DE19645475A1 - Heat exchanger for adsorber heat pump, cold energy machine or heat transformer working periodically - Google Patents
Heat exchanger for adsorber heat pump, cold energy machine or heat transformer working periodicallyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen verfahrenstechnischen Apparat und insbesondere die in diesem Apparat verwendeten Rohre gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, für mit Feststoffen, wie z. B. Kieselgel, Aktivkohle, Kohlenstoffmolekularsieben, Hydriden und vorzugsweise Zeolithen als Adsorptionsmittel periodisch arbeitenden Adsorptionswärmepumpen, Adsorptionskältemaschinen und Adsorptionswärmetransformatoren, wobei sich die Beschreibung nur auf die Anwendung in Adsorptionswärmepumpen und Adsorptionskältemaschinen bezieht. Bei diesen Sorptionsprozessen kann bei nicht zu großen Temperaturunterschieden von Kondensator- und Verdampfertemperatur ein Temperaturbereich, in dem die Adsorbertemperatur gleich der Desorbertemperatur ist, in dem ein "Übergreifen der Temperaturen" erfolgt, für einen besonders wirkungsvollen Wärmeaustausch genutzt werden. Nicht nur Abkühlungswärme sondern auch Adsorptionswärme des Adsorbers wird an ein Wärmeträgerfluid, welches eine Flüssigkeit oder ein Gas insbesondere Luft oder Abgas sein kann, übertragen und von dem Wärmeträgerfluid weiter an den Desorber übertragen. The invention relates to a process engineering apparatus and in particular the in this apparatus used pipes according to the preamble of claim 1, with Solids, such as As silica gel, activated carbon, carbon molecular sieves, hydrides and preferably zeolites as adsorbent periodically working adsorption heat pumps, Adsorption chillers and adsorption heat transformers, with the description only relates to the application in adsorption heat pumps and adsorption chillers. With these sorption processes, the temperature differences of Condenser and evaporator temperature is a temperature range in which the adsorber temperature is equal to the desorber temperature in which a "spillover of the temperatures" takes place for one particularly effective heat exchange can be used. Not just cooling heat but also adsorption heat of the adsorber is transferred to a heat transfer fluid, which is a Liquid or a gas, in particular air or exhaust gas, can be transferred and transferred from the Transfer heat transfer fluid to the desorber.
Um eine gute Wärmeübertragung zu erzielen muß das Wärmeträgerfluid im Adsorber möglichst hoch erwärmt werden, wozu eine Gegenstromanordnung und geringe Temperaturdifferenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Adsorptionsmittel Voraussetzungen sind. Analoges gilt für die Abkühlung des Wärmeträgerfluids im Desorber. Bei dem durch die hohe Aufwärmung bedingten geringen Wärmeträgerdurchsatz pro Zeiteinheit ist es schwierig einen reinen Gegenstromwärme austauscher mit hohen Wärmedurchgangszahlen zu konstruieren.In order to achieve good heat transfer, the heat transfer fluid in the adsorber must be as possible are heated to a high level, for which purpose a countercurrent arrangement and small temperature differences between heat transfer fluid and adsorbent are prerequisites. The same applies to the Cooling of the heat transfer fluid in the desorber. The one caused by the high warming up low heat transfer rate per unit of time, it is difficult a pure countercurrent heat construct exchangers with high heat transfer coefficients.
Die thermodynamisch mögliche Heizzahl liegt bei Adsorptionswärmepumpen mit "Übergreifen der Temperaturen" bei weit über 2, aber in lediglich einer Veröffentlichung (BWK, 47, (1995) Nr. 3, S. 94-96) wurde eine Adsorptionswärmepumpe mit 2 Adsorbern beschrieben, die entsprechend der Patentschrift DE 37 00 707 C2 arbeitet und experimentell eine Heizzahl von mehr als 2 erreicht. Diese ist jedoch mit Sorberwärmeaustauschern ausgerüstet, die aus einem mehrere m langen, einseitig mit vergrößerter Oberfläche versehenen gewickelten Rohr bestehen, welches durch Berührung der Wickel Wärmekurzschlüsse hatte und damit keine optimale Gegenstromwirkung erzielen konnte.In the case of adsorption heat pumps, the thermodynamically possible heating number is "overlap" of temperatures "at well over 2, but in only one publication (BWK, 47, (1995) No. 3, pp. 94-96) an adsorption heat pump with 2 adsorbers has been described works according to the patent specification DE 37 00 707 C2 and experimentally has a heating number of reached more than 2. However, this is equipped with sorber heat exchangers that consist of one several m long, one-sided wound pipe provided with enlarged surface, which had thermal short circuits due to contact with the winding and was therefore not optimal Could achieve countercurrent effect.
In den deutschen Anmeldeschriften 195 22 250.4 und 195 39 154.3 wird ein Verfahren zum Betrieb von Wärmepumpen und Kältemaschinen beschrieben, bei dem modifizierte Kompakt wärmeaustauscher eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um Plattenwärmeaustauscherad sorber, die aus Festigkeitsgründen nur für einen relativ geringen Druckunterschied zwischen Wärmeträgerfluidseite und Sorptionsmittelseite geeignet sind.In the German application documents 195 22 250.4 and 195 39 154.3 a procedure for Operation of heat pumps and chillers described in the modified compact heat exchangers are used. It is a plate heat exchanger wheel sorber, for strength reasons only for a relatively small pressure difference between Heat transfer fluid side and sorbent side are suitable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Sorberwärmeaustauscher für Adsorptionswärmepum pen Adsorptionskältemaschinen oder Adsorptionswärmetransformatoren mit wenigstens 2 Sorbern mit Rohren als wärmeaustauschenden Elementen, mit denen Wärme des oder der Adsorber zur Erwärmung und Desorption des oder der Desorber mit geringen Temperatur differenzen zwischen Wärmeträgerfluid und Sorptionsmittel bei geringer Baulänge und geringem Bauvolumen mit wärmeträgerseitig vorzugsweise nur einen Durchgang als Gegenstromwärmeaus tauscher in den wesentlichen Konstruktionsmerkmalen festzulegen. Auch bei geringem Wärme trägerdurchsatz soll bei geringem Druckverlust guter Wärmeübergang erzielt werden.The invention is based, sorber heat exchanger for adsorption heat pump the task pen adsorption chillers or adsorption heat transformers with at least 2 Sorbering with tubes as heat exchanging elements with which heat of the or Adsorber for heating and desorption of the desorber (s) with low temperature Differences between heat transfer fluid and sorbent with a small overall length and low Construction volume with heat transfer side preferably only one passage as countercurrent heat to specify exchangers in the essential design features. Even with low heat Carrier throughput should achieve good heat transfer with low pressure loss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.
Die Zusatzoberflächen der Rohre sollen wirtschaftlich und deshalb weitgehend unter Verwendung bekannter Technologien hergestellt und betrieben werden können.The additional surfaces of the pipes should be economical and therefore largely used known technologies can be manufactured and operated.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 2 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 2 solved.
Der Wärmefluß in der Strömungsachse des Wärmeträgers, die vorzugsweise in Richtung der Rohrachse liegt, soll im Verhältnis zur übertragenen Wärmemenge bei gleichzeitig geringer Rohrlänge, worunter ein Bereich von ca. 0,3 bis 6 m, vorzugsweise bis 2 m verstanden wird und geringer Wärmekapazität des Wärmeaustauschermateriales klein gehalten wird. Die größere Rohrlänge von 6 m ist insbesondere bei größeren Apparaten aus konstruktiven Gründen sinnvoll. Gleichzeitig ist wegen des periodischen Betriebes eine geringe Wärmekapazität des Sorbers erwünscht.The heat flow in the flow axis of the heat transfer medium, preferably in the direction of Pipe axis lies in relation to the amount of heat transferred and at the same time lower Pipe length, which means a range from about 0.3 to 6 m, preferably up to 2 m and low heat capacity of the heat exchanger material is kept small. The bigger one Pipe length of 6 m is particularly useful for larger devices for design reasons. At the same time, due to the periodic operation, the Sorber's heat capacity is low he wishes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 3 solved.
Der arbeitsmittelseitige Druckverlust auf dem Weg zwischen Sorptionsmittel und Kondensator bzw. Verdampfer muß wegen des dadurch bedingten Temperaturabfalles insbesondere bei Sorbersystemen, die bei niedrigen Temperaturen und Drücken mit Wasser als Arbeitsmittel arbeiten, klein sein. Ein günstiger Druckverlust wird bei gutem Wärmeübergang, dem angegebenen Sorptionsmitteldurchmesserbereich und der durchströmten Sorptionsmittelhöhe erreicht. Ferner sollen Druckverluste durch Querschnittsänderungen oder Umlenkungen vermieden werden.The pressure drop on the working medium side between the sorbent and the condenser or evaporator must in particular due to the resulting drop in temperature Sorber systems that work at low temperatures and pressures with water as the working medium work, be small. A favorable pressure loss with good heat transfer, the specified sorbent diameter range and the flow of sorbent height reached. Furthermore, pressure losses due to changes in cross-section or redirection are said to occur be avoided.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 4 und 5 gelöst.According to the invention, these objects are achieved by the characterizing features of claims 4 and 5 solved.
Der Adsorberwärmeaustauscher soll für hohe Betriebstemperaturen, die aus thermodynamischen Gründen über 230°C, vorzugsweise über 250°C liegen, geeignet sein. Auch für den praktischen Betrieb ist es vorteilhaft, wenn für den Wärmeaustauscher noch höhere Temperaturen zugelassen werden können. Zeolith verträgt beispielsweise in einigen Anwendungsfällen kurzzeitig höhere Temperaturen so, daß Aufbau und Regelung einer für höhere Temperaturen ausgelegten Anlage wirtschaftlicher gestaltet werden können. Für hohe Temperaturen geeignete mit einseitig vergrößerten Zusatzoberflächen versehene Rohre werden durch Walzen oder Ziehen aus Vollmaterial hergestellt. Weiter werden für hohe Temperaturen geeignete Rohre mit ange schweißten glatten oder unterbrochenen Rund- und Längsrippen großtechnisch hergestellt. Zusatzoberflächen mit besonders geringen Materialstärken werden mit Weichloten, die bereits bei 183°C oder höchstens 232°C schmelzen, gut wärmeleitend mit Rohren verbunden. Löttechniken, die mit über 280°C schmelzenden Weichloten oder Hartloten arbeiten, sind zwar bekannt, werden für Rundrohre aber üblicherweise nicht angewendet.The adsorber heat exchanger is designed for high operating temperatures resulting from thermodynamic Reasons above 230 ° C, preferably above 250 ° C, be suitable. Also for the practical Operation, it is advantageous if even higher temperatures are permitted for the heat exchanger can be. For example, zeolite can temporarily tolerate higher ones Temperatures such that the construction and control of a system designed for higher temperatures can be made more economical. Suitable for high temperatures with one-sided Pipes provided with enlarged additional surfaces are removed by rolling or drawing Solid material manufactured. Suitable pipes for high temperatures are also included welded smooth or interrupted round and longitudinal ribs on an industrial scale. Additional surfaces with particularly low material thicknesses are made with soft solders, which are already at Melt 183 ° C or at most 232 ° C, connected to pipes with good heat conduction. Soldering techniques, are known to work with soft solders or hard solders melting above 280 ° C usually not used for round tubes.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 6 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 6 solved.
