DE19823621A1 - Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage zur Klimatisierung von Fahrzeugen. Die Antriebsenergie der Klimaanlage wird hauptsächlich dem Abgas der Kolbenmotoren entzogen. Der Klimaanlage kann ein Katalysator vorgeschaltet werden.
Als Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge werden heutzutage Kompressionskälteanlagen angeboten. Diese werden durch mechanische Arbeit des Kolbenmotors angetrieben. Dadurch führt der Einsatz von Kompressionskälteanlagen für die Klimatisierung von Fahrzeuginnenräumen zu einem erheblichen Mehrverbrauch an Motorkraftstoff.
Die einzigen nennenswerten Exergieströme, die heutzutage bei Kraftfahrzeugen anfallen und nicht weiter genutzt werden sind der Wärmestrom im Abgas und der Wärmestrom zur Motorkühlung. Diese Wärmeströme können prinzipiell durch die Nutzung von thermisch angetriebenen Wärmepumpen zur Klimatisierung genutzt werden. Dabei sind als mögliche Konzepte im wesentlichen Absorptions- und Adsorptionsanlagen zu nennen.
Gegenstand des Patentes ist eine Adsorptionswärmepumpe die mit dem Wärmestrom Abgas betrieben wird. Typischerweise werden Adsorptionswärmepumpen in Mehrbehälterausführung verwendet. Bei diesen Mehrbehälterausführungen sind Adsorber/Desorber, Verdampfer und Kondensator in unterschiedlichen Behältern untergebracht, die mit Leitungen und geregelten Ventilen oder selbsttätigen Rückschlagklappen arbeiten. Dieses führt zu sehr vielen Dichtstellen und erheblichen Druckverlusten während des Prozesses. Ein weiteres Konzept ist, die Komponenten einer Adsorptionsanlage in einem Behälter unterzubringen. Dieses Konzept ist ebenfalls bekannt, es wird in der Anwendung zur Wohnraumbeheizung erforscht. Heutige Anlagen sind jedoch erheblich zu groß und für den Kfz Bereich nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Exergiestrom Abgas zu nutzen, um den Fahrgastinnenraum zu klimatisieren. Diese Aufgabe wird durch eine kompakt aufgebaute, variabel einsetzbare Adsorptionswärmepumpe mit dem Stoffsystem Zeolith-Wasser realisiert.
Basierend auf dem Konzept der Einbehälter-Adsorptionsanlage ist die Erfindung eine kompakte Adsorptionsanlage zur Kfz Klimatisierung. Sie wird im wesentlichen durch den Wärmestrom des Abgases des Kolbenmotors angetrieben und führt deshalb beim Betrieb nicht zu einem nennenswerten Mehrverbrauch an Motorkraftstoff. Sie ist so kompakt und variabel, daß sie einfach in den Abgasweg eingeordnet werden kann. Sie ist modular aufgebaut. Ein Modul besitzt nur zwei Wärmeaustauscherflächen. Ein Modul besteht nur aus einem hermetisch dichten, evakuierten Behälter. In einem Modul wird auf störungsanfällige bewegte Teile verzichtet. Die Hochtemperaturwärme wird direkt, ohne Zwischenwärmeträger, dem Abgas entnommen. Die Niedertemperaturwärme kann direkt, ohne Zwischenwärmeträger, der Fahrgastinnenluft entzogen werden. Die Anlage arbeitet geräuscharm. Sie ist einfach regelbar. Das komplette Modul besteht nur aus ungiftigen Bestandteilen, so daß eine Entsorgung gefahrlos und einfach möglich ist. Außerdem besteht Unterdruck in der Behälterkammer des/der Moduls/e, so daß auch bei einem Unfall keine Gefährdung von der Klimaanlage ausgeht. Es wird nicht auf den eigentlichen Motorprozeß eingegriffen, so daß die Klimaanlage einfach an bestehende Fahrzeuge angepaßt oder nachgerüstet werden kann. Durch den Einsatz unterschiedlich vieler Module für unterschiedliche Kühlleistungen kann eine kostengünstige Fertigung erreicht werden.
Beispielbeschreibung einer Patentanmeldung
Ein Ausführungsbeispiel eines Moduls ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses Modul besteht im wesentlichen aus einem hermetisch verschlossenen Behälter (1). Am unteren Teil des Moduls verläuft ein Strömungskanal für Umgebungsluft und Raumluft (2), am oberen Teil des Moduls ein Strömungskanal für Umgebungsluft und Abgas (3). Im unteren Teil von Fig. 1 ist ein Schnitt des Moduls dargestellt. Der Teil des Behälters (1), der mit dem Strömungskanal für Abgas/Umgebungsluft (3) in Verbindung steht, ist mit Zeolith (4) bedeckt.
Nach der Fertigung des Moduls wird der Behälter (1) evakuiert und mit Wasser gefüllt. Dabei beträgt das Gewicht des Wassers ca. 10% bis 60% des Gewichts des Zeolithes.
In einem Prozeßschritt 1 wird das heiße Abgas durch den Strömungskanal für Abgas/Umgebungsluft (3) geführt. Während dieser Zeit wird Umgebungsluft durch den Kanal für Umgebungsluft/Raumluft (2) geleitet. Durch Abkühlung des heißen Abgases wird Wasser aus dem Zeolithen desorbiert. Dieses Wasser wird durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft im Bereich des Kanals für Umgebungsluft/Raumluft (2) kondensiert.
Das Ende des Prozeßschrittes 1 ist erreicht, wenn der Zeolith nahezu vollständig desorbiert und von Wasser befreit ist. Dann wird das Abgas umgeschaltet und am Modul vorbeigelenkt. Der Prozeßschritt 2 beginnt. Umgebungsluft wird durch den Strömungskanal Abgas/Umgebungsluft (3) geführt. Die abzukühlende Luft für den Fahrzeuginnenraum wird durch den Kanal für Umgebungsluft/Raumluft (2) geleitet. Durch Aufwärmen der Umgebungsluft wird der Zeolith unter den Gleichgewichtszustand abgekühlt und beginnt wieder, Wasser zu adsorbieren. Dadurch sinkt der Druck in dem Behälter und das am Behälterboden kondensierte Wasser wird durch Abkühlung der Raumluft verdampft. Dies geschieht so lange, bis das Wasser vollständig verdampft ist.
Dann wird das Abgas wieder umgeschaltet und der Prozeßschritt 1 kann erneut beginnen. Das Abgas heizt den Zeolithen (4) oberhalb des Gleichgewichtszustandes auf und erneut wird Wasser desorbiert.
Zur Verbesserung und Vergleichmäßigung der Wärmeauskopplung aus der Luft für den Fahrzeuginnenraum werden vorzugsweise mehrere Einzelmodule zu einer Klimaanlage zusammengeschaltet. In Fig. 2 ist eine solche Anordnung für zwei Module (13) dargestellt. Zweckmäßigerweise wird die Einheit nach dem Katalysator (8) angeordnet. Eine Schalteinheit (9) stellt gleichzeitig den Abgasstrom (5) den Raumluftstrom (6) und den Umgebungsluftstrom (7) um. Es ist weiterhin gut möglich, noch mehr Module zusammenzuschalten. Dadurch kann einerseits die im Abgasstrom enthaltende Exergie besser genutzt werden, andererseits kann die Wärmeauskopplung aus der Luft für den zu klimatisierenden Innenraum deutlich vergleichmäßigt werden.
Wesentlich bei der Konzeption der Anlage ist, daß die Hochtemperaturwärme, die Antriebswärme des Prozesses direkt dem Abgas entzogen werden kann. Auch für den zu klimatisierenden Luftstrom kann auf einen Zwischenwärmeübertrager verzichtet werden. Hier kann zur Vergleichmäßigung der auszukoppelnden Wärmemenge allerdings ein Zwischenwärmeübertrager eingesetzt werden. Die Abwärme bei der Kondensation und bei der Adsorption auf mittlerem Temperaturniveau wird direkt der Umgebung zugeführt. Durch das Fehlen von Zwischenwärmeübertragern werden die Irreversibilitäten des Prozesses minimiert.
Zur Realisierung einer Klimaanlage für den Kfz-Bereich ist es notwendig, die wärmeübertragende Fläche kompakt zu gestalten. Dies ist hierbei besonders wichtig bei der mit Zeolith bedeckten Fläche. Eine Möglichkeit dies zu tun ist in Fig. 1 angedeutet. Hierbei ist die mit Zeolith bedeckte wärmeübertragende Wand (10) in viele Falten geformt. Dies erhöht die angebotene Fläche, ohne den Bauraum deutlich zu vergrößern. Außerdem kann hierdurch der Wärmeübergang vom Abgas an die Behälterwand verbessert werden. Es sind hier auch andere Lösungen denkbar, wie z. B. eine berippte Fläche. Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei strömt das Abgas nicht mehr durch einen Kanal, sondern durch mehrere Einzelrohre (11). Diese Rohre sind mit Zeolith (4) beschichtet. Diese Rohren können als Rippenrohre ausgeführt werden. Auch ist die Lage der zeolithbedeckten Fläche innerhalb der Anlage variabel. Dies ist beispielhaft in Fig. 4 angedeutet. Auch die Fläche, auf der das kondensierte Wasser gespeichert ist, kann in berippter Form ausgeführt werden. Diese Rippen können so ausgeführt werden, daß bei einer leichten Schräglage des Fahrzeugs das flüssige Wasser nicht in einer Ecke des Behälters zusammenläuft. Die Lage dieser Fläche auf der das flüssige Wasser kondensiert und bis zur Verdampfung gespeichert wird, ist vorzugsweise im unteren Teil des Behälters angeordnet. Zur Verbesserung des inneren Prozesses des Moduls sollte der Strahlungswärmeaustausch zwischen Verdampfer/Kondensator und Desorber/Adsorber minimiert werden. Dies kann durch ein einfaches Stahlungsschutzblech (12) realisiert werden.

Claims (12)

1. Eine Klimaanlage für mit Kolbenmotoren angetriebene Fahrzeuge, die hauptsächlich mit der Hochtemperaturwärme des Abgases angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Adsorptionswärmepumpe benutzt wird, bei denen Adsorber/Desorber und Kondensator/Verdampfer in einem Behälter untergebracht sind und die ohne geregelte Ventile und Rückschlagklappen auskommt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffsystem Zeolith-Wasser verwendet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Strömungskanäle gibt, die abwechselnd mit Abgas und Umgebungsluft oder mit Umgebungsluft und zu klimatisierender Luft beaufschlagt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber/Desorber mit Zeolith bedeckt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Desorber direkt ohne einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager vom Abgas beheizt werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer direkt ohne einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager mit dem zu kühlenden Luftstrom in Wärmeaustausch steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer mit einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager mit dem zu kühlenden Luftstrom in Wärmeaustausch steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und der Adsorber direkt ohne einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager mit der Umgebungsluft in Wärmeaustausch steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlage bestehend aus mehreren Modulen realisiert werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Anlage Strahlungsschutz integriert werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Schalteinheit die wärmeaustauschenden Fluidströme gleichzeitig umgeschaltet werden können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verdampfers/Kondensators mit Rippen versehen ist, so daß auch bei einer leichten Schräglage der Anlage das kondensierte Wasser nicht in einer Ecke des/der Moduls/e zusammen läuft.
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