DE3509564A1 - Apparatus for carrying out adsorption, desorption and internal heat exchange - Google Patents
Apparatus for carrying out adsorption, desorption and internal heat exchangeInfo
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Abstract
Description
' BESCHREIBUNG DER APPARATUR ZUR DURCHFÜHRUNG VON ADSORPTION,'' DESCRIPTION OF THE APPARATUS FOR IMPLEMENTING ADSORPTION,
j DESORPTION UND INNEREM WÄRMEAUSTAUSCHj DESORPTION AND INTERNAL HEAT EXCHANGE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur zur Durchführung von Adsorption, Desorption und innerem Wärmeaustausch, insbesondere zur Verwendung in Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältema-The invention relates to an apparatus for carrying out adsorption, desorption and internal heat exchange, in particular for use in sorption heat pumps, sorption cooling systems
schinen und Wärmetransformatoren.machines and heat transformers.
Derzeitiger Stand der Technik und Beschreibung der AufgabeCurrent state of the art and description of the task
Bei Sorptionswärmepumpen und Sorptionskältemaschinen wird bekanntermaßen ein günstiges Wärmeverhältnis und damit eine gute Wirtschaftlichkeit erreicht, indem die Antriebswärme, mit der das Kältemittel zumindest teilweise ausgetrieben wird, bei möglichst ι hoher Temperatur zugeführt wird. Bei Wärmetransformatoren stellt sich häufig die Aufgabe, daß die erzeugte Nutzwärme bei hoher Temperatur zur Verfugung stehen muß.In sorption heat pumps and sorption chillers, it is known a favorable heat ratio and thus good economy is achieved by the drive heat with which the Refrigerant is at least partially driven out, at as possible ι high temperature is supplied. In the case of heat transformers often the task that the generated useful heat must be available at a high temperature.
Arbeitsstoffsysteme, die eine flüssige Lösung bilden, sind auf vergleichsweise niedrige Temperaturbereiche beschränkt, da bei Überschreitung der zulässigen Temperaturen u. a. Probleme hinsichtlich Korrosion, der Löslichkeit des Kältemittels in der Lösung und des ansteigenden Lösungsmitteldampfdruckes auftreten. Dagegen weisen Arbeitsstoffsysteme, die eine feste Lösung bilden, diese Nachteile nicht auf. Die Lösungsmittel dieser Arbeitsstoffsysteme sind häufig ebenfalls fest, und das Kältemittel kann von diesen Feststoffen adsorbiert bzw. desorbiert werden.Working substance systems that form a liquid solution are open comparatively low temperature ranges are limited, since if the permissible temperatures are exceeded, among other things. Problems regarding Corrosion, the solubility of the refrigerant in the solution and the increasing solvent vapor pressure occur. In contrast, working substance systems that form a solid solution do not have these disadvantages. The solvents of these working systems are often also solid, and the refrigerant can be adsorbed or desorbed by these solids.
Herkömmliche Sorptionswärmepumpen, Sorptionkältemaschinen und Wärmetranfsformatoren, die mit flüssigen Lösungen arbeiten, weisen einen sogenannten Lösungskreislauf auf, in dem durch Pumpen im Kreis die flüssige Lösung abwechselnd zunächst im sogenanntenConventional sorption heat pumps, sorption chillers and heat exchangers that work with liquid solutions have a so-called solution cycle, in which the liquid solution alternates first in the so-called
Absorber einer Absorption (d. h. Aufnahme von Kältemitteldampf) und weiterhin im sogenannten Desorber oder Austreiber einer Desorption (d. h. Abgabe von Kältemitteldampf) unterworfen wird. Aus Gründen einer energiesparenden Betriebsweise ist es hierbei erforderlich, zwischen Absorber und Desorber einen Wärmeaustauscher (Rekuperator) derart vorzusehen, daß zwischen der stark kältemittelhaltigen Lösung und der weniger kältemitteihaitigen Lösung ein Wärmeaustausch stattfinden kann.Absorber of an absorption (i.e. absorption of refrigerant vapor) and is further subjected to desorption (i.e. release of refrigerant vapor) in the so-called desorber or expeller. For reasons of energy-saving operation, it is necessary here to have a heat exchanger between the absorber and the desorber (Recuperator) to be provided in such a way that between the strongly refrigerant-containing solution and the less refrigerant-containing one Solution heat exchange can take place.
