DE3049967C1

DE3049967C1 - Sorptions-Kaelte-Apparat sowie Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE3049967C1
Application number: DE3049967A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schilling
Original assignee: OERTLI AG
Current assignee: OERTLI AG
Priority date: 1979-10-25
Filing date: 1980-10-24
Publication date: 1987-01-29
Also published as: CA1124094A; IT8012694A0; ES8207330A1; JPH0113023B2; WO1981001193A1; DE3049967D2; ES496680A0; US4470268A; JPS56501495A; FR2468085B1; FR2468085A1; IT1212399B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Sorptions-Kälte-Apparates nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Sorptions-Kälte-Apparat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Als "hygroskopisch" werden alle Stoffe oder Stoffsysteme angesehen, die eine Sorption eines an- oder organischen Sorbates bewirken, wobei der Dampfdruck des Stoffes oder Stoffsystems merklich vom Sattdampfdruck des Sorbates abweicht (siehe hierzu O. Krischer, Trocknungstechnik 1978, Seite 54).

Sorptions-Kältemaschinen in ihren vielfältigen Ausführungsformen sind sowohl für Industrieanlagen als auch für Haushaltsgeräte seit langem bekannt und technisch ausgereift (siehe Rudolf Plank, Handbuch der Kältetechnik, Band VII, 1959 und "Die Kleinkältemaschine" von R. Plank und J. Kuprianoff, 1948).

In jüngster Zeit wird nun an der Entwicklung von Sorptions-Kältemaschinen in der Anwendung als Wärmepumpen gearbeitet, wie z. B. die publizierte Neuentwicklung der DFVLR zeigt (Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt). - Siehe Öl- und Gasfeuerung, Heft 12/1978. -

Hierbei handelt es sich um eine klassische Absorptions- Kältemaschine mit flüssigen Stoffpaaren, wobei der Austreiber (Kocher) von einem Gas- bzw. Ölbrenner direkt befeuert wird und die Restwärme der Abgase sowie die Wärme der Umgebung als Sekundärenergie dem Verdampfer zugeführt und damit nutzbar gemacht wird.

Weiterhin sind periodisch arbeitende Sorptions-Kältemaschinen mit festen Sorptionsmitteln, wie z. B. Eisen- oder Kalziumchlorid und Ammoniak oder Methylamin als Sorbat bekannt, die ebenfalls in Wärmepumpenschaltung betrieben werden könnten.

Bei der technischen Verwirklichung der genannten Wärmepumpensysteme ergeben sich in der Praxis Schwierigkeiten, die u. a. beispielsweise durch den hohen apparativen Aufwand und dessen schwierige Herstellung sowie durch die Eigenschaften der Stoffsysteme, wie schlechte Wärmeleitfähigkeit, ungünstige Dampfdruckbereiche, erhebliches Quellen und die damit verbundenen Quelldrücke gegeben sind.

Ein weiterer entscheidender Nachteil ist die ungünstige Zugänglichkeit zu einer Serienfabrikation von Leistungseinheiten im kW-Bereich.

So sind zur Beseitigung dieser Nachteile erfolgversprechende Elemente zur Wärmespeicherung, die nach dem Prinzip der Sorptions-Kältemaschine arbeiten, vorgeschlagen worden (CH-PS 6 09 140). Hierbei handelt es sich um Speicherelemente für ein Sorptions-Wärmespeichersystem, welches einen Feststoff als Sorptionsmittel und einen Sammler für das aus dem Sorptionsmittel ausgetriebene Sorbat enthält. Das Sorptionsmittel und der Sammler sind in einem geschlossenen, rohrförmigen Gehäuse angeordnet und durch einen Zwischenraum voneinander getrennt.

Derartige Elemente haben den Vorteil, daß sie als kleine Produktionseinheiten einer rationellen Serienfertigung gut zugänglich sind und je nach Bedarf zu größeren Leistungseinheiten zusammengestellt werden können. Speicherelemente dieser Art, als Sorptions-Wärmepumpe geschaltet und betrieben, weisen den Nachteil auf, daß sie nur eine diskontinuierliche Arbeitsweise zulassen.

In der DE-OS 27 20 561 ist ein Sorptions-Kälte-Apparat mit den Merkmalen der eingangs genannten Art beschrieben, der eine gesinterte Zeolithtrennwand aufweist, die auf einer Seite mit relativ kühlem Gas und auf der anderen Seite mit dem unter hohen Druck und hoher Temperatur stehenden Arbeitsgas in Verbindung steht. Der Stofftransport erfolgt durch diese Trennwand unter Wirkung des Temperaturgradienten und eines Druckgefälles zwischen den beiden Gasvolumen.

Es ist ferner aus der US-PS 41 65 952 ein Sorptions- Kälte-Apparat bekannt, bei dem der Kältemitteldampf in der adsorbierten Phase durch eine mikroporöse Trennwand von einem niedrigen Kältemitteldampf- Partialdruck auf einen höheren Partialdruck "gepumpt" und transportiert wird. Ausgelöst und aufrechterhalten wird dieser Stofftransport durch die Differenz der Temperaturen an den beiden Oberflächen der Trennwand. Die Nutzung des bekannten Apparats erfolgt im Bereich sehr kleiner Porenradien und beschränkt sich auf den Einsatz mikroporöser Trennwandmaterialien wie z. B. Silica-Gel, Zeolithe usw. Luft wird als Hilfsgas für den Druckausgleich verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von diesem Stand der Technik ein Verfahren zum Betreiben insbesondere eines kontinuierlich betreibbaren Sorptions- Kälteapparates sowie einen derartigen Sorptions-Kälteapparat zu schaffen, womit der beschriebene Nachteil der diskontinuierlichen Betriebsweise beseitigt und ein konstruktiv möglichst einfaches Kälte-Aggregat mit allen Vorzügen einer statischen Kältemaschine geschaffen wird, das ohne den Einsatz von Hilfsgas betreibbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Erfindung ist ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Sorptions-Kälte-Apparats geschaffen worden, bei dem zwischen dem Austreiber und dem Absorber mit in einer Trennwand angeordneten, eine Absorptionsflüssigkeit aufweisende Kapillaren Kapillardrücke erzeugt werden, die größer sind, als die Differenz der beiden Arbeitsdrücke zwischen dem Austreiber und dem Absorber beträgt. Dabei kann in an sich bekannter Weise der Apparat auf der Austreiberseite direkt befeuert, die Absorber- und Kondensatorseite in den Heizkreislauf gelegt und die Verdampferseite von Abgas beaufschlagt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Sorptions-Kälte-Apparat kann makroporöses Trägermaterial mit Porenradien <1 µm verwendet werden, wobei die Poren mit einer hygroskopischen Flüssigkeit gefüllt sind. Das Kältemittel wird von der hygroskopischen Flüssigkeit absorbiert und in der flüssigen Phase durch die Trennwand transportiert. Die Flüssigkeit in den Poren dient gleichzeitig als Sperrflüssigkeit gegen den Druckausgleich zwischen dem Arbeitsdruck auf der Absorber- und dem auf der Desorberseite der Trennwand. Dies ermöglicht es, den Kälteapparat ohne Hilfsgas - also mit reinem Kältemitteldampf - zu betreiben.

Des weiteren kann die Kapillarstruktur nach Erfordernissen der Festigkeit und der Beständigkeit gegen aggressive Medien frei gewählt werden, ohne Rücksicht auf ihre hygroskopischen Eigenschaften. Diese werden durch die Wahl entsprechender Mehrstoff-Lösungen als Porenflüssigkeit, wie z. B. LiBr-ZnBr₂-CH₄O oder LiBR-H₂O, bestimmt. Es lassen sich hieraus jeweils Trennwand-Systeme erstellen und damit eine optimale Anpassung an den Arbeitsprozeß erzielen.

Der erfindungsgemäße Sorptions-Kälte-Apparat eignet sich zum Kühlen und zum Heizen mittels Sonnenwärme derart, daß Hochtemperatur-Kollektorwärme zum Austreiben und Niedertemperaturwärme aus der Umgebung zum Verdampfen verwendet werden. Eine weitere vorteilhafte Verwendung erfolgt zur Abkühlung an Gasheizkesseln.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine rein schematische Darstellung eines Sorptions-Wärmepumpen-Moduls mit dem Austreiber/ Absorberbehälter im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt aus der den Austreiberraum vom Absorberraum trennenden hygroskopischen Trennwand, mit der Darstellung einer Kapillare,

Fig. 3 und 4 zwei Ausführungen von hygroskopischen Trennwänden in einem Sorptions-Wärmepumpen- Modul, in schematischer Darstellung, im Längsschnitt,

Fig. 5 eine spezielle Form einer hygroskopischen Trennwand im Längsschnitt,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Ausführungsform der Bauweise eines Sorptions-Wärmepumpen-Moduls,

Fig. 7, 8 und 9 Schnitte gemäß den Schnittlinien IV-IV, V-V und VI-VI der Fig. 6,

Fig. 10 eine vereinfachte Darstellung der Fig. 6, mit der Angabe der Wärmebewegungen im Modul,

Fig. 11 ein Schaubild mit im Diagramm dargestelltem Systemdruck, in Abhängigkeit von der absoluten Temperatur im log. Maßstab und dem Maßstab 1/T,

Fig. 12 eine Darstellung analog Fig. 11 für einen Resorptionsvorgang,

Fig. 13 und 14 ein Anwendungsbeispiel von Sorptions- Wärmepumpen-Modulen in einem Solarklimagerät, in schematischer, perspektivischer Darstellung (Fig. 13) und (in Fig. 14) drei Schaltungen der Verdampfungsseite gemäß Schnittlinie V-V bzw. analoge Darstellungen der Absorberseite gemäß Schnittlinie A-A in Fig. 13,

Fig. 15 und 16 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel mit Einbau von Sorptions-Wärmepumpen- Modulen im Längsschnitt und gemäß Schnittlinie 16-16 der Fig. 15,

Fig. 17, 18, 19, 20 einen Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes Resorptions-Wärmepumpen-Modul, mit Querschnitten gemäß den Schnittlinien XVIII-XVIII, XIX-XIX und XX-XX der Fig. 17,

Fig. 21 eine Ansicht eines einsteckbaren Wärmerohres zum Übertragen der Austreiberwärme bzw. der Verdampferwärme,

Fig. 22 eine Heizmittelführungslanze im Längsschnitt,

Fig. 23 einen zweistufigen Austreiberteil, analog Fig. 6,

Fig. 24 ein LgP-1/T-Diagramm,

Fig. 25 ein fünfschichtiges Trennwand-System im Schnitt,

Fig. 26 einen Teilausschnitt aus einem zweischichtigen Trennwand-System,

Fig. 27 ein ξT-Diagramm mit Isobare für H₂O-LiBr.

Ein Wärmeaustauschbehälter 2 runden oder eckigen Querschnitts wird durch eine hygroskopische Trennwand 1, welche Oberflächen 11 auf der Austreiberseite und 12 auf der Absorberseite aufweist, längs in einen Austreiberraum 4 und einen Absorberraum 5 unterteilt, wobei der Austreiber und der Absorber zweckmäßig als Baueinheit ausgebildet sind. An beiden Enden der Trennwand 1 befinden sich Dichtungselemente 10, welche die Trennwand 1 gegen den Behälter 2 abdichten. Zur Vergrößerung der äußern wirksamen Oberfläche des Behälters 2 sind Rippen 3 vorgesehen. Wie Fig. 1 zeigt, ist strömungsmäßig dem Behälter 2 ein Kondensator 6 zum Verflüssigen des Kältemittels nachgeschaltet. Es folgt eine Drosselstelle in Form eines Drosselorganes 8, welches der Drosselung des Kältemittels, d. h. zu dessen Entspannen dient. Anschließend folgt ein Verdampfer 7, dessen Ausgang in den Absorberraum 5 des Behälters 2 zurückgeführt ist. Rohre 9 verbinden den Behälter 2 einerseits mit dem Kondensator 6 und andererseits mit dem Verdampfer 7. Eine derartige Sorptions-Wärmepumpe funktioniert wie folgt:

Durch Zufuhr der Wärme Q₁ über die Wand des Behälters 2 mit den Rippen 3 wird die an und für sich feuchte Oberfläche 11 der Trennwand 1 aufgeheizt, wobei Kältemittel, welches sich in der die Feuchte hervorrufenden Flüssigkeit in der Trennwand 1 befindet, abdampft. Auf der Austreiberseite, dem sog. Hochdruckteil, steigt im Austreiberraum 4 mit zunehmender Kältemittelverdampfung der Druck an. Dieser bewirkt, daß das Kältemittel über die Rohre 9 in den Kondensator 6 gelangt, in welchem ein Wärmeentzug Q₂ stattfindet. Daher verflüssigt sich dort das Kältemittel und wird auf eine, unter dessen Siedepunkt liegende Temperatur abgekühlt. Über das Drosselorgan 8 wird nun das sich unter erheblichem Druck befindende Kondensat entspannt. Es gelangt als Flüssigkeit in den Verdampfer 7, wo es unter Wärmezufuhr Q₃ vollständig verdampft (Sattdampf, leicht überhitzt). Dieser Kaltdampf strömt dann durch die Rohre 9 in den Absorberraum 5, wo er an der Oberfläche 12 der feuchten hygroskopischen Trennwand 1 von dieser absorbiert wird. Dabei muß die freiwerdende Absorptionswärme Q₄ abgeführt werden. Vorwiegend ist dies die Verdampfungswärme des Kältemittels. Nun gelangt das Kältemittel von der Oberfläche 12 durch das Kapillarsystem, welche die Trennwand 1 bildet, an die gegenüberliegende Oberfläche 11 der Trennwand 1. Dabei wird die treibende Kraft für den Kältemittel-Transport durch den kapillaren Zug der auf der Austreiberseite der hygroskopischen Trennwand 1 ausgebildeten Menisken aufgebracht.

Die Vorgänge an und in der porösen und hygroskopischen Trennwand 1 sind für den Gesamtverlauf des erfindungsgemäßen Sorptions-Wärmepumpen-Moduls von entscheidender Bedeutung. Unter dem Ausdruck "Modul" wird hierbei eine normalisierte Baueinheit verstanden. Die Trennwand 1 bildet zusammen mit dem Behälter 2 den sog. thermischen Antrieb dieser Kältemaschine. Der Dampfdruck des Sorbates (Kältemittel) über der Oberfläche 11 ist größer als derjenige über der Oberfläche 12. Hieraus ergibt sich bei einem Betrieb ohne Hilfsgas (ohne Druckausgleich) eine Arbeitsdruckdifferenz zwischen dem Austreiberraum 4 und dem Absorberraum 5. Die Wirkung der Verbindung zwischen den beiden Räumen 4 und 5 wird infolge des kapillaren Aufbaus der Trennwand 1 durch die Kapillarkräfte bestimmt. Der Auslegung bzw. der Dimensionierung der Kapillaren (Kapillardurchmesser und -Länge) kommt mithin eine entscheidende Bedeutung für das Funktionieren im dargelegten Sinne zu.

In Fig. 2 ist die Vergrößerung einer idealisierten Pore bzw. Kapillare 13 der Trennwand 1 dargestellt. In der Pore 13 befindet sich eine Kapillarflüssigkeit 14, mit ihrem Komponenten 15 und 16, der eine dreifache Funktion zukommt, nämlich die der Dampfsperre (Sperrflüssigkeit), die des Kältemitteltransportes sowie die der Dampfdrucksenkung. An der Porenwand findet Benetzung statt, die zur Bildung der Menisken 17 und 18 führt.

Nach O. Hummel können mit dem Porenradius r und den Krümmungsradien R₁ und E₄ der Menisken für den Grad ihrer Ausbildung die Randwinkel b₁ und β₄ angeschrieben werden:

Von der Oberfläche des Meniskus 17 strömt bei Wärmezufuhr Q₁ der Lösungsmittel- bzw. Kältemitteldampf 19 bzw. m₁ ab, wogegen die Oberfläche des Meniskus 18 den Kältemitteldampf 20 bzw. m₄ durch Absorption aufnimmt. Bei Gleichgewicht ist:

₁ = ₄

Durch das Ab- und Zuströmen von Lösungsmittel an den Menisken sind diese unterschiedlich stark gekrümmt. Es entsteht somit eine Ausgleichsströmung in Richtung des Meniskus mit der größeren Krümmung bzw. dem größeren Zug, also in Richtung der Oberfläche 11. Dieser Zug steht mit den äußeren Kräften, wie Druck und Reibung, im Gleichgewicht.

