DE3604909A1 - Waermeuebertragungselement fuer verdampfer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Handbuch der Kältetechnik, Band 7, Springer-Verlag Berlin 1959 vermittelt einen exakten Überblick über die verschiedenen Arten von Sorptionsapparaten. Sorptions­ apparate sind sowohl als Wärmepumpen als auch als Kälte­ erzeuger einsatzfähig. Besonders einfach gebaute, dabei jedoch vielseitig verwendbare Systeme, arbeiten periodisch, d. h. im Verdampfer wird nur während einer Betriebsphase, der sogenannten Sorptionsphase Wärme aufgenommen bzw. Kälte erzeugt. Arbeitsmittel, welches in der Sorptions­ phase aus dem Verdampfer verdampft, wird in der folgenden Phase, der Desorptionsphase, in einem Verflüssiger wieder kondensiert und in den Verdampfer zurückgeführt. Bei den einfachsten Sorptionsapparaten sind Verdampfer und Verflüssiger identisch. Bei ihnen muß aus dem Ver­ dampfer während der Desorptionsphase Kondensationswärme abgeführt werden. Das bedeutet, daß der Verdampfer in dieser Phase nicht nur keine Kälte liefert, sondern sogar heiß wird.

Obwohl periodische Sorptionsapparate einfach aufgebaut, leicht zu fertigen und völlig lautlos arbeiten, konnten sie sich nicht durchsetzen. Eine nur periodisch nutz­ bare Kälteerzeugung ist nur für sehr seltene Anwendungs­ fälle befriedigend. In Fällen, wo eine kontinuierliche Kälteerzeugung gefordert wird, gibt es allerdings die Möglichkeit, zwei oder mehrere, einfache Sorptionsappa­ rate so phasenverschoben zu betreiben, daß jeweils ein Verdampfer Kälte erzeugt.

Wenn der Kälteverbraucher mit allen Verdampfern gleich­ zeitig gekoppelt ist, ist die einfachste Bauart (Ver­ flüssiger=Verdampfer) nicht möglich. Jeder einzelne Sorptionsapparat benötigt dann getrennte Verflüssiger und Absperrsysteme, um in der jeweiligen Desorptions­ phase eine Rückkondensation im Verdampfer auszuschlies­ sen.

Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, den Kälteverbraucher nur während der jeweiligen Sorptions­ phase an den Verdampfer zu koppeln. Am einfachsten gelingt dies, wenn die Verdampfer mit dem Kälteverbraucher über ein pumpbares Wärmeträgermedium in Verbindung stehen. Durch eine Ventilsteuerung läßt sich dann beispielsweise das Wärmeträgermedium mit dem jeweilig kalten Verdampfer in Kontakt bringen und von den heißen Verdampfern ab­ sperren. Bei beiden Lösungswegen sind aufwendige Absperr­ organe und komplizierte Regelungen notwendig.

Obwohl die Arbeitsweise hier nur für den Anwendungsfall der Kälteerzeugung dargestellt wurde, bestehen im Fall der Wärmepumpenanwendung ähnliche Probleme. Hier muß versucht werden, möglichst viel Wärme im Verdampfer aufzunehmen. Andererseits darf keine Kondensationswärme im Verdampfer verloren gehen. Auch hier bieten sich nur die beiden oben genannten Lösungsmöglichkeiten an.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kälteverbraucher so an die Verdampfer von Kälteerzeugern zu koppeln, daß eine optimale Wärmeübertragung mit minimalem Regelungsauf­ wand erfolgen kann.

Die Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zwischen Verdampfer und Kälteverbraucher wird ein Wärme­ übertragungselement geschaltet, in welchem durch Wärme­ aufnahme eine Flüssigkeit verdampft und unter Wärmeab­ gabe am Verdampfer kondensiert und als Flüssigkeit an die Stelle der Verdampfung zurückkehrt, um dort durch erneute Wärmeaufnahme wieder zu verdampfen.

Für bestimmte Anwendungsfälle eignen sich hierzu sogenannte Wärme-Rohre, in denen die Flüssigkeit beispielsweise über Kapillarkräfte zum Ort der Verdampfung zurückgeführt werden.

Durch die Zwischenschaltung eines Wärmeübertragungs­ elementes zwischen Verdampfer und Kälteverbraucher wird sichergestellt, daß nur Wärme vom Kälteverbraucher zum Verdampfer übertragen wird und nie umgekehrt.

Bei Sorptionsapparaten kann damit auf die einfachste Bauart zurückgegriffen werden, ohne daß aufwendige Absperrorgane und komplizierte Regelungen notwendig werden.

In Fällen, wo zwei und mehr Verdampfer an ein Wärmeüber­ tragungselement gekoppelt sind, wird die Wärme vom Kälteverbraucher immer auf den Verdampfer mit der niedrigsten Temperatur übertragen. Ohne Regelung wird damit sichergestellt, daß dem Kälteverbraucher immer die kälteste Verdampfertemperatur zur Verfügung steht.

Die Wärmeübertragungselemente können mit zusätzlichen Wärmeabgabeflächen versehen sein. Über diese kann zum Beispiel Wärme an die Umgebungsluft abgeführt wer­ den, ohne daß der Kälteerzeuger in Betrieb ist. Dies ist bei allen Kälteverbrauchern nützlich, deren Wärme­ abgabe starke Temperaturschwankungen aufweist oder die nur zeitweise unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden müssen, wie dies beispielsweise zur Kraftstoff­ kühlung bei Einspritzmotoren notwendig ist.

Die Verwendung von Wärmeübertragungselementen beschränkt sich aber nicht nur auf periodische Systeme. Auch bei den sogenannten kontinuierlichen Sorptionsapparaten ergeben sich Vorteile bei der Verschaltung mehrerer Apparate.

Besonders vorteilhaft sind Apparate mit dem Sorptions­ stoff Zeolith und dem Arbeitsmittel Wