jeweils ein Gebläse zugeordnet ist.

Eine besonders hohe Energieausnutzung ergibt sich dadurch, daß zwischen einer Adsorptionsphase und einer Desorptionsphase bei geschlossenen Klappen und abgeschalteter Heizgaszufuhr eine Wärmeausgleichsphase von der zuvor desorbierenden Sorptionswärmeübertrageranordnungen zu der zuvor adsorbierenden Sorptionswärmeübertrageranordnungen stattfindet. Hierdurch kann die nach Beendigung der Desorption in der zuvor desorbierenden Sorptionswärmeübertrageranordnung noch vorhandene Restwärme zur Vorbereitung einer Desorption in der jeweils anderen Sorptionswärmeübertrageranordnung verwendet werden. Während dieser Wärmeausgleichsphase wird vorzugsweise wenigstens eines der Gebläse in Betrieb gesetzt.

Die Wärmequelle wird vorteilhaft von einem Brenner gebildet, der sein Abgas direkt als Heizgas in die Kreisströmung einspeist. Alternativ dazu ist eine Erzeugung der Heizluft prinzipiell auch mittels anderer Wärmequellen, wie eines von einem Motor oder von einem Brenner gespeisten Wärmeübertragers oder einer elektrischen Heizung, möglich.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Sorptionsklimaanlage während der Desorptionsphase der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung,

Fig. 2 die Anlage gemäß Fig. 1 während einer Wärmeausgleichsphase und

Fig. 3 die Anlage gemäß Fig. 1 während einer Desorptionsphase der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung.

Eine Sorptionsklimaanlage weist zwei in einem gemeinsamen Gehäuse 3 angeordnete Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2 auf. Zwischen der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 und der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 ist im Gehäuse 3 eine Wärmequelle angeordnet, welche im Ausführungsbeispiel von einem Brenner 4 gebildet wird.

Der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 ist ein Gebläse 5 und der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 ein Gebläse 6 zugeordnet, durch welche eine zwangsweise Durchströmung der Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2 herbeigeführt werden kann.

Die Außenwand des Gehäuses 3 weist zwischen den beiden Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2 an ihrer Oberseite eine äußere Klappe 7 und an ihrer Unterseite eine äußere Klappe 8 auf. Im selben Bereich liegen innerhalb des Gehäuses 3 beabstandet zu den äußeren Klappen 7 bzw. 8 im oberen Teil eine innere Klappe 9 und im unteren Teil eine innere Klappe 10, die derart zwischen den beiden Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 und 2 angeordnet sind, daß sie im geschlossenen Zustand einen zwischen den beiden Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2 liegenden, mit der Wärmequelle (Brenner 4) kommunizierenden Heizgasraum 13 begrenzen.

Die äußeren Klappen 7 bzw. 8 und die inneren Klappen 9 bzw. 10 sind mittels einer nicht dargestellten Mechanik derart bewegbar, daß sie in geschlossener Position eine in der bildlichen Darstellung horizontale Lage einnehmen, bei der die äußeren Klappen 7 bzw. 8 das Gehäuse 3 verschließen und bei der die inneren Klappen 9 bzw. 10 den Heizgasraum 13 verschließen. Die Bewegungsmechanik der äußeren Klappen 7, 8 und der inneren Klappen 9, 10 ermöglicht außerdem, ausgehend von der horizontalen geschlossenen Lage, sowohl ein Öffnen zur einen als auch ein Öffnen zur anderen Seite, wobei jeweils eine außen liegende Kante der Klappe in der der Schließlage entsprechenden Position verbleibt und dabei eine Schwenkachse bildet. Für eine Betätigung der Klappen 7, 8, 9, 10 ist beispielsweise eine Mechanik verwendbar, wie sie bei Dachluken von Fahrzeugen Verwendung findet, bei denen ebenfalls, ausgehend von einer horizontalen Schließposition, sowohl ein Ausstellen der Vorderkante als auch ein Ausstellen der Hinterkante möglich ist (siehe beispielsweise DE-C1 43 33 514). Vorzugsweise werden die Klappen 7, 8, 9, 10 von einem nicht dargestellten elektrischen Antrieb betätigt. Aufgrund der paarweisen parallelen Betätigung jeweils einer der inneren Klappen 7 bzw. 8 mit der benachbarten äußeren Klappe 9 bzw. 10 kann dabei ein Klappenpaar 7, 9 bzw. 8, 10 vorzugsweise von einem Antrieb betätigt werden.

Die Sorptionswärmeübertrageranordnungenen 1 bzw. 2 werden von einem Paket horizontal liegender zueinander beabstandeter Lamellen und diese in etwa senkrecht durchdringenden Rohren 11 bzw. 12 gebildet. Die Zwischenräume zwischen den Lamellen sind mit einem festen Sorptionsmaterial gefüllt, welches zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit untereinander und zu den Wandungen der Lamellen und der Rohre 11 bzw. 12 mit einem Keramikkleber verbunden sein kann. Die Lamellenzwischenräume mit dem festen Sorptionsmaterial stehen über Anschlußleitungen 20 bzw. 21 mit einem nicht dargestellten Verdampfer-/Kondensatorteil in Strömungsverbindung. Ein derartiger Verdampfer-/Kondensatorteil kann, wie in der zeitgleich eingereichten Patentanmeldung derselben Anmelderin mit dem amtlichen Anmelder- Aktenzeichen P . . . (HP 198/95 DE) ebenfalls als lamellenartiger Block mit einer auf den Lamellen angeordneten saugfähigen Beschichtung ausgebildet sein oder aber als Sprühverdampfer/-kondensator, wie er aus der älteren Anmeldung P 44 13 030 bekannt ist. Unabhängig von der gewählten Bauweise dient der Verdampfer-/Kondensatorteil zum Verdampfen eines flüssigen Arbeitsmittels während einer Adsorptionsphase der zugeordneten Sorptionswärmeübertrageranordnungen und zum Kondensieren des flüssigen Arbeitsmittels während einer Desorptionsphase der zugeordneten Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2. Als flüssiges Arbeitsmittel dient bei Verwendung von Zeolithgranulat als Sorptionsmaterial Wasser. Dieses wird bei der Adsorption von den Poren des Sorptionsgranulats in dampfförmiger Form aufgenommen, wobei sich das Sorptionsgranulat erwärmt und wobei gleichzeitig im zugehörigen Verdampfer-/Kondensatorteil durch die Verdampfung des Wassers Kälteleistung erzeugt wird, welche für Kühl- und Klimatisierungszwecke verwendet werden kann. Bei der Desorption wird hingegen dem Sorptionsgranulat Wärme zugeführt, wodurch das Arbeitsmittel aus dem Sorptionsgranulat verdampft und im Verdampfer-/Kondensatorteil unter Wärmeabgabe kondensiert. Die dabei frei werdende Wärme kann gegebenenfalls zu Heizzwecken verwendet werden.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 1 befindet sich die erste Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 in der Desorptionsphase. Dabei wird von der Wärmequelle, die im Ausführungsbeispiel von einem Brenner 4 gebildet wird, Heizgas H erzeugt, welches vom Heizgasraum 13 durch das Gebläse 5 bei einer entsprechend geöffneten Klappenstellung der inneren Klappen 9 bzw. 10 in einen Kreislauf durch die erste Sorptionswärmeübertrageranordnung 1, bzw. durch deren Rohre 11 geleitet wird. Dieser Heizgas-Kreislauf H kann ein geschlossener Kreislauf sein, wenn als Wärmequelle 4 beispielsweise eine elektrische Heizung oder ein Wärmeübertrager, wie ein Teil einer Abgasleitung eines Fahrzeuges, verwendet wird. Da im Ausführungsbeispiel als Wärmequelle ein Brenner 4 verwendet wird, dessen Brenngase mit in den Heizgaskreislauf H eingebracht werden, wird hier die innere Klappe 9 soweit nach oben ausgestellt, daß sie gemeinsam mit einer Wand des Gehäuses 3 eine Abströmöffnung 14 bildet, durch welche ein mit M bezeichneter Anteil des Heizgases aus dem Kreislauf H entweichen kann, der dem Anteil des vom Brenner 4 jeweils gelieferten Brenngases entspricht. Aufgrund der erzeugten Kreisströmung des Heizgases H wird in jedem Falle eine optimale Ausnutzung der Energie dieser Heizgase für die Desorption gewährleistet. Gleichzeitig zur Desorption der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 findet die Adsorptionsphase bei der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 statt. Die bei der Adsorption frei werdende Wärme wird von der Frischluft F aufgenommen und abgeführt, welche über einen Einströmkanal 16 der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 von unten her zuströmt und über einen Ausströmkanal 17 an der Oberseite aus der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 ausströmt. Der untere Einströmkanal 16 wird von der äußeren Klappe 8 und von der inneren Klappe 10 begrenzt, welche annähernd parallel zueinander in eine Offenstellung geschwenkt sind, bei welcher die jeweilige Schwenkachse etwa in Höhe der linken Seitenwand der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 liegt.