Bei Sorptionswärmepumpe^ Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, die mit festen Lösungen arbeiten, kann ein herkömmlicher Lösungskreislauf nicht realisiert werden. Da die Lösung fest ist, kann der beim herkömmlichen Lösungskreislauf zur Überwindung des Druckunterschiedes zwischen Absorber und Desorber unverzichtbare Pumpvorgang einerseits und Drossel- oder Expansionsvorgang andererseits nicht durchgeführt werden. Adsorption und Desorption müssen demnach im gleichen Behälter stattfinden. Die Arbeitsweise von Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren erfordert jedoch, daß Absorption und Desorption beiWith sorption heat pumps ^ sorption chillers and heat transformers, who work with fixed solutions, a conventional solution cycle cannot be implemented. Because the solution stuck can be indispensable in the conventional solution cycle to overcome the pressure difference between absorber and desorber Pumping process on the one hand and throttling or expansion process on the other hand are not carried out. Adsorption and desorption must therefore take place in the same container. How sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers work however, requires absorption and desorption at
; 20 verschiedenen Temperaturen stattfinden. Bei flüssigen Lösungen spricht man bekanntermaßen von "Absorption" und bei festen Lösungen von "Adsorption". Wegen der Temperaturdifferenz zwischen Adsorption und Desorption muß der kombinierte Adsorptions-Desorptions-Behälter, im folgenden kurz mit "Behälter" bezeichnet,; 20 different temperatures take place. With liquid solutions As is well known, one speaks of "absorption" and, in the case of solid solutions, of "adsorption". Because of the temperature difference between Adsorption and desorption must be the combined adsorption-desorption container, hereinafter referred to as "container" for short,
abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt werden. In technischer Hinsicht ergibt sich hieraus eine diskontinuierliche, periodische • Betriebsweise.are alternately heated and cooled. In technical terms, this results in a discontinuous, periodic • operation.
Bisher sind keine Ausführungsformen von mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und/oder Wärmetransformatoren bekannt, bei denen eine zumindest quasikontinuierliche Arbeitsweise mit einem für ein großes Wärmeverhältnis notwendigen inneren Wärmeaustausch zwischen der stark kältemittelhaltigen Lösung und der weniger kältemittelhaltigen Lösung derart kombiniert ist, daß die Behälter näherungsweise die gesamte Differenz zwischen Adsorptions- und Desorptionstemperatur nurSo far there are no embodiments of working with fixed solutions Sorption heat pumps, sorption chillers and / or heat transformers are known in which an at least quasi-continuous Mode of operation with an internal heat exchange between the one that contains a lot of refrigerant, which is necessary for a high heat ratio Solution and the less refrigerant-containing solution is combined in such a way that the container approximately the entire Difference between adsorption and desorption temperature only
, aufgrund dieses inneren Wärmeaustausches durchlaufen.due to this internal heat exchange.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsweise von mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren so zu verbessern, daß sie an den Anlagengrenzen zumindest quasikontinuierlich arbeiten und zusätzlich ein innerer Wärmeaustausch möglich ist.The object of the invention is to determine the mode of operation of sorption heat pumps and sorption chillers that work with solid solutions and to improve heat transformers so that they work at least quasi-continuously at the system limits and additionally an internal heat exchange is possible.
Durch die erfindungsgemäße Apparatur werden die Vorteile der mit flüsssigen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, nämlich ein großes Wärmeverhältnis durch inneren Wärmeaustausch im Lösungskreislauf sowie eine zumindest quasikontinuierliche Betriebsweise vereint mit den Vorteilen der mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, insbesondere der Möglichkeit, das oberste Temperaturniveau sehr hoch legen zu können.The apparatus according to the invention provides the advantages of the sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers working with liquid solutions, namely a high heat ratio combined by internal heat exchange in the solution cycle and an at least quasi-continuous mode of operation with the advantages of sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers working with solid solutions, especially the possibility of being able to set the uppermost temperature level very high.