Für die Kapillardrücke kann geschrieben werden:

Die Druckdifferenz ist dann:

Steht die maximale Kapillarkraft des Meniskus 17 mit der Summe aller äußeren Kräfte im Gleichgewicht, so ist dieser voll ausgelastet, und es wird dann:

R₁ = r

und bei ₁ = ₄ wird R₄ = ∞

Damit kann für den max. Kapillardruck geschrieben werden:

Bei Verwendung einer LiBr-Lösung als Kapillarflüssigkeit und H₂O als Kältemittel und der Verflüssigungstemperatur T₂ = 30°C sowie der Verdampfungstemperatur T₃ = 10°C müßten die Kapillaren einen Gegendruck von 3126 pa halten. Eine Kapillare mit einem Radius von r = 10^-5 m und einer Oberflächenspannung der Kapillarflüssigkeit von σ = 0,073 Nm^-1 könnte einen max. Gegendruck von p _k = 14 500 pa aufbringen.

Mit dem Hagen-Poiseulleschen Gesetz kann durch Gleichsetzen der Drücke und Auflösen nach dem Massenstrom für die Kapillarflüssigkeitsbewegung geschrieben werden:

Dieser Ansatz führt zu relativ großen Massenströmen.

Da der Rückstrom der gelösten Komponente, z. B. LiBr, von der Oberfläche 11 zur Oberfläche 12 durch Diffusion erfolgt, ist der Massentransport trotz der großen Kapillarflüssigkeitsbewegung diffusionskontrolliert.

Zur Abschätzung der Größenordnung dieses Massenstromes läßt sich mit dem ersten Fickschen Gesetz schreiben: Es wird dann mit
ξ₁ = 0,55 Konz. an der Oberfl. 12
ξ₄ = 0,35 Konz. an der Oberfl. 11
L = 0,005 m Dicke der Trennwand
δ = 0,1700 Dichte der Lösung
D = 2,88 10^-9 Diffusionskonstante
= 1,958 10^-4

Für eine angenommene Kälteleistung von ₃ = 0,1 kW wäre z. B. ein Massenstrom des Kältemittels H₂O von = = 4,04 · 10^-5 erforderlich. Mit diesem Massenstrom und der Massenstromdichte durch Diffusion wird die erforderliche Durchtrittsfläche A = 0,206 m².

Diese Flächengröße ist konstruktiv beherrschbar, wie z. B. durch lamellenartige Ausbildung.

Nach Dalton bzw. dem Raoult'schen Gesetz liegen bei dynamischem Gleichgewicht die Dampfdrücke des gelösten Kältemittels auf den Oberflächen 11 und 12 tiefer als diejenigen des reinen Sorbates (Partialdrucke der Lösungskomponenten). Die Dampfdrücke sind bekanntlich durch die entsprechenden Lösungskonzentrationen (hier an den beiden Oberflächen 11 und 12) und die herrschenden Temperaturen gegeben, wobei die Feuchten aus Lösungen mit zwei oder mehr Komponenten unterschiedlicher Konzentrationen gebildet werden. So befindet sich beispielsweise eine wässerige Lithiumbromidlösung mit 35 Gew.-% H₂O an der Oberfläche 11 zum Austreiberraum 4 und eine bezüglich Lithiumbromidlösung verdünntere Lösung mit 55 Gew.-% Wasser an der Oberfläche 12 des Absorberraumes 5. Dabei ist festzuhalten, daß das Wasser hierbei nicht nur das Lösungsmittel, sondern gleichzeitig auch das Kältemittel ist. Das Konzentrationsgefälle des Kältemittels Wasser vom Absorberraum 5 zum Austreiberraum 4 wird an der Oberfläche 11 durch Austreiben und an der Oberfläche 12 durch Absorption des Sorbates (Wasser) erzeugt. Es wird in der Trennwand 1 durch kapillare Flüssigkeitsbewegung, Zirkulation durch Dichteunterschiede sowie durch Diffusion in ihren unterschiedlichsten Erscheinungsformen, ein Transportsystem für Lösungsmittel aufrechterhalten.

Die Dampfdrücke und die entsprechenden Sattdampf- Temperaturen werden sowohl im Austreiberraum 4 als auch im Absorberraum 5 durch das Arbeitsstoffpaar und die Materialstruktur der Trennwand 1 mitbestimmt.

In der einschlägigen Literatur (z. B. Rudolf Plank, Sorptions-Kältemaschinen) werden eine Reihe von Stoffpaaren mit ihren thermodynamischen Daten angegeben: Lithiumchlorid + H₂O (LiCl + H₂O), Natronlauge + H₂O (NaOH + H₂O), Kalilauge + H₂O (KOH + H₂O), Calciumchlorid + H₂O (CaCl₂ + H₂O), Lithiumchlorid + Methanol (LiCl + CH₃OH) (Methanol als Kältemittel), LiBr + CH₃OH, Petroleum + F-21 (Frigen) (klassisches Kältemittel).

Durch den erwähnten Austreibevorgang, unterhalten durch die Wärmezufuhr Q₁, wird die Oberfläche 11 der Austreiberseite zunächst ärmer an Kältemittel und je nach Stoffpaar mithin reicher an Lösungsmittel oder gelöstem Stoff, welches die Kapillarflüssigkeit darstellt. Im Gegensatz dazu wird, weil in den Absorberraum 5 und damit auf die Oberfläche 12 der Absorberseite immer neues Kältemittel gelangt, die Konzentration der dortigen Lösung an Kältemittel reicher (mehr Wasser) und mithin diejenige des gelösten Stoffes, im vorliegenden Fall Lithium-Bromidlösung, an Wasser ärmer. Dieses Konzentrationsgefälle an Kältemittel in der Porenlösung vom Raum 5 zum Raum 4 wird nach den Gesetzen der Diffusion einen massengleichen Ausgleich anstreben, wobei der kapillaren Flüssigkeitsbewegung, hervorgerufen durch die Kapillarkräfte, ein Diffusionsstrom des Sorbendums entgegenwirkt. Naturgemäß sind Diffusionsströme gegenüber Strömungsvorgängen in Kapillaren wesentlich langsamer. Da jedoch zur Aufrechterhaltung des beschriebenen Absorptionsprozesses auf der Absorberseite eine schwache Kältemittel- bzw. Lösungsmittelkonzentration erforderlich ist, wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Oberfläche des im Austausch stehenden Kapillarsystems durch die Poren 13 durch Lamellen-Bauweise oder zottenartige Oberflächengestaltung um ein Mehrfaches vergrößert.

Eine derartige Konstruktion zeigt Fig. 3, in der ausschnittsweise und stark vergrößert ein Teil der hygroskopischen Trennwand 1 mit den beiden Oberflächen 11 und 12 des Austreiberraumes 4 und des Absorberraumes 5 ersichtlich ist. Die Trennwand 1 ist mit ineinandergreifenden Zotten 23 ausgerüstet, um die Austauschflächen zu vergrößern. Es ist, wie der Fachmann weiß, nicht nur das Konzentrationsgefälle, welches eine Diffusionsbewegung bewirkt, sondern, wenn auch in noch geringerem Maße, das Temperaturgefälle, das die sog. Thermodiffusion hervorruft. Es ist ferner bekannt, daß die meisten Kapillarstrukturen, in Verbindung mit wässerigen Lösungen, für bestimmte Komponenten eine selektive Saugfähigkeit besitzen. Zum Beispiel wird das Wasser einer wässerigen Lithiumbromidlösung von Filterpapier bevorzugt aufgenommen. Dabei nimmt die Konzentration mit der Saughöhe ab, ein Phänomen, welches bei der chromatographischen Trennmethode Anwendung findet.

Fig. 4 zeigt eine Variante von Fig. 3. Hier ist die Trennwand zum Zwecke der besseren Wärmezu- bzw. -abfuhr mit wärmeleitenden Lamellen 24 und 25 versehen, die beidseits quer die Trennwand 1 durchdringen und an den entsprechenden Abschlußwänden, welche die Oberflächen 11 und 12 bilden, befestigt sind.

Einen beschleunigten Konzentrationsausgleich hätte ein zweischichtiges Kapillarsystem, bei welchem zwischen den zwei Kapillarschichten eine Lösungszirkulation durch Dichteunterschiede stattfindet. Dieser beschleunigte Ausgleich brächte allerdings den Nachteil mit sich, daß der Wärmetransport von der Austreiber- zur Absorberseite verstärkt würde, was entsprechend größere Wärmeverluste brächte und damit das Wärmeverhältnis (Q₃/Q₁) verschlechtern würde. Durch Einbau von Schikanen mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften könnte jedoch die Wärme der reichen Lösung gezielt durch Wärmeleitung an die arme Lösung übertragen werden. Dieser Gedanke ist in der Ausführung gemäß Fig. 5 ersichtlich. Diese Figur zeigt die Beschaffenheit einer hygroskopischen Trennwand, wie sie beispielsweise in Fig. 1 mit 1 bezeichnet ist. Die in Fig. 5 ersichtliche Trennwand 30 trennt wiederum den Austreiberraum 4 vom Absorberraum 5. Der obere und untere Abschluß wird je durch ein Dichtungselement 10 bewerkstelligt. Anstelle des in Fig. 1 dargestellten homogenen Aufbaues der dortigen hygroskopischen Trennwand 1 weist diese Trennwand 30 ein mittig angeordnetes Schikanen-Blech 32 auf. Dieses ist, wie dargestellt, mittels einer Isolation 31 auf Teilen isoliert. Um diesen Kern 31, 32 bewegt sich in kreisender Bewegung die an Wasser reiche Lösung 33 zur an Wasser armen Lösung 34. Dabei wird diese interne Strömung insbesondere durch Dichteunterschiede hervorgerufen (ρ₁/₄ = 1,4). Das Schikanen-Blech 32, aus Metall bestehend, weist eine hohe Wärmeleitzahl λ auf. Daher ergibt sich bei dieser Anordnung, daß die Wärmeleitung quer zum Strömungsweg wesentlich kleiner ist als die Wärmeleitung längs des Strömungsweges von der reichen Lösung zur armen, da diese direkt durch metallische Leitung des Schikanen-Bleches 32 gegeben ist.

Wesentliche Vorteile werden mit einem Trennwandsystem nach Fig. 25 erzielt.

Die Trennwand (in Fig. 2 mit 1 bezeichnet) besteht hier aus fünf (es sollen zwei oder mehr sein) Schichten 130, die im Abstand voneinander angeordnet sind, wobei in Zwischenräumen 131 vereinzelt Abstandshalter 132 angeordnet sind.

Das Material der Abstandshalter 132 ist von der Kapillarflüssigkeit 14 sowie dem flüssigen Kältemittel 15 nicht bzw. nur geringfügig benetzbar. Hierdurch wird ein Feuchtetransport in der sorbierten Phase an der Oberfläche der Abstandshalter 132 verhindert, wodurch eine Konzentrationspolarisation der gelösten Komponenten 16 an der Oberfläche 11 bei übermäßigem hydrodynamischem Kapillarflüssigkeitstransport, ausgelöst durch die beschriebenen Kapillarkräfte, wesentlich reduziert wird.

Der erforderliche Kältemitteltransport erfolgt innerhalb der Schichten 130, wie schon beschrieben. Von Schicht 130 zu Schicht 130 erfolgt er jedoch über den Phasenwechsel: Verdampfung - Kondensation bei den entsprechenden Drücken, die in den Zwischenräumen 131 jeweils herrschen.

Die Verdampfungswärme wird überwiegend durch Wärmeleitung über die Abstandshalter 132 entgegen dem Dampfmassenstrom an die entsprechenden Oberflächen herangeführt.

Die Lösungskonzentrationen ξ in den Poren der einzelnen Trennwände sind entsprechend den herrschenden Wandtemperaturen und Drücken unterschiedlich.

Mit dem beschriebenen Trennwandsystem wird es möglich, die Gesamt-Arbeitsdruckdifferenz (P₁-P₄) zwischen Austreiberraum 4 und Absorberraum 5 (Fig. 1) je nach Anzahl der Schichten auf das entsprechende Vielfache der Einzel-Kapillardrücke zu erhöhen, da sich an jeder Schicht Menisken in den Poren gegen den Dampf des Kältemittels ausbilden.

Fig. 26 zeigt einen Teilausschnitt eines zweischichtigen Systems. Hierin bedeuten:

q λ - die Wärmestromdichte (W/m² s)
m - die Massenstromdichte (kg/m² s)
Tw - die Wandtemperaturen (°C)

In Fig. 25 ist der Druckverlauf eines fünfschichtigen Systems über die Gesamtdicke L eingetragen, wobei P _k die Einzel-Kapillardrücke bedeuten.

Fig. 27 zeigt ein ξ T-Diagramm für die Kapillarflüssigkeit LiBr-H₂O mit einer Isobaren des Sättigungsdruckes P von H₂O.

In diesem Diagramm sind die Gleichgewichtskonzentrationen sowie die Gleichgewichtstemperaturen Tw₁ und Tw₄ für zwei Schichten eingetragen.

Beim Austreibevorgang an der Oberfläche 11 verändert sich naturgemäß die Konzentration um den Betrag Δξ₁, um den gleichen Betrag Δξ₄ verändert sich die Lösungskonzentration an der Oberfläche 12 bei der Absorption. Beide Konzentrationsänderungen verlaufen entgegengesetzt und lösen auf der Austreiberseite eine Unterkühlung vom Betrage (Tw₁*-Tw₁) und auf der Absorberseite eine Überhitzung vom Betrage (Tw₄-Tw₄*) aus.

Tw* sind die scheinbaren bzw. die neuen Gleichgewichtstemperaturen. Durch diese prozeßbedingte Auslenkung aus dem Gleichgewichtszustand folgt ein Dampfmassenstrom in die gewollte Richtung zur Austreiberoberfläche 11.

In Fig. 6 ist ein schematisches Gesamtbild eines erfindungsgemäßen Sorptions-Wärmepumpen-Moduls im Längsschnitt dargestellt. Es handelt sich dabei grundsätzlich um die in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführung, welche hier in Fig. 6 mehr ausführungsmäßige Einzelheiten zeigt. So ist die hygroskopische Trennwand 1 ersichtlich, welche den Behälter 2 in zwei getrennte Kammern oder Räume, den Austreiberraum 4 und den Absorberraum 5, unterteilt. Es ist ferner dargestellt, in welcher Weise der Kondensator 6 mit dem Behälter 2 wie auch mit dem ihm nachgeschalteten Verdampfer 7 verbunden ist, wobei zwischen dem Kondensator 6 und dem Verdampfer 7 das auch in Fig. 1 dargestellte Drosselorgan, ausgebildet als Drosselkörper 38, ersichtlich ist.

Der Behälter 2, der natürlich gasdicht sein muß, ist vorzugsweise zylindrisch, mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt. Er kann aber grundsätzlich auch plattenförmig bzw. quaderförmig ausgebildet werden. Der Behälter 2 ist mit Rippen oder Lamellen 3 versehen, um die wärmetauschenden Flächen zu vergrößern. Dieses Anbringen von Rippen oder Lamellen 3 wird insbesondere dann zur Notwendigkeit, wenn die Kondensations-, die Absorptions- und die Verdampfungswärme über ein Gas, z. B. Luft, ab- bzw. zugeführt werden soll.

Beim Wärmeaustausch flüssiger Medien können diese Lamellen oder Rippen 3 entfallen. Wie in Fig. 6 dargestellt, weist die hygroskopische Trennwand 1 eine innere trogähnlich geformte Vertiefung auf, in welche als Fortsetzung der Behälterwand die Wandung 21 verläuft. Der Verdampfer 7 hat eine ähnliche Wandung 22. Diese Wandungen 21 und 22 dienen insbesondere der Führung des Heizmediums am Austreiberteil bzw. der Führung des Mediums im Verdampferteil.

Der Kondensator 6 besteht im wesentlichen aus einer Füllung 36 grobporigen Füllmaterials mit guter Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise porigem Silicium-Nitrid. Der Einsatz dieses Materials bringt den Vorteil der guten Verarbeitung mit sich sowie den einer hohen Korrosionsbeständigkeit gegen aggressive Medien. Diese Füllung 36 hat, wie auch die poröse Trennwand 1, Kontakt zur Behälterwand des Behälters 2.

Die Fig. 7-9, entsprechend den Schnitten VII-VII, VIII-VIII und IX-IX der Fig. 6, zeigen die Art der Kontakte der vorbenannten Teile sowie deren Unterbrechung durch Längskanäle 9 bzw. 28. Diese Längskanäle 9 und 28 dienen dem Kältemitteldampftransport vom Austreiberraum 4 über den Kondensator 6 und den Verdampfer 7 zum Absorberraum 5, wie dies die Pfeile in Fig. 10 zeigen.

Der Verdampfer 7 besitzt ebenfalls eine Füllung 37 aus porigem Material. Diese Füllung dient der Aufnahme des flüssigen Kältemittels. Auch dieses Material, z. B. Silicium-Nitrid, weist eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.

Um einen axialen Wärmefluß vom Kondensator 6 zum Verdampfer 7 möglichst zu unterbinden, befindet sich zwischen der Füllung 36 und 37 ein poröser Körper 39 mit schlechter Wärmeleiteigenschaft, d. h. ein Wärmeisolierkörper, z. B. Papier, Holz, Keramiklamellen o. dgl., welcher derart beschaffen ist, daß in ihm durch die Kapillarkräfte ein Flüssigkeitstransport stattfindet.

Die Kältemittelentspannung im Übergang vom Hochdruck- zum Niederdruckteil, d. h. vom Austreiberraum 4 zum Absorberraum 5 des Wärmepumpen-Moduls, erfolgt durch den Drosselkörper 38.

Fig. 10, eine vereinfachte Darstellung der Fig. 6, zeigt die dem System zu- und abgeführten Wärmemengen Q _x sowie mit Pfeilen markierte Strömungswege des Kältemittels.

In den Fig. 11 und 12 ist in je einem Dampfdruckdiagramm eines Arbeitsstoffpaares, z. B. der wässerigen Lithiumbromid-Lösungen, der thermodynamische Arbeitsprozeß eines Sorptions-Wärmepumpen-Moduls dargestellt. Auf der X-Achse sind im Maßstab 1/T die Temperaturen dargestellt, auf der Y-Achse die Drucke p in logarithmischem Maßstab. In Worten sagen diese Figuren folgendes aus:

Der thermodynamische Arbeitsprozeß eines Wärmepumpen- Moduls läßt sich am besten anhand eines üblichen LgP - Diagrammes für ein Arbeitsstoffpaar, z. B. der wässerigen Lithiumbromid-Lösungen, erklären. Für reines Lösungsmittel (Wasser, Kältemittel) ist ξ=1.

Die stark ausgezogenen Linien veranschaulichen die Zustandsänderungen der Kältemittelflüssigkeit sowie die Zustandsänderungen der Lösungen und ihre Konzentrationen. Der Weg des dampfförmigen Kältemittels (Wasserdampf, Sattdampf) ist durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die Zufuhr der Wärmemenge Q₁ auf die feuchte Oberfläche 11 der Wand 1 gemäß der Fig. 1 erfolgt beim Lösungszustand Punkt 1 des Diagrammes Fig. 11. Sie bewirkt eine Verdampfung von Kältemittel bei der Temperatur T₁ und dem Druck p₁.

Der Kältemitteldampf strömt zum Kondensator 6 und wird bei der Temperatur T₂ und dem Druck p₁=p₂ im Zustandspunkt 2 unter Wärmeentzug Q₂ kondensiert.

Das Kondensat wird mittels des Drosselorgans 8 auf den Druck p₃ gebracht und bei T₃ unter Zufuhr der Wärmemenge Q₃ im Verdampfer 7 verdampft. Dieses entspricht dem Zustandspunkt 3.

Der Kältemitteldampf in diesem Zustand strömt zur Absorberfläche 12, die sich im Zustand gemäß Punkt 4 befindet. Bei der Temperatur T₄ und dem Druck p₄ wird unter Abfuhr der Wärmemenge Q₄ der Kältemitteldampf absorbiert.

Die Konzentrationen der Lösungen an den Oberflächen 11 und 12, entsprechend den Punkten 1 und 4, sind unterschiedlich und streben durch Diffusion, unterstützt durch Grenzflächenphänomene, wie die selektive Saugfähigkeit von H₂O von wässerigen Lösungen in Kapillarstrukturen, einen Ausgleich an.

Das Konzentrationsgefälle, in der klassischen Absorptions- Kältetechnik mit "Entgasungsbreite" bezeichnet, zwischen den Oberflächen 11 und 12 wird durch die Kapillarflüssigkeitsbewegung, die den Diffusionsvorgängen überlagert ist, erzeugt und aufrechterhalten.

Das erforderliche Temperaturgefälle (T₁-T₄) ist u. a. durch die Wahl des Kapillarstrukturmaterials sowie die Ausbildung und Dimensionierung der Trennwand festgelegt sowie durch den Grunddruck im System.

Die Arbeitsdruckdifferenz (p₁-p₄), die von der Trennwand gehalten werden muß, ist u. a. durch die Dimensionierung der Kapillaren sowie die Wahl der Kapillarflüssigkeit bestimmt.

Auch der thermodynamische Arbeitsprozeß eines Resorptions- Wärmepumpen-Moduls läßt sich am besten anhand des Dampfdruckdiagrammes (Fig. 12) erklären.

Die Zufuhr der Wärme Q₁ auf die feuchte Oberfläche 11, erfolgt beim Lösungszustand Punkt 1 und bewirkt eine Verdampfung des Kältemittels bei der Temperatur T₁ und dem Druck p₁. Es handelt sich um Naßdampf.

Der Kältemitteldampf strömt nun in den sogenannten Resorptionsraum, welcher dem Absorptionsraum 5 entspricht. Er wird an der Oberfläche, entsprechend der Oberfläche 12, bei der Temperatur T₂ und dem Druck p₁=p₂ im Zustandspunkt 2 unter Wärmeentzug Q₂ resorbiert.

Die angereicherte Lösung, angereichert an Wasser, dem Kältemittel, wird durch Kapillarzug an die Oberfläche 11 gebracht. Bei der Temperatur T₃ wird unter Zufuhr der Wärmemenge Q₃ das Kältemittel wieder ausgetrieben. Dieses entspricht dem Zustandspunkt 3.

Der Kältemitteldampf strömt zur Absorberfläche 12, die sich im Zustand Punkt 4 befindet. Bei der Temperatur T₄ und dem Druck p₃=p₄ wird unter Abfuhr der Wärmemenge Q₄ der Kältemitteldampf absorbiert.

Wie aus Fig. 12 ersichtlich, vollzieht sich die Resorption sowie Austreibung innerhalb eines Lösungsfeldes und nicht wie bei der Kondensation, auf der Dampfdruckkurve des Kältemittels.

Aus Fig. 12 ist ebenfalls ersichtlich, daß die Resorptionstemperatur T₂ bei gleichem Druck p₁=p₂ höher liegt als die der Kondensationstemperatur T₂ bei der Kältemittelkondensation (Fig. 11).

Die Anwendung eines Resorptions-Wärmepumpen-Moduls hat also den Vorteil einer erweiterten Anpassungsmöglichkeit an die Betriebsverhältnisse.