Der Ausströmkanal 17 wird von der äußeren Klappe 7 und der darunterliegenden inneren Klappe 9 gebildet, welche ebenfalls annähernd parallel zueinander in eine Offenstellung geschwenkt wurden, bei der die Schwenkachse ebenfalls etwa in Höhe der linken Seitenwand der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 liegt. Die Frischluft F wird zwangsweise mittels des Gebläses 6 durch die Rohre 12 der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 gefördert.

Während der in Fig. 1 dargestellten Arbeitsphase wird an dem nicht dargestellten, mit der Anschlußleitung 21 mit der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 verbundenen Verdampfer-/Kondensatorteil aufgrund der Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels Kälteleistung bereitgestellt, die beispielsweise zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes verwendet wird. Bei der Darstellung gemäß Fig. 2 hat die zweite Sorptionswärmeübertrageranordnung die Adsorptionsphase beendet. Dabei ist das Sorptionsgranulat nahezu vollständig mit dem flüssigen Arbeitsmittel gesättigt. Parallel dazu ist die Desorptionsphase der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 beendet. Durch den Heizgasstrom H wurde das flüssige Arbeitsmittel zumindestens annähernd vollständig aus dem dort befindlichen Sorptionsgranulat ausgetrieben und über die Anschlußleitung 20 dem zugeordneten Verdampfer-/Kondensatorteil für ein Kondensieren zugeleitet. Die äußeren Klappen 7 und 8 und die inneren Klappen 9 und 10 sind geschlossen. Die Wärmezufuhr von der Wärmequelle 4 kann in dieser Phase unterbrochen sein. Es ist jedoch ebensogut ein kontinuierlicher Betrieb der Wärmequelle, wie hier im Beispiel des Brenners 4, möglich. In der gemäß Fig. 1 in der Desorptionsphase befindlichen ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 ist auch nach Beendigung der Desorption noch eine große Menge an Wärmeenergie gespeichert, die in der Ausgleichsphase gemäß Fig. 2 in Form eines Ausgleichsstromes A von der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 auf die zweite Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 übertragen wird. Die zweite Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 wird dadurch für die gemäß Fig. 3 nun anschließende Desorptionsphase vorgeheizt. In der Ausgleichsphase verschließen die inneren Klappen 9 und 10 den Heizgasraum 13 und die äußeren Klappen 7 bzw. 8 das Gehäuse 3, so daß bei gleichzeitigem Betrieb wenigstens eines der beiden Gebläse 5 bzw. 6 ein geschlossener Kreislauf in Form des Ausgleichstromes A entsteht.

In Fig. 3 sind die äußeren Klappen 7 bzw. 8 und die inneren Klappen 9 bzw. 10 in eine Offenstellung geschwenkt, bei der die Schwenkachse der Klappen etwa in Höhe der verlängerten rechten Seitenwand der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 liegt. Dadurch wird im unteren Teil durch die innere Klappe 10 und die äußere Klappe 8 ein Einströmkanal 18 freigegeben, durch welchen Frischluft F zur ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 strömen kann. Die innere Klappe 9 und die äußere Klappe 7 an der Oberseite des Gehäuses 3 bilden einen Ausströmkanal 19, aus dem die Frischluft F nach Passieren der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 ausströmen kann. Die Strömung der Frischluft F wird dabei vom Gebläse 5 zwangsweise bewirkt. Gleichzeitig begrenzen die geöffneten inneren Klappen 9 bzw. 10 einen Heizgas-Kreislauf H, der sich, ausgehend von der Wärmequelle 4 im Heizgasraum 13, durch die zweite Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 und zurück zum Heizgasraum 13 bewegt. Dieser Kreisstrom wird mittels des Gebläses 6 zwangsweise bewirkt. Da im Ausführungsbeispiel als Wärmequelle ein Brenner 4 verwendet wird, liegt der ausgestellte Schenkel der inneren Klappe 9 etwas oberhalb der benachbarten Wand des Gehäuses 3, wodurch zwischen beiden eine Abströmöffnung 15 freigelegt wird, welche zum Entweichen eines Massenstromes M des Heizgases dient, der wiederum dem Anteil entspricht, der jeweils vom Brenner 4 in den Heizgas-Kreislauf eingespeist wird. Das Heizgas H dient in der in Fig. 3 gestellten Arbeitsphase zur Desorption der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2. Das dabei aus dem Sorptionsgranulat ausgetriebene Wasser wird über die Anschlußleitung 21 dem nicht dargestellten zugeordneten Verdampfer-/Kondensatorteil für ein Kondensieren zugeleitet. Die dabei frei werdende Wärme kann zu Heizzwecken genutzt werden. Der Frischluftstrom F dient zum Abführen der in der Adsorptionsphase der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 frei werdenden Wärme. Die gleichzeitig in dem mit der Anschlußleitung 20 verbundenen, nicht dargestellten Verdampfer-/Kondensatorteil durch Verdampfen des Wassers erzeugte Kälteleistung wird wiederum zu Kühlzwecken, beispielsweise für die Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes, verwendet.