Aufbau der erfindungsgemäßen ApparaturStructure of the apparatus according to the invention
Die Gesamtmenge des zum Betrieb der Apparatur benötigten festen Lösungsmittels (Sorptionsmittels) ist gleichmäßig auf mehrere Behälter, im folgenden im Uhrzeigersinn durchlaufend mit 1 bis 8 bezeichnet, verteilt (Fig. 1). Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind die Behälter in Form eines ebenen Kreises angeordnet, sie können jedoch auch in einer anderen räumlichen Weise angeordet sein. Die Anzahl der Behälter kann beliebig gewählt werden und ist im Ausführungsbeispiel mit acht gewählt. Sie wird bei jeder Anlagenauslegung individuell angepaßt.The total amount of the solid solvent (sorbent) required to operate the apparatus is evenly distributed over several Container, designated in the following clockwise continuously with 1 to 8, distributed (Fig. 1). In the embodiment of FIG the containers are arranged in the form of a flat circle, but they can also be arranged in a different spatial manner be. The number of containers can be chosen arbitrarily and is chosen to be eight in the exemplary embodiment. She will with everyone System design individually adapted.
Die Behälter werden von einer in sich geschlossenen Kreislaufleitung 9 durchzogen. In dieser Leitung, welche auch als Hilfskreislauf bezeichnet wird, zirkuliert ständig ein Wärmeträgerme-The containers are controlled by a closed circuit line 9 streaked. In this line, which is also used as an auxiliary circuit is referred to, a heat transfer medium is constantly circulating
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1' dium. Die Behälter und insbesondere die Füllung mit Lösungsmittel bzw. Lösung stehen über die Rohrwandung mit dem Wärmeträgermedium in wärmeleitendem Kontakt. Innerhalb der Behälter kann das Rohr mit Rippen oder ähnlichen Vorrichtungen versehen sein. Es können den Wärmeübergang begünstigende Vorkehrungen getroffen sein, wie z. B. Führung in Spiralen, Aufteilung in mehrere parallel geschaltete Stränge u. ä.. Zur Bewegung des Wärmeträgermediums können beispielsweise Pumpen 10 vorgesehen sein.1 'dium. The containers and especially the filling with solvent or solution are in thermally conductive contact with the heat transfer medium via the pipe wall. The tube can be inside the container be provided with ribs or similar devices. Precautions can be taken to promote heat transfer, such as z. B. Guiding in spirals, division into several parallel strands, etc. For moving the heat transfer medium For example, pumps 10 can be provided.
Durch das zirkulierende Wärmeträgermedium wird, wie weiter unten genauer ausgeführt wird, in der Behälteranordnung ein umlaufendes Temperaturprofil derart erzeugt, daß die Behälter, untereinander zeitlich verschoben, jede Temperatur von der minimalen bis zur maximalen annehmen. Da das Lösungsmittel bzw. die Lösung in jedem Behälter diese zyklischen Temperaturschwankungen nachvollzieht, kann (beispielsweise bei Anordnung dieser Apparatur als Bestandteil einer Wärmepumpe oder Kältemaschine) der Behälter, der momentan gerade die höchste Temperatur aufweist, bei hohem Druck Kältemittel desorbieren und derjenige Behälter mit der augenblikkl ich niedrigsten Temperatur bei niedrigem Druck Kältemittel adsorbieren. Beim Betrieb als Bestandteil eines Wärmetransformators erfolgt die Adsorption bei hohem Druck und hoher Temperatur und die Desorption bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur.As will be explained in more detail below, the circulating heat transfer medium creates a circulating one in the container arrangement Temperature profile generated in such a way that the containers, shifted in time, each temperature from the minimum to the assume maximum. Since the solvent or the solution in each container reproduces these cyclical temperature fluctuations, can (for example, when this apparatus is arranged as part of a heat pump or refrigeration machine) the container that is currently has the highest temperature, desorb refrigerant at high pressure and the container with the augenblikkl I adsorb refrigerant at lowest temperature at low pressure. When operated as part of a heat transformer adsorption occurs at high pressure and high temperature and desorption occurs at low pressure and low temperature.