In Ausgestaltung der Erfindung werden für den Aufbau der Sorberwärmeaustauscher vorzugsweise Rohre, die alle Bedingungen für eine axiale Strömung des Wärmeträgerfluids erfüllen, verwendet. Bei Einsatz von Flüssigkeiten als Wärmeträger ist die Lösung mit innenseitiger Strömung des Wärmeträgerfluids oft vorteilhaft. Die Lösung mit innenliegender Sorptionsmittelanordnung bietet besondere Vorteile, wenn als Wärmeträgerfluid Luft oder Rauchgase mit geringem Druck verwendet werden und damit eine einfache Ausführung des Wärmeträgerfluidraumes möglich ist. Eine Reinigung des Wärmeträgerfluidraumes ist bei dieser Anordnung möglich, wenn der Mantel des Wärmeträgerfluidraumes abnehmbar ausgeführt wird.In an embodiment of the invention are used for the construction of the Sorber heat exchanger preferably pipes that meet all the conditions for an axial flow of the heat transfer fluid meet, used. If liquids are used as heat carriers, the solution is included inside flow of the heat transfer fluid is often advantageous. The solution with an internal one Sorbent arrangement offers particular advantages when air or as a heat transfer fluid Flue gases with low pressure are used and therefore a simple execution of the Heat transfer fluid space is possible. A cleaning of the heat transfer fluid space is with this Arrangement possible if the jacket of the heat transfer fluid space is made removable.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 7 gelöst.According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 7 solved.
Bei einem zur Verschmutzung der Wärmeaustauschflächen neigenden Wärmeträgerfluid kann eine weitere Anordnung gewählt werden, die eine einfache Reinigung ermöglicht. Ein Vorzug dieser Ausführung ist, daß vom Verfahren keine Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit der mit Zusatzoberflächen versehenen Rohre gestellt werden, da diese senkrecht zur Strömungsrichtung des Wärmeträgerfluids angeordnet sind.With a heat transfer fluid that tends to contaminate the heat exchange surfaces, a Another arrangement can be selected that allows easy cleaning. An advantage of this Execution is that the method has no claims on the thermal conductivity of the Pipes provided with additional surfaces are placed, since these are perpendicular to the direction of flow of the heat transfer fluid are arranged.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 8 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 8 solved.
Der vorteilhafte Einsatz der erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher ist an keine bestimmte Schaltung der Adsorptionswärmepumpe oder -Kältemaschine gebunden, in die er eingebaut wird. Ein vorteilhafter Einsatz setzt lediglich voraus, daß die für eine Adsorptionswärmepumpe oder -Kältemaschine erforderlichen Sorberwärmeaustauscher im Gegenstrom geschaltet und betrieben werden.The advantageous use of the heat exchanger according to the invention is not specific to any one Circuit of the adsorption heat pump or chiller in which it is installed. An advantageous use only presupposes that for an adsorption heat pump or -Cooling machine required sorber heat exchanger switched and operated in counterflow will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 9 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 9 solved.
Für die Herstellung der beidseitig berippten Rohre benötigen einige Hersteller ein Innenrohr (19). Dieses Rohr kann beispielsweise mit Vorteil zur Wärmezufuhr durch kondensierenden Dampf oder durch Abkühlung von Rauchgasen oder zur Übertragung von Wärme mittlerer Temperatur als Nutzwärme gemäß Anspruch 10 verwendet werden. Some manufacturers require an inner tube ( 19 ) to manufacture the tubes with ribs on both sides. This tube can be used, for example, advantageously for supplying heat by condensing steam or by cooling flue gases or for transferring heat of medium temperature as useful heat.
In vielen Fällen steht eine begrenzte Fluidmenge pro Zeiteinheit als Wärmequelle und/oder Wärmesenke zur Verfügung. Anders ausgedrückt, die Aufgabe ist, das Fluid um einen größeren Temperaturbereich, beispielsweise mehr als 10°C abzukühlen und/oder zu erwärmen.In many cases there is a limited amount of fluid per unit of time as a heat source and / or Heat sink available. In other words, the job is to get the fluid bigger Temperature range, for example more than 10 ° C to cool and / or heat.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 11 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 11.
Die Erfindung wird an Hand folgender Fig. näher beschrieben. Dabei zeigt:The invention is described in more detail with reference to the following figures . It shows:
Fig. 1 einen aus einem Rohr bestehenden Sorberwärmeaustauscher mit innenseitiger Sorptionsmittelanordnung, Fig. 1 is a group consisting of a tube with internal side Sorberwärmeaustauscher Sorptionsmittelanordnung,
Fig. 2 einen aus einem Rohr bestehenden Sorberwärmeaustauscher mit außenseitiger Sorptionsmittelanordnung, Fig. 2 is a group consisting of a tube with exterior side Sorberwärmeaustauscher Sorptionsmittelanordnung,
Fig. 3 und Fig. 4 einen als Rohrbündelapparat ausgebildeten Sorberwärmeaustauscher, Fig. 3 and Fig. 4 shows a form of a tube bundle apparatus Sorberwärmeaustauscher,
Fig. 5 und Fig. 6 ein beidseitig mit Wellbändern versehenes Rohr, Fig. 5 and 6 on both sides provided with corrugated strips tube Fig.
Fig. 7 und Fig. 8 ein beidseitig mit Drähten versehenes Rohr, Fig. 7 and Fig. 8 a both sides provided with wires tube,
Fig. 9 und Fig. 10 einen aus senkrecht zur Rohrachse angeströmten Rohren aufgebauten Sorberwärmeaustauscher, FIGS. 9 and 10 a composed of perpendicular incident flow pipes to the pipe axis Sorberwärmeaustauscher FIG.
Fig. 11 Eine Gegenstromanordnung von Sorberwärmeaustauschern. Fig. 11 A counterflow arrangement of Sorber heat exchangers.
In Fig. 1 ist ein aus einem Rohr mit innenseitiger Sorptionsmittelanordnung bestehender Sorberwärmeaustauscher (1) schematisch dargestellt. Auf der Innenseite des beidseitig mit vergrößerten Oberflächen versehenen Rohres (11) sind als Zusatzoberflächen (12) beispielsweise Drähte angebracht, zwischen denen sich das Sorptionsmittel (13) beispielsweise als Schüttung befindet, die dampfdurchlässig durch ein Drahtgewebe, Lochblech oder ein Streckmetall (14) vom Raum in dem das Arbeitsmittel (15) strömt, getrennt ist. Wenn an Stelle der Schüttung eine Beschichtung der Sorberwärmeaustauscheroberfläche mit Sorptionsmittel vorgesehen wird, kann das Drahtsieb (14) entfallen. Auf der Außenseite des Rohres (11) strömt das Wärmeträgerfluid (16) durch die Zwischenräume der beispielsweise durch Drähte gebildeten Zusatzoberfläche (12). Der die Außenseite begrenzende Mantel (17) kann sich frei bewegen. Für den Fall, daß atmosphärische Luft oder Verbrennungsabgas als Wärmeträgermedium verwendet wird, bietet sich diese Lösung besonders an. In diesem Fall können leicht mehrere Rohre in einem Mantel (17) mit an den zur Verfügung stehenden Platz angepaßtem Mantelquerschnitt untergebracht werden. Wenn der Mantel abnehmbar ausgeführt ist, ist eine Reinigung auf der Wärmeträgerfluidseite möglich.In Fig. 1, a Sorber heat exchanger ( 1 ) consisting of a tube with an internal sorbent arrangement is shown schematically. On the inside of the tube ( 11 ) provided with enlarged surfaces on both sides, for example, wires are attached as additional surfaces ( 12 ), between which there is the sorbent ( 13 ), for example as a bed, which is vapor-permeable through a wire mesh, perforated plate or expanded metal ( 14 ) from Space in which the working fluid ( 15 ) flows is separated. If a coating of the sorber heat exchanger surface with sorbent is provided instead of the bed, the wire screen ( 14 ) can be omitted. On the outside of the tube ( 11 ), the heat transfer fluid ( 16 ) flows through the intermediate spaces of the additional surface ( 12 ) formed, for example, by wires. The jacket ( 17 ) delimiting the outside can move freely. In the event that atmospheric air or combustion exhaust gas is used as the heat transfer medium, this solution is particularly suitable. In this case, several pipes can easily be accommodated in a jacket ( 17 ) with a jacket cross section adapted to the available space. If the jacket is removable, cleaning on the heat transfer fluid side is possible.
Für den vorteilhaften Einsatz der erfindungsgemäßen Sorberwärmeaustauscher ist es dabei unabhängig von der Schaltung lediglich notwendig, daß das Wärmeträgerfluid bei Abkühlung auf Adsorberbetrieb und im Adsorberbetrieb an der einen Seite und bei der Vorwärmung zur Desorption und im Desorberbetrieb an der anderen Seite der Sorberwärmeaustauscher eintritt, wodurch sich eine kalte und eine heiße Seite ausbildet.It is here for the advantageous use of the sorber heat exchanger according to the invention regardless of the circuit only necessary that the heat transfer fluid on cooling Adsorber operation and in adsorber operation on one side and during preheating Desorption and in desorber operation on the other side of the sorber heat exchanger occurs, which creates a cold and a hot side.