An die in Fig. 3 dargestellte Phase schließt sich wiederum eine Ausgleichsphase an, bei der die Klappen wieder die in Fig. 2 dargestellte geschlossene Position einnehmen, bei der jedoch der Ausgleichsstrom A bezüglich des Wärmegefälles in umgekehrter Richtung verläuft. Auf diese Ausgleichsphase schließt sich eine erneute Desorptionsphase der ersten Sorptionswärmeübertrageranordnung 1 mit gleichzeitiger Adsorption der zweiten Sorptionswärmeübertrageranordnung 2 gemäß Fig. 1 an. Durch das wechselweise Adsorbieren und Desorbieren der beiden Sorptionswärmeübertrageranordnungen 1 bzw. 2 kann, abgesehen von der kurzzeitigen Unterbrechung durch die Wärmeausgleichsphase, ein im wesentlichen kontinuierlicher Kühl- bzw. Klimatisierungsbetrieb erfolgen. Die Sorptionsklimaanlage ist einfach in ihrem Aufbau und aufgrund der geringen Anzahl der Klappen sowie der geringen Anforderungen an deren Dichtheit auch kostengünstig herstellbar. Statt der Klappen können selbstverständlich auch entsprechende Schieber, Ventile oder dergleichen verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 erste Sorptionswärmeübertrageranordnung
2 zweite Sorptionswärmeübertrageranordnung
3 Gehäuse
4 Brenner
5 Gebläse (bei 1)
6 Gebläse (bei 2)
7 äußere Klappe
8 äußere Klappe
9 innere Klappe
10 innere Klappe
11 Rohre (in 1)
12 Rohre (in 2)
13 Heizgasraum
14 Abströmöffnung
15 Abströmöffnung
16 Einströmkanal (für 2)
17 Ausströmkanal (für 2)
18 Einströmkanal (für 1)
19 Ausströmkanal (für 1)
20 Anschlußleitung
21 Anschlußleitung
H Heizgas-Strom
F Frischluft
A Ausgleichsstrom

Claims

1. Sorptionsklimaanlage mit zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und in einer Desorptionsphase betreibbaren Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1, 2) sowie mit einer die jeweils in der Desorptionsphase befindliche Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1 bzw. 2) beaufschlagenden Wärmequelle (Brenner 4), dadurch gekennzeichnet, daß beide Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1, 2) in einem gemeinsamen Gehäuse (3) angeordnet sind, an dem mittels Klappen (7, 8, 9, 10) eine wechselweise Durchströmung jeweils einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1 bzw. 2) mit Frischluft (F) und die der jeweils anderen Sorptionswärmeübertrageranordnung (2 bzw. 1) mit Heizgas (H) einstellbar ist, das von der Wärmequelle (Brenner 4) geliefert wird, wobei der Heizgas-Strom (H) als Kreisströmung ausgelegt ist.

2. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmequelle (Brenner 4) im Gehäuse (3) zwischen den Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1, 2) angeordnet ist.

3. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zwischen den Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1, 2) angeordnete innere Klappen (9,10) einen mit der Wärmequelle (Brenner 4) verbundenen Heizgasraum (13) begrenzen.

4. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Klappen (9, 10) im geöffneten Zustand einen Strömungsweg vom Heizgasraum (13) zu einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen (1 bzw. 2) und zurück freigeben.