Zum Zu- bzw. Abführen des ad- bzw. desorbierten KältemittelsFor supplying or removing the adsorbed or desorbed refrigerant
können Absperrarmaturen 11 vorgesehen sein, die in je eine gemeinsame Hochdruckleitung 13 bzw. Niederdruckleitung 14 münden. Die bei der Ad- bzw. Desorption erforderliche Ab- bzw. Zufuhr von Wärme kann beispielsweise über zusätzliche Wärmetauschereinrichtungen 12 erfolgen. Diese werden vorzugsweise zum Zeitpunkt der Ad- bzw. Desorption aktiviert. Der Wärmeaustausch beim Durchlaufen der Temperaturdifferenz zwischen Adsorption und Desorption erfolgt überwiegend zwischen den Behältern und dem Kreislauf 9.Shut-off valves 11 can be provided, each in a common High pressure line 13 or low pressure line 14 open. The removal or supply of required for the adsorption or desorption Heat can, for example, via additional heat exchanger devices 12 take place. These are preferably activated at the time of adsorption or desorption. The heat exchange when passing through the temperature difference between adsorption and desorption occurs mainly between the containers and the circuit 9.
; 1- Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Apparatur; 1- Operation of the apparatus according to the invention
Die Beschreibung der Arbeitsweise erfolgt anhand der Verwendung 5 als Bestandteil einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine. Beim Einsatz in einem Wärmetransformator erfolgen Adsorption und Desorption sinngemäß vertauscht.The description of the mode of operation is based on the use 5 as part of a heat pump or a refrigeration machine. At the When used in a heat transformer, adsorption and desorption are mutually reversed.
In der graphischen Darstellung der Fig. 2 ist die Temperatur radial vom Mittelpunkt der Figuren aus aufgetragen. Die Länge der in Fig. 2 eingezeichneten, radial nach außen zeigenden Pfeile steht dabei mit den widerzugebenden Temperaturen derart in Zusammenhang, daß ein fehlender Pfeil (Länge Null, Kreismittelpunkt) der niedrigsten auftretenden Temperatur entspricht und ein am Kreisbogen anliegender Pfeil (maximale Länge) der höchsten Temperatur. Im übrigen ist dieser Zusammenhang linear.In the graph of FIG. 2, the temperature is plotted radially from the center of the figures. The length of the Arrows pointing radially outward shown in FIG. 2 are related to the temperatures to be displayed in such a way that that a missing arrow (length zero, circle center) corresponds to the lowest occurring temperature and an arrow attached to the arc (maximum length) of the highest temperature. Otherwise this relationship is linear.
ι Die Betrachtung beginnt zu einem Zeitpunkt, in dem die in Fig. 2a j gezeigte Temperaturverteilung vorliegt: Der Behälter Nr. 1 hat die höchste Temperatur, die Desorptionstemperatur, und der Behälter Nr. 5 hat die niedrigste Temperatur, die Adsorptionstemperatur. Nach einem bestimmten Zeitraum ist durch die Wirkung des im Uhrzeigersinn umlaufenden Wärmeträgermediums das Maximum der Temperaturverteilung zum Behälter Nr. 2 hin gewandert (Fig. 2a1).The consideration begins at a point in time at which the in Fig. 2a j is the temperature distribution shown: The container no. 1 has the highest temperature, the desorption temperature, and the container No. 5 has the lowest temperature, the adsorption temperature. After a certain period of time, the effect of the im Clockwise circulating heat transfer medium, the maximum of the temperature distribution to container no. 2 migrated (Fig. 2a1).
Hierbei stehen die "Umlaufgeschwindigkeit" des Temperaturprofiles und die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in keinem einfachen, direkten Zusammenhang. Vielmehr hängt die "Umlaufgeschwindigkeit" des Temperaturprofiles außer von der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums u. a. noch von den thermischen Vorgängen bei der Adsorption und Desorption und den Wärmekapazitäten der Behälter ab.Here are the "speed of rotation" of the temperature profile and the flow rate of the heat transfer medium in no simple, direct relationship. Rather, the "speed of rotation" depends of the temperature profile except for the flow velocity of the heat transfer medium, etc. nor of the thermal processes in adsorption and desorption and the heat capacities the container off.