Das erfindungsgemäße Wärmepumpen-Modul kann als komplette Wärmepumpe kleiner Leistung in großen Serien hergestellt werden. Aufgrund der einfachen Beschaffenheit können entsprechend dem benötigten Endleistungsbedarf mehrere derartige Module zu größeren Leistungseinheiten baukastenartig auf einfachste Art und Weise zusammengestellt werden. Ferner können die einzelnen Module oder Modulgruppen zu mehrstufigen Sorptions- Kälteapparaten geschaltet werden. Die Idee mehrstufiger Sorptions-Kälteanlagen wurde schon vor bald 50 Jahren von E. Altenkirch vorgeschlagen, konnte sich aber im kleinen Leistungsbereich, wegen des hohen apparativen Aufwandes, nicht durchsetzen.

Eine weitere Realisationsmöglichkeit eines zwei- bzw. vielstufigen Sorptions-Kälteapparates ergibt sich mit der Ausbildung des in Fig. 23 beispielhaft dargestellten zweistufigen Wärmepumpen-Moduls.

Dabei wird der Austreiberraum 4 (Fig. 6) durch Dichteelemente 10 a (Fig. 23) in zwei gasdicht voneinander getrennte Austreiberräume 4 und 4 a unterteilt.

In den Austreiberräumen 4 und 4 a herrschen, ihren Temperaturen T₂ bzw. T₂′ entsprechend, die Drücke P₁ bzw. P₁′.

Das im Austreiberraum 4 von der Oberfläche 11 abgedampfte Kältemittel wird an der Wandung 21 a kondensiert. Die Kondensationswärme dient dem zweiten Austreibervorgang an der Oberfläche 11 a.

Das anfallende Kondensat wird über den Drosselkörper 38 a auf den Druck P₁′ entspannt und über den Kondensator 36 und den Drosselkörper 38 (Fig. 6) zusammen mit dem Kondensat des von der Oberfläche 11 a abgedampften Kältemittels dem Verdampfer 37 (Fig. 6) zugeführt.

Das verdampfte Kältemittel gelangt dann, wie schon bei der einstufigen Ausführung beschrieben, über die Verbindungskanäle 9 (Fig. 6) an die Absorberfläche 12 a und 12 (Fig. 23), wo unter Wärmeabfuhr der Kaltdampf absorbiert und das flüssige Kältemittel durch die Trennwand, in der ebenfalls schon beschriebenen Art, an die Oberflächen 11 und 11 a zurückgeführt wird.

Mit der dargestellten Ausführung des Wärmepumpen-Moduls wird es möglich, mit der einmal zugeführten Austreiberleistung eine fast zweifache äquivalente Kälteleistung zu erzielen, was das Wärmeverhältnis Q₃/Q₁ entsprechend verbessert.

In Fig. 24 ist in einem LgP-1/T-Diagramm der thermodynamische Arbeitsprozeß des beschriebenen zweistufigen Sorptions-Kälteapparates, analog zu dem Diagramm Fig. 11 und dessen Beschreibung, vereinfacht dargestellt.

In den Fig. 13 und 14 ist ein zweckmäßig plattenförmig ausgebildetes Anwendungsbeispiel eines 300-Watt- Moduls für ein sog. Klimagerät dargestellt.

Dabei zeigt Fig. 13 in perspektivischer, schematischer Darstellung die grundsätzliche Anordnung in einem derartigen Klimagerät, während die Fig. 14 Schnitte V-V und A-A der Verdampferseite und der Absorberseite in verschiedenen Lagen der Luftleitklappen darstellt, je nachdem, ob die Raumseite mit Umluft und ohne Zuluft zu heizen ist, oder zu kühlen oder ob sie mit Zuluft und Umluft zu heizen ist.

Im wesentlichen besteht dieses Klimagerät aus den bekannten Bauelementen, wie einem Querstromgebläse 40, Luftleitklappen 41 und einem Gehäuse 42. Als Wärmetauscher sind in der erfindungsgemäßen Anwendung in diesem Beispiel sechs Module 43 mit einer Heizleistung von je 300 Watt, wie diese vorstehend erläutert wurden, verwendet. Die benötigte Austreiberwärme wird in Form von 80-grädigem Wasser von einem Sonnenwärmekollektor (nicht dargestellt) oder einem Wärmepumpen-Heizkessel (der ersten Wärmepumpenstufe, nicht dargestellt) den Modulen 43 zugeführt. Der Außenluft 44 wird die Sekundärwärme am Verdampfer 45 entzogen. Die Raumluft 46 erwärmt sich bei Umströmung des Kondensators 47 und des Absorbers 48. Bei Zu- und Umluftbetrieb wird die Abluft 49 über den Verdampfer 45 geführt, so daß ihr die Wärme bis auf Außentemperatur entzogen wird (Wärmerückgewinnung). In Fig. 14 bedeuten die Bezeichnungen TR Raumluft- und TA Außenlufttemperaturen. Die Indizes ′ und ′′ bedeuten Eintritt und Austritt, während Zuluft und Abluft mit T bezeichnet sind.

Bei Kühlbetrieb wird die Raumluft 46 (TR′) über den Verdampfer 45 geführt und abgekühlt auf TR′′. Die Außenluft 44 (TA′) strömt über den Kondensator 47 und den Absorber 48 und führt die Wärme nach außen ab (TA′′). Als Austreiberwärme kann ebenfalls Sonnenkollektorwärme verwendet werden.

Fig. 15 zeigt ein Anwendungsbeispiel von Sorptions- Wärmepumpen-Modulen in einem Sorptions-Wärmepumpen- Heizkessel. Dabei stellt Fig. 15 einen Längsschnitt durch einen Heizkessel und Fig. 16 einen Schnitt gemäß Schnittlinie 16-16 der Fig. 15 dar. In diesem Heizkessel sind Sorptions-Wärmepumpen-Module 51 eingebaut. Sie sind mit berippten Austreiberteilen 52 und analogen Verdampferteilen 53 ausgerüstet. Absorber- und Kondensatorteil, beide mit 54 bezeichnet, sind, ohne Rippen ausgeführt, von Heizungswasser umspült. Es ist ferner ein Gasbrenner 55 bzw. ein Methanolbrenner dargestellt, der in einer Brennkammer 56 brennt. An die Brennkammer schließt sich ein Konvektor 57 an, gefolgt von einem Abgaskanal 58. Zusätzlich kann Frischluft durch einen Frischluftkanal 59 zugeführt und ihr Wärme entzogen werden. Es ist ferner ein Rauchgaskondensatsammler 60 vorgesehen. Ein Abgas- bzw. ein Abluftgebläse 61 treibt die Gase in einen Abgas- bzw. Abluftkanal 62. Am Kessel ist ein Heizungsrücklauf- Stutzen 63 sowie ein Heizungsvorlauf-Stutzen 64 angebracht. Das Kesselwasser 65 befindet sich in rauchgasbestrichenen Ummantelungen. Der Kessel ist durch eine Isolierung 66 wärmegeschützt. Im Kesselverbrennungssystem ist ferner die Flamme 67 des Brenners 55 dargestellt sowie der Abgasweg 68 und die Frischluft 69.

Anfallendes Kondensat wird über den Abfluß 71 abgeführt. Heizungsvorlauf 73 und Heizungsrücklauf 72 sind ebenfalls dargestellt. Die Funktion des Kessels ganz allgemein ist selbstredend und geht aus den Fig. 15 und 16 hervor. Da die Rauchgase bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden, ergibt sich damit ein feuerungstechnischer Wirkungsgrad von 100%. Diese tiefe Abkühlung von Rauchgasen hat den Vorteil, daß mit niedrigen CO₂-Werten gefahren werden kann, womit eine sichere, rußfreie Verbrennung mit äußerst niedrigen NO_x-Werten stattfindet. Der Zuluft bzw. Frischluft 69 wird zusätzlich über den Verdampferteil 53 Wärme entzogen und dem Kesselwasser 65 zugeführt.

Hier funktionieren die Sorptions-Wärmepumpen-Module wie folgt:

Die in Fig. 15 dargestellte Austreiberseite 52 des Moduls wird durch die Abgase, die aus dem Konvektor 57 des Heizkessels austreten, beaufschlagt, wobei die Abgastemperatur am Ende des Konvektors auf die erforderliche Arbeits- bzw. Austreibertemperatur des Moduls gebracht wurde.