Bei Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärmeträger fluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. Das Wärmeträgerfluid erwärmt sich durch fühlbare Wärme aus der Abkühlung und Adsorptionswärme beispielsweise von 20°C auf anfangs 220°C und am Ende der Adsorptionsperiode auf beispielsweise 160°C oder weniger. Bei Vorwärmung zur Desorption und im Betrieb als Desorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung. Dem aus dem Adsorber austretenden Wärmeträgerfluid wird weitere Wärme zugeführt und es tritt an der heißen Seite in den Desorber wärmeaustauscher mit einer Temperatur von beispielsweise 180°C bis 240°C ein, kühlt sich durch Abgabe von fühlbarer Wärme und Desorptionswärme an den Desorber ab und tritt an der kalten Seite mit einer Temperatur von anfangs 20°C und am Ende der Wärmeaustauschperiode beispielsweise 80°C oder wärmer aus. When cooling to the adsorber temperature and when operating as an adsorber, the heat transfer fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow in the direction of the arrow. The heat transfer fluid heats up through sensible heat from the cooling and heat of adsorption, for example from 20 ° C. to initially 220 ° C. and at the end of the adsorption period to, for example, 160 ° C. or less. When preheating for desorption and in operation as a desorber, the heat transfer fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow counter to the direction of the arrow. The heat transfer fluid emerging from the adsorber is supplied with further heat and it enters the desorber on the hot side in the heat exchanger at a temperature of, for example, 180 ° C. to 240 ° C., cools down by giving off sensible heat and desorption heat to the desorber and occurs on the cold side with a temperature of initially 20 ° C and at the end of the heat exchange period, for example 80 ° C or warmer.
Bei Betrieb mit gasförmigen Wärmeträgerfluids sind bei atmosphärischem Druck und moderatem Druckverlust Wärmedurchgangszahlen von 150 bis 350 W/(m2.K) und mehr bezogen auf die Rohraußenfläche wirtschaftlich erreichbar. Bei Betrieb mit Flüssigkeiten als Wärmeträger sind Wärmedurchgangszahlen von mehr als 400 W/(m2.K) wirtschaftlich zu erzielen. Vorzugsweise werden Rohre mit kreisrundem Querschnitt verwendet. Es können aber auch Rohre mit anderen Querschnitten, wie ovalem Querschnitt oder Rechteckquerschnitt verwendet werden, wenn keine zu hohen Druckdifferenzen zwischen Adsorptionsmittelraum und Wärmeträgerfluidraum bestehen.When operating with gaseous heat transfer fluids, heat transfer coefficients of 150 to 350 W / (m 2 .K) and more can be economically achieved with atmospheric pressure and moderate pressure loss in relation to the outer surface of the pipe. When operating with liquids as a heat transfer medium, heat transfer coefficients of more than 400 W / (m 2 .K) can be achieved economically. Tubes with a circular cross section are preferably used. However, tubes with other cross sections, such as oval cross section or rectangular cross section, can also be used if there are no excessive pressure differences between the adsorbent space and the heat transfer fluid space.
In Fig. 2 ist ein aus einem Rohr mit außenseitiger Sorptionsmittelanordnung bestehender Sorberwärmeaustauscher (1) schematisch dargestellt. In diesem Fall ist das Sorptionsmittel (13) auf der Außenseite des beidseitig mit vergrößerten Oberflächen (12) versehenen Rohres (11) zwischen Drähten untergebracht. Die Schüttung wird durch ein Drahtgewebe, Lochblech oder Streckmetall (14) vom Dampfraum (15) getrennt. Wenn an Stelle der Schüttung eine Beschichtung der Sorberwärmeaustauscheroberfläche mit Sorptionsmittel vorgesehen wird, kann das Drahtsieb (14) entfallen. Der die Außenseite begrenzende Mantel (17) ist gasdicht mit dem Innenrohr (11) verbunden. Zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung kann er mit Dehnungsausgleich ausgebildet sein. Auf der Innenseite des Rohres (11) strömt das Wärmeträgerfluid (16) durch die beispielsweise durch Drähte vergrößerte Oberfläche (12). Das Innenrohr (19) ist aus Herstellungsgründen vorgesehen, kann aber als zusätzliche Oberfläche für den Wärmeaustausch, beispielsweise eine Beheizung mit Dampf oder Abkühlung von Verbrennungsgasen bei indirekter Beheizung des Wärmeträgerfluidkreislaufes verwendet werden. Bei Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. Im Betrieb als Desorber und bei Vorwärmung zur Desorption strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung.In Fig. 2, a Sorber heat exchanger ( 1 ) consisting of a tube with an outside sorbent arrangement is shown schematically. In this case, the sorbent ( 13 ) is housed on the outside of the tube ( 11 ) provided with enlarged surfaces ( 12 ) on both sides between wires. The bed is separated from the steam space ( 15 ) by a wire mesh, perforated plate or expanded metal ( 14 ). If a coating of the sorber heat exchanger surface with sorbent is provided instead of the bed, the wire screen ( 14 ) can be omitted. The jacket ( 17 ) delimiting the outside is connected to the inner tube ( 11 ) in a gas-tight manner. To compensate for the different thermal expansion, it can be designed with expansion compensation. On the inside of the tube ( 11 ), the heat transfer fluid ( 16 ) flows through the surface ( 12 ), for example enlarged by wires. The inner tube ( 19 ) is provided for manufacturing reasons, but can be used as an additional surface for heat exchange, for example heating with steam or cooling of combustion gases with indirect heating of the heat transfer fluid circuit. When cooling to the adsorber temperature and when operating as an adsorber, the heat transfer fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow in the direction of the arrow. When operating as a desorber and when preheating for desorption, the heat transfer fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow counter to the direction of the arrow.
Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu Fig. 1.Further details correspond to the explanations for FIG. 1.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein aus mehreren parallelen Rohren aufgebauter Sorberwärmeaustauscher (1) dargestellt. Er besteht aus den Rohren (11) mit beidseitig vergrößerter Oberfläche (12), der Sorptionsmittelfüllung (13), dem Drahtsieb, Lochblech oder Streckmetall (14) und dem Mantel (17). Das Rohr (19) ist nicht gezeichnet. Diese Anordnung ist für große Apparate wirtschaftlich, bei denen das Sorptionsmittel auf der Außenseite der Rohre angeordnet ist.In Fig. 3 and Fig. 4 a built-up of several parallel tubes Sorberwärmeaustauscher (1) is shown. It consists of the tubes ( 11 ) with an enlarged surface ( 12 ) on both sides, the sorbent filling ( 13 ), the wire screen, perforated plate or expanded metal ( 14 ) and the jacket ( 17 ). The tube ( 19 ) is not drawn. This arrangement is economical for large apparatuses in which the sorbent is located on the outside of the tubes.
Bei entsprechender Gestaltung des Apparates kann das Sorptionsmittel (13) auch auf der Innenseite der Rohre (11) untergebracht werden. Insbesondere bei Verwendung eines unter Normaldruck stehenden gasförmigen Wärmeträgerfluids ist eine Anordnung des Sorptionsmittels (13) auch auf der Innenseite der Rohre (11) sinnvoll, weil dann das Wärmeträgerfluid auf der druckmäßig unproblematischen Seite geführt werden kann.With an appropriate design of the apparatus, the sorbent ( 13 ) can also be accommodated on the inside of the tubes ( 11 ). In particular when using a gaseous heat transfer fluid under normal pressure, an arrangement of the sorbent ( 13 ) on the inside of the tubes ( 11 ) is also useful, because then the heat transfer fluid can be guided on the pressure-unproblematic side.
Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu Fig. 1 und 2.Further details correspond to the explanations for FIGS. 1 and 2.
In Fig. 5 und Fig. 6 wird ein mit beidseitig angeordneten Zusatzoberflächen versehenes Rohr (11) gezeigt. Als Zusatzoberflächen sind außen und innen Wellbänder (31) von beispielsweise 5 mm Breite beispielsweise aus Kupfer, Messing oder Stahl mit dem Rohr (11) durch Löten oder Anpressen gut wärmeleitend verbunden. Dadurch können die Austauschflächen auf das ca. 3- bis 20fache der Rohraußenfläche vergrößert werden. Das Innenrohr (19) ist aus Fertigungsgründen erforderlich. Dieses Rohr ist besonders für eine axiale Durchströmung geeignet. Eine radiale Durchströmung durch die Sorptionsmittelschicht ist möglich. Insbesondere wenn das Sorptions mittel als Beschichtung aufgebracht wird, sind auf der Sorptionsmittelseite andere vergrößerte Oberflächen, wie Querrippen, beispielsweise Rundrippen oder schraubenförmig aufgebrachte Rippen oder Längsrippen, die vorzugsweise in axialer Richtung unterbrochen sind, vorteilhaft. In Fig. 5 and Fig. 6 is a provided with surfaces arranged on both sides additional tube (11) is shown. As additional surfaces, corrugated strips ( 31 ) of, for example, 5 mm width, for example made of copper, brass or steel, are connected to the tube ( 11 ) by soldering or pressing with good thermal conductivity on the outside and inside. As a result, the exchange areas can be enlarged to approx. 3 to 20 times the outer pipe area. The inner tube ( 19 ) is required for manufacturing reasons. This tube is particularly suitable for axial flow. A radial flow through the sorbent layer is possible. Particularly when the sorbent is applied as a coating, other enlarged surfaces, such as transverse ribs, for example round ribs or helically applied ribs or longitudinal ribs, which are preferably interrupted in the axial direction, are advantageous on the sorbent side.
In Fig. 7 und Fig. 8 wird ein mit beidseitig angeordneten Zusatzoberflächen versehenes Rohr (11) gezeigt, an welchem als Zusatzoberflächen außen und innen Drähte (32) vorzugsweise aus Kupfer angelötet sind. Dadurch können die Austauschflächen ebenfalls auf das ca. 3-20fache der Rohraußenfläche vergrößert werden. Als Innenrohr ist als Beispiel ein für Arbeitsmitteldampf durchlässiges Rohr aus Drahtgewebe, Lochblech oder Streckmetall (14) vorgesehen. Dieses Rohr eignet sich gleich gut für eine axiale wie für eine radiale Durchströmung. Auch bei diesem Rohr können innen und außen unterschiedliche Zusatzoberflächen angebracht werden.In Fig. 7 and Fig. 8 is a provided with surfaces arranged on both sides additional tube (11) is shown, on which surfaces as additional wires (32) are outside and inside soldered preferably made of copper. As a result, the exchange surfaces can also be enlarged to approx. 3-20 times the outer surface of the pipe. As an example, a tube made of wire mesh, perforated sheet metal or expanded metal ( 14 ) which is permeable to working fluid vapor is provided as the inner tube. This tube is equally suitable for an axial as for a radial flow. With this tube, different additional surfaces can be attached inside and outside.
In Fig. 9 und Fig. 10 ist ein aus senkrecht zur Rohrachse angeströmten Rohren aufgebauter Sorberwärmeaustauscher gezeigt. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß keine Ansprüche an die Wärmeleitfähigkeit der Rohre (11) gestellt werden. Das Sammelrohr (22) muß eine geringe Wärmeleitung in der Strömungsachse des Wärmeträgerfluids haben, was durch geringe Wandstärke und Wahl eines Materiales mit geringer Wärmeleitfähigkeit, wie Messing, Kupfer-Nickelleglerungen, Stahl oder insbesondere Chrom-Nickelstahl, erreicht wird. Wenn man den Mantel (17) demontierbar ausführt, können die Rohre wärmeträgerfluidseitig leicht gereinigt werden. Weiter ist der Apparat (5), der als Kondensator und anschließend als Verdampfer genutzt wird, eingezeichnet. Auf der Außenseite der Rohre (11) strömt das Wärmeträgerfluid an den Zusatzflächen (12) vorbei, die geringen Strömungswiderstand und guten Wärmeübergang bei Anströmung senkrecht zur Rohrachse erreichen, wie spiralförmig aufgewickelte Rippen, Rundrippen oder rechteckige Rippen. Auf der Innenseite der Rohre ist das Sorptionsmittel (13) an oder zwischen der Zusatzoberfläche (12) untergebracht. Die Rohre sind mit dem Sammelrohr (22) verbunden. In Fig. 6 ist der Apparat (5) direkt mit dem Sammelrohr 22 verbunden. Eine direkte Verbindung mit dem Sammelrohr hat den Vorteil eines geringeren Druckverlustes des Arbeitsmittels (18). In Fig. 9 and Fig. 10 is a constructed of vertically flows to the tube axis Sorberwärmeaustauscher pipes is shown. This structure has the advantage that no demands are made on the thermal conductivity of the tubes ( 11 ). The manifold ( 22 ) must have a low heat conduction in the flow axis of the heat transfer fluid, which is achieved by low wall thickness and choice of a material with low thermal conductivity, such as brass, copper-nickel control, steel or in particular chrome-nickel steel. If the jacket ( 17 ) is designed to be removable, the tubes can be easily cleaned on the heat transfer fluid side. The apparatus ( 5 ), which is used as a condenser and subsequently as an evaporator, is also shown. On the outside of the tubes ( 11 ), the heat transfer fluid flows past the additional surfaces ( 12 ), which achieve low flow resistance and good heat transfer when flowing perpendicular to the tube axis, such as spirally wound fins, round fins or rectangular fins. On the inside of the tubes, the sorbent ( 13 ) is housed on or between the additional surface ( 12 ). The tubes are connected to the header tube ( 22 ). In Fig. 6, the apparatus ( 5 ) is connected directly to the manifold 22 . A direct connection to the collecting pipe has the advantage of a lower pressure loss of the working medium ( 18 ).
Eine Zuordnung vom jeweiligen Adsorber zum Verdampfer und vom jeweiligen Desorber zum Kondensator ist bei Einbau entsprechender Umschaltarmaturen ebenfalls möglich.An assignment from the respective adsorber to the evaporator and from the respective desorber to Capacitor is also possible if appropriate switch fittings are installed.
Bei der Abkühlung auf Adsorbertemperatur und im Betrieb als Adsorber strömt das Wärme trägerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) in Pfeilrichtung. In dieser Phase ist der Apparat (5) mit einer Wärmequelle verbunden und verdampft Arbeitsmittel, welches im Adsorber adsorbiert wird. Bei der Vorwärmung zur Desorption und im Betrieb als Desorber strömt das Wärmeträgerfluid (16) und der Arbeitsmitteldampf (18) entgegen der Pfeilrichtung. In dieser Phase ist der Apparat (5) mit einer Wärmesenke verbunden und kondensiert das aus dem Desorber desorbierte Arbeitsmittel.When cooling to adsorber temperature and in operation as an adsorber, the heat carrier fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow in the direction of the arrow. In this phase, the apparatus ( 5 ) is connected to a heat source and evaporates the working fluid, which is adsorbed in the adsorber. During preheating for desorption and in operation as a desorber, the heat transfer fluid ( 16 ) and the working fluid vapor ( 18 ) flow against the direction of the arrow. In this phase, the apparatus ( 5 ) is connected to a heat sink and condenses the working medium desorbed from the desorber.
Weitere Einzelheiten entsprechen den Erläuterungen zu Fig. 1.Further details correspond to the explanations for FIG. 1.
In Fig. 11 ist eine Gegenstromanordnung von Sorberwärmeaustauschern in einer Sorptionswärmepumpe- oder Kältemaschine gezeigt. Bei Aufwärmung und/oder Abkühlung eines Stoffstromes um eine größere Temperaturdifferenz hat diese Anordnung den Vorteil, daß der Temperaturhub in 2 Stufen erfolgt und Antriebsenergie gespart wird. Der zusätzliche apparative Aufwand ist gering, da die Adsorberwärmeaustauscher ohnehin aus mehreren Elementen bestehen und wärmeträgerfluidseitig in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden können. Es sind 4 Sorberwärmeaustauscher (101, 102, 103, 104), eine Vierwegearmatur (56), eine Fördereinrichtung für Wärmeträgerfluid (55), eine Wärmeaustauschvorrichtung für mittlere Temperatur (57) und eine Wärmeaustauschvorrichtung für hohe Temperatur (58) vorgesehen. Die Apparate (53) und (54) können wie in Fig. 11 gezeigt, bei entsprechender Apparateausführung und leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmequelle (62) als Verdampfer und bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmesenke (61) als Kondensator betrieben werden. Bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmesenke (61) können die Apparate (51) und (52) als Kondensatoren und bei leitungsmäßiger Zuordnung zur Wärmequelle (62) als Verdampfer betrieben werden. FIG. 11 shows a counterflow arrangement of sorber heat exchangers in a sorption heat pump or refrigeration machine. If a material flow is warmed up and / or cooled down by a greater temperature difference, this arrangement has the advantage that the temperature rise takes place in two stages and drive energy is saved. The additional outlay on equipment is low, since the adsorber heat exchanger consists of several elements anyway and can be accommodated in a common housing on the heat transfer fluid side. There are 4 sorber heat exchangers ( 101 , 102 , 103 , 104 ), a four-way valve ( 56 ), a conveyor for heat transfer fluid ( 55 ), a heat exchange device for medium temperature ( 57 ) and a heat exchange device for high temperature ( 58 ). The apparatuses ( 53 ) and ( 54 ) can, as shown in FIG. 11, be operated as an evaporator if the apparatus is designed appropriately and assigned in line with the heat source ( 62 ) and as a condenser when assigned to the heat sink ( 61 ) in line. If the cables are assigned to the heat sink ( 61 ), the apparatus ( 51 ) and ( 52 ) can be operated as condensers and if they are assigned to the heat source ( 62 ) as an evaporator.
Im Betrieb wird kaltes Wärmeträgerfluid mit der Fördereinrichtung (55) über die 4-Wegearmatur (56) durch die wärmeträgerfluidseitig parallel geschalteten Adsorber (103) und (104) gefördert, in denen es sich erwärmt wobei sich die Sorber abkühlen. Die Sorber (103) und (104) adsorbieren Arbeitsmittel, welches in den als Verdampfer arbeitenden Apparaten (53) und (54) verdampft wurde. In der Wärmeaustauscheinrichtung (58) wird das Wärmeträgerfluid durch indirekten Wärmeaustausch oder durch direkte Mischung mit einem heißen Wärmestrom weiter erwärmt und kühlt sich in den Desorbern (101) und (102) ab, wobei sich die Desorber erwärmen und Arbeitsmittel desorbieren, welches in den Apparaten (51) und (52), die als Kondensatoren arbeiten, kondensiert wird. Das Wärmeträgerfluid gelangt über die 4-Wegearmatur (56) in die Wärmeaustauscheinrichtung (57) in der es durch Nutzwärmeabgabe weiter abgekühlt wird und gelangt wieder zur Fördereinrichtung (55). Wenn als Wärmeträgerfluid atmosphärische Luft verwendet wird, kann das Wärmeträgerfluid direkt in die Atmosphäre geleitet werden. Die Fördereinrichtung (55) saugt dann direkt Luft an. Die Wärmeaustauscheinrichtung (57) kann dann entfallen. Nach Beladung der Adsorbers (103) und (104) und Desorption der Desorber (101) und (102) wird die Förderrichtung des Wärmeträgerfluids mit der 4-Wegearmatur (56) umgeschaltet. Dadurch werden die bisherigen Adsorber zu Desorbern und die bisherigen Verdampfer zu Kondensatoren und umgekehrt. Etwa gleichzeitig wird das Medium der Wärmesenke (61), welches in den Apparaten (51) und (52) Kondensationswärme aufnahm durch die neuen Kondensatoren (53) und (54) und das Medium der Wärmequelle (62), welches in den Apparaten (53) und (54) Wärme abgab durch die neuen Verdampfer (51) und (52) geför dert.In operation, cold heat transfer fluid is conveyed with the conveying device ( 55 ) via the 4-way valve ( 56 ) through the adsorbers ( 103 ) and ( 104 ) connected in parallel on the heat transfer fluid side, in which it heats up and the sorbers cool down. The sorbers ( 103 ) and ( 104 ) adsorb working medium which has been evaporated in the apparatus ( 53 ) and ( 54 ) working as an evaporator. In the heat exchange device ( 58 ), the heat transfer fluid is further heated by indirect heat exchange or by direct mixing with a hot heat flow and cools down in the desorbers ( 101 ) and ( 102 ), the desorbers heating up and desorbing working fluid which is in the apparatus ( 51 ) and ( 52 ), which work as capacitors, is condensed. The heat transfer fluid passes through the 4-way fitting ( 56 ) into the heat exchange device ( 57 ), in which it is cooled further by the release of useful heat and returns to the delivery device ( 55 ). If atmospheric air is used as the heat transfer fluid, the heat transfer fluid can be conducted directly into the atmosphere. The conveyor ( 55 ) then sucks air directly. The heat exchange device ( 57 ) can then be omitted. After loading the adsorbers ( 103 ) and ( 104 ) and desorption of the desorbers ( 101 ) and ( 102 ), the direction of delivery of the heat transfer fluid is switched with the 4-way valve ( 56 ). This turns the previous adsorbers into desorbers and the previous evaporators into condensers and vice versa. Approximately at the same time, the medium of the heat sink ( 61 ), which absorbed heat of condensation in the apparatus ( 51 ) and ( 52 ) by the new condensers ( 53 ) and ( 54 ) and the medium of the heat source ( 62 ), which in the apparatus ( 53 ) and ( 54 ) emitted heat by the new evaporators ( 51 ) and ( 52 ) promoted.
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