Da die Wärmeübertragung zwischen den Behältern und dem Wärmeträgermedium nicht reversibel verläuft, erreicht der Behälter Nr. 2 nicht ganz die Desorptionstemperatur. Er muß daher nachgeheiztBecause the heat transfer between the containers and the heat transfer medium is not reversible, container no. 2 does not quite reach the desorption temperature. It must therefore be reheated
werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschereinrichtungen 12. Auf diesem Wege kann auch zumindest teilweise die für die eigentliche Desorption erforderliche Wärme zugeführt werden. Während dieses Vorganges ist das Minimum der Temperaturverteilung vom Behälter Nr. 5 zum Behälter Nr. 6 gewandert. Wegen der vorhandenen Irreversibilitäten wurde dieser Behälter jedoch nicht ganz bis zur Adsorptionstemperatur abgekühlt. Er muß daher nachgekühlt werden. Außerdem ist die latente Adsorp-, for example with the aid of the heat exchanger devices shown in FIG. 1 12. In this way, at least some of the heat required for the actual desorption can also be used are fed. During this process, the minimum temperature distribution has moved from container no. 5 to container no. 6. However, because of the existing irreversibilities, this container was not cooled down completely to the adsorption temperature. It must therefore be re-cooled. In addition, the latent adsorption
! tionswärme abzuführen. Dies kann wiederum über die Wärmetauscher-! dissipate tion heat. This can in turn via the heat exchanger
Π0 einrichtungen 12 in Fig. 1 erfolgen. Die resultierende Temperaturverteilung zeigt Fig. 2b. Sie ist identisch mit der um 1/8 Umdrehung "weitergedrehten" Temperaturverteilung von Fig. 2a.Π0 facilities 12 in Fig. 1 take place. The resulting temperature distribution Fig. 2b shows. It is identical to the temperature distribution "rotated further" by 1/8 of a turn in FIG. 2a.
: Durch Wiederholung des beschriebenen Vorganges entsteht die in Fig. 2c gezeigte Temperaturverteilung. Aufgrund der fortlaufenden Wiederholung dieses Vorganges existiert eine ständig rotierende Temperaturverteilung. Jeder Behälter für sich betrachtet unterliegt dabei periodisch wiederkehrenden Temperaturschwankungen derart, daß er gleitend alle Temperaturstufen zwischen der Ad-: By repeating the process described, the in Fig. 2c shown temperature distribution. Due to the continuous repetition of this process, there is a constantly rotating one Temperature distribution. Each container is subject to periodically recurring temperature fluctuations in such a way that all temperature levels between the ad-
j sorptions- und der Desorptionstemperatur durchläuft.j sorption and desorption temperature runs through.
Durch den Wärmeträger-Hilfskreislauf wird also ein gerichteter innerer Wärmeaustausch bewerkstelligt. Das bedeutet, daß die für die gerade aufzuheizenden Behälter benötigte Wärme aus den ι gerade abzukühlenden Behältern freigestzt wird. Durch diese Wärmerückgewinnung innerhalb der Apparatur, kurz mit "innerer Wärmerückgewinnung" bezeichnet, wird das Wärmeverhältnis der Gesamtanlage wesentlich gesteigert.The auxiliary heat transfer circuit thus becomes a directed internal heat exchange accomplished. That means that the heat required for the container to be heated up is released from the containers to be cooled down. Through this heat recovery inside the apparatus, called "internal heat recovery" for short, is the heat ratio of the entire system significantly increased.
; Weiterhin wird aufgrund der Tatsache, daß die ad- bzw. desorbierenden Behälter ständig wechseln, im eigenlichen Kältekreislauf insbesondere also im Kondensator und im Verdampfer der Sorptionswärmepumpe, der Sorptionskältemaschine oder des Wärmetransformators, in die bzw. in den die Apparatur integriert ist - ein zumindest quasi kontinuierlicher Betrieb erreicht. Die zeitlichen Schwankungen im eigentlichen Kältekreislauf sind dabei umso geringer, je größer die Anzahl der Behälter ist.; Furthermore, due to the fact that the adsorbing or desorbing Constantly changing the container, in the own cooling circuit, in particular in the condenser and the evaporator of the sorption heat pump, the sorption chiller or the heat transformer in which the apparatus is integrated - a at least quasi-continuous operation achieved. The temporal fluctuations in the actual refrigeration cycle are all the smaller, the greater the number of containers.
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