Die am Ende des Austreiberteils 52 aufgenommene Wärme wird durch eine Vorrichtung, z. B. ein beripptes Wärmerohr nach Fig. 21, an die feuchte Oberfläche 11 (Fig. 1) der Trennwand 1 geführt. Hierbei wird Kältemitteldampf frei und im Kondensatorteil 54 über dessen Oberfläche 52, die nach Fig. 15 im Kesselwasser liegt, kondensiert. Die Kondensationswärme Q₂ wird an das Kesselwasser abgegeben. Das Kondensat wird, wie beschrieben, entspannt und dem Verdampferteil 53 (Fig. 15) zugeführt. Dieser Verdampfer wird von außen durch die Abgase sowie von der aus der Umgebung des Heizkessels angesaugten Luft 69 beaufschlagt. Abgase und Raumluft werden dabei bis unter Raumtemperatur abgekühlt. Das anfallende Kondensat aus Abgasen und Umgebungsluft wird im Sammler 60 gesammelt und über den Abfluß 71 abgeführt. Bei einer Gas- bzw. Methanolfeuerung kann das Kondensat direkt in die Kanalisation geleitet werden. Dagegen müßte bei der Verbrennung von schwefelhaltigen Brennstoffen das Kondensat neutralisiert werden.

In dem Wärmepumpen-Modul strömt der Kältemitteldampf aus dem Verdampfer in den Absorberraum 5 (Fig. 1) und wird dort von der feuchten Oberfläche 12 absorbiert. Die Absorptionswärme Q₄ wird über die Oberfläche des Behälters 2 (Fig. 1), die in Fig. 15 ebenfalls im Kesselwasser liegt, an das Kessel- bzw. Heizungswasser abgegeben.

Somit ist es möglich, mit einer Anwendung des Sorptions- Wärmepumpen-Moduls nach Fig. 15 die Restenthalpie der Abgase nutzbar zu machen sowie die von der äußeren Oberfläche des Heizkessels abgegebene Wärme wieder zurückzugewinnen.

Selbstverständlich kann auch der Aufbau so gewählt werden, daß die Feuerung nur zum Betreiben des Austreibers dient, wobei Sekundärwärme aus der Umgebung und/oder aus bekannten Sekundär-Wärmequellen, z. B. Erdreich, Sonnenkollektoren, Außenluft usw. bezogen werden kann.

Fig. 17 zeigt im Längsschnitt und drei Querschnitten gemäß den Schnittlinien XVIII-XVIII, XIX-XIX und XX-XX ein Resorptions-Wärmepumpen-Modul. Dieser unterscheidet sich grundsätzlich vom Sorptions-Wärmepumpen- Modul gemäß Fig. 1, wie dies anläßlich der Beschreibung des Diagramms gemäß Fig. 12 erläutert wurde.

Dieser Modul weist eine, den Austreiberteil vom Absorberteil trennende hygroskopische Trennwand 81 auf, welche beide Räume durch dichtes Anliegen an der Innenwand eines Behälters 82 voneinander gasdicht trennt. Außen am Behälter 82 sind Lamellen bzw. Rippen 83 angebracht. Die Behälterinnenwand 84 ist, analog der Ausführung gemäß den Fig. 6 und 10, ins Innere der Trennwand 81 geführt. Eine Dichtung 85 schließt den Austreiberteil nach außen ab. Im Resorberteil ist eine der Trennwand 81 entsprechende hygroskopische Trennwand 86 eingebaut, welche Austreiber- und Resorberteil voneinander trennt. Auch hier ist die Innenbehälterwand 87 im Resorberteil des Behälters 82 eingezogen. Eine Trennplatte 89 mit Überströmkanälen im linksliegenden Austreiberteil der Fig. 17 führt in den Resorberteil, während eine Trennplatte 90 mit Überströmkanälen aus dem Resorberteil in den Austreiberteil vorgesehen ist. Eine Dichtungsscheibe 91 deckt die Überströmkanäle 106 und 107 wechselseitig ab. Hierdurch entsteht ein Überströmkanalsystem. Es sind ferner, wie im Schnitt XX-XX angedeutet, radial verlaufende Überströmkanäle 92 vorgesehen sowie Überströmlängskanäle 93 und 94.

In den Austreiberraum 96 wird Kältemittel, d. h. Sorbat, von der Fläche 95 der hygroskopischen Trennwand 81 abgedampft. Es strömt über die Kanäle 92, 93 und 94 in den Resorptionsraum 98, wo der Kältemitteldampf an der Oberfläche 100 der hygroskopischen Trennwand 86 kondensiert bzw. resorbiert wird. Durch die Poren der Trennwand 86 gelangt die verdünnte Kapillarflüssigkeit (es befindet sich weniger gelöstes Material im Lösungsmittel) in den Verdampferraum 102, in welchem von der Oberfläche 103 der Trennwand 86 das Kältemittel bei einem niedrigeren Druck und niedrigerer Temperatur abgedampft wird. Dieser Kaltdampf strömt über die Kanäle 105, 106 und 107 in den Absorberraum 109 des Austreiberteils 97, wobei der Kaltdampf an der Oberfläche 110 der hygroskopischen Trennwand 81 absorbiert wird.

Der Absorber/Austreiberteil 97 dieses Moduls arbeitet unter ähnlichen Bedingungen wie dasjenige an einem Sorptions-Wärmepumpen-Modul, z. B. gemäß Fig. 1. Der Unterschied in der Arbeitsweise des Resorptionsmoduls besteht, wie anläßlich der Beschreibung der Fig. 11 und 12 eingehend erläutert, lediglich darin, daß im Resorptionsteil (Raum 98) der Kältemitteldampf nicht bei seinem Dampfdruck kondensiert wird, sondern bei einem Teildruck entsprechend der Konzentration resorbiert wird. Daher sind der Kondensator 6 und der Verdampfer 7 des Sorptionsmoduls (Fig. 1) hier durch einen Absorber/Austreiber (Räume 109 und 96) ersetzt. Der Vorteil dieses Resorptions-Wärmepumpen-Moduls liegt darin, daß die Kondensation bzw. die Resorption bei einer höheren Temperatur abläuft als die Kondensation des reinen Kältemittels, wie dies aus den Diagrammen gemäß den Fig. 11 und 12 klar ersichtlich ist.

Fig. 21 offenbart eine Ansicht eines einsteckbaren Wärmerohres 115 zum Übertragen der Austreiberwärme bzw. der Verdampferwärme. In dieser Figur ist ein konventionelles Wärmerohr 115 mit Einsteckschaft 116 ersichtlich, das mit Rippen 117 versehen ist. Der Einsteckschaft 116 steckt in einem Sorptions-Wärmepumpen-Modulaustreiber 4 bzw. Verdampfer 37 (Fig. 6). Das Wärmerohr 115 nimmt über die Oberfläche, d. h. die Rippen 117, Wärme aus einem Gasstrom auf und leitet diese mit einem geringen Temperaturgefälle in den Schaft 116 seines Kondensationsteiles, wobei es Wärme an die Innenwandung 21; 22 des Wärmepumpenmoduls abgibt.

Fig. 22 zeigt eine Heizmittel-Führungslanze mit einem Außenrohr 121, einem Innenrohr 122, einemn Heizmittelzulauf 123 und einem Heizmittelablauf 124. Diese Lanze dient der Wärmezu- und Abfuhr an einem Wärmepumpenmodul in der dargestellten Art. Die Lanze ist einsteckbar und hat einen guten Kontakt zu der Innenwandung 21; 22 des Wärmepumpenmoduls.

Eine andere Ausführungsform einer Lanze wäre eine Konstruktion, bei welcher auf ein Außenrohr 121 verzichtet wird. Bei dieser Art würde die innere Wandung in Form des Innenrohres 122 vom Heizmittel bzw. Kühlmittel direkt beaufschlagt. Selbstverständlich kann die Lanze so ausgeführt werden, daß das Heiz- bzw. Kühlmittel in dem konzentrischen Ringspalt durch Rippen bzw. Wellen schraubenförmig geführt wird.

Abschließend wird ein Beispiel einer derartigen Wärmepumpe rechnerisch behandelt:

Die Wirkungsweise des betriebenen Wärmepumpen-Kessels läßt sich an einer Wärmebilanzrechnung gut verdeutlichen.

Die Module sollen mit einem Stoffpaar, z. B. LiBr-H₂ (H₂O als Kältemittel) bei folgenden Temperaturen arbeiten:

Auf der Gasseite bzw. Kesselwasserseite werden folgende Temperaturen vorgegeben:

Die Übertemperaturen betragen am Ende, d. h. am Ausgang der Wärmetauscherflächen 5°C und stellen somit eine genügend große Wärmestromdichte sicher.

1. Wärmezufuhr über Brenner 55, Fig. 15

_zu = · H _u

2. Luftzufuhr über Brenner 55, Fig. 15

3. Verbrennung und Lufterwärmung im Feuerraum 56, Fig. 15. Die Verbrennung läuft bei hohem Luftüberschuß ab (λ = 1,7).

Der größte Teil der Luft nimmt an der Verbrennung nicht teil, sie erwärmt sich durch Mischung mit Abgasen.

Aus der Enthalpie des Gasgemisches ergibt sich die Feuerraumtemperatur zu:

T _F = 344°C

4. Wärmestrom im Feuerraum und Konvektor 57, Fig. 15

_F = (T _F - T₁′) · c _p ·
mit T₁′ = 300°C
= 0,028 m_n³
c _p = 1,3 · K
wird _F = 1,600 kW

5. Wärmestrom am Austreiber 52, Fig. 15

T₁′ = 300°C
T₁′′ = 140°C
₁ = (T₁′ - T₁′′) · c _p ·
₁ = 5,824 kW

Spez. Berechnungen am Rippenrohr bei Verdampfung auf der Innenseite ergaben Wärmedurchgangsleistungen von:

= 2000 W/Lfm

Damit besteht der Austreiber aus 2,912 m Rippenrohr oder 12 Modulen à 0,24 m Länge.

6. Wärmestrom im Kanal 8, Fig. 15

T₁′′ = 140°C
T₃′ = 90°C
_k = (T₁′′ - T₃′) · c _p ·
_k = 1,820 kW

7. Wärmestrom im Verdampfer 53, Fig. 15 (Abgaswärme)

T₃′ = 90°C
T₃′′ = 15°C
₃ = (T₃′ - T₃′′) · c _p · V
₃ = 2,730 kW

8. Wärmestrom im Verdampfer 53, Fig. 15 (Zuluftwärme)

T₃_L′ = 20°C
T₃_L′′ = 15°C
_L = 0,33 m_n³ · S^-1
₃_L = (T₃_L′ - T₃_L′′) · c _p · V
₃_L = 2,145 kW

Die Bilanz der Wärmeströme im Wärmepumpen-Heizkessel nach Fig. 15 stellt sich wie folgt.

Bezogen auf den Primärenergieeinsatz zur Erzeugung elektrischer Energie entspricht dieser Wirkungsgrad der Leistungsziffer einer Kompressorwärmepumpe.

Das Wärmeverhältnis ist durchaus realistisch und erreichbar.

Bei Vermeidung der Wärmeströme _F und _k in verbesserter Wärmepumpenschaltung wäre der Wirkungsgrad:

In einer reinen Wärmepumpenschaltung ließen sich Leistungszahlen von

η _WP = 1,8 ε _äq = 5,14 erreichen.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Der Erfinder erwartet, daß die Lösung gemäß den Fig. 6, 10 und 17 die beste ist.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Der beanspruchte Apparat kann z. B. in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik ganz allgemein, in der Klimatisierung von Fahrzeugen (Pw, Lastwagen bis zu Verkehrsmittel), Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik in Ein- bis Zweifamilienhäusern und für Haushaltsgerätetechnik, z. B. Kühlboxen und Kühlschränke, Verwendung finden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Sorptions-Kälte-Apparates, insbesondere eines kontinuierlich betreibbaren Sorptions- Kälte-Apparates mit Austreiber, Kondensator oder Resorber, Drosselorgan, Verdampfer oder Desorber und Absorber, wobei der Austreiberraum vom Absorberraum durch eine hygroskopische Trennwand getrennt ist, die beidseitig gasberührt und porös ist, vorzugsweise zur Verwendung zur Rauchgaskühlung an Gasheizkessel, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Austreiber und dem Absorber mit in einer Trennwand angeordneten, eine Absorptionsflüssigkeit aufweisenden Kapillaren Kapillardrücke erzeugt werden, die größer sind, als die Differenz der beiden Arbeitsdrücke zwischen dem Austreiber und dem Absorber beträgt.

2. Kontinuierlich betreibbarer Sorptions-Kälte-Apparat mit Austreiber, Kondensator oder Resorber, Drosselorgan, Verdampfer oder Desorber und Absorber, wobei der Austreiberraum vom Absorberraum durch eine hygroskopische Trennwand getrennt ist, die beidseitig gasberührt und porös ist, der mit dem Verfahren nach Anspruch 1 arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die hygroskopische Trennwand (1) einen oder mehrere Körper mit einer Kapillarstruktur aufweist, welche mit Kapillarflüssigkeit (14) mit hygroskopischen Eigenschaften getränkt sind (Fig. 1, 2).

3. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (1) mit Lamellen (24, 25) oder Zotten (23) versehen ist.

4. Apparat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lamellen (24, 25) folienartige Schichten aus einem Material hoher Wärmeleitfähigkeit angeordnet sind.

5. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kapillarstrukturen (36) in einer Metallhülse (21) eingelagert sind, die metallischen Kontakt zur Behälterwand (2) hat (Fig. 6-9).

6. Apparat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Transport des Kältemitteldampfes Längskanäle (26) an der Oberfläche der Metallhülse (21) angeordnet sind.

7. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hygroskopische Trennwand aus zwei Schichten (11, 12) besteht, die mit Abstand voneinander angeordnet sind, wobei im Zwischenraum die Kapillarflüssigkeit infolge Dichteunterschieden zirkulieren kann (Fig. 5).

8. Apparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum eine Schikane (32) angeordnet ist, die durch ihre hohe Wärmeleitfähigkeit die Wärme der reichen Lösung (33) an die arme Lösung (34) leitet und abgibt (Fig. 5).

9. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselorgan (8) aus einem porösen Körper besteht.

10. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (1) mindestens eine trogähnliche Vertiefung als Fortsetzung der Behälterwand aufweist.

11. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (6) und/oder der Verdampfer (7) ein im wesentlichen grobporiges Füllmaterial (36, 37) mit guter Wärmeleitfähigkeit enthält, vorzugsweise poriges Silicium-Nitrid.

12. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 11, gekennzeichnet durch Längskanäle (9, 28), welche den Kältemitteltransport vom Austreiberraum (4) über den Kondensator (6) und den Verdampfer (7) zum Absorberraum (5) sicherstellen.

13. Apparat nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Füllungen (36, 37) ein isolierender poröser Körper (39), z. B. Papier, Holz, Keramik, angeordnet ist.

14. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Austreiber (4), Kondensator (6) Drosselorgan (38), Verdampfer (7) und Absorber (5) in einem gemeinsamen, vorzugszweise rohrförmigen Behältnis (2) angeordnet sind (Fig. 6).

15. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gasdicht voneinander getrennte Austreiber vorgesehen sind oder daß dieser mehrfach quer gasdicht unterteilt ist, um eine Mehrstufigkeit zu schaffen (Fig. 23, 24).

16. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand aus mindestens zwei Schichten (130) besteht, die im Abstand voneinander angeordet sind, wobei in den Zwischenräumen (131) Abstandhalter aus praktisch nicht benetzbarem Material angeordnet sind (Fig. 25).

17. Apparat nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand aus mehreren konzentrischen Hülsen besteht.

18. Apparat nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenräume (131) mit einem grobporösen, wärmeleitenden Material (132) zwecks Erzeugung von Wärmebrücken gefüllt sind.

19. Apparat nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter der Schichten (130) mit einem praktisch nicht benetzbaren Material, z. B. Polytetrafluoräthylen, beschichtet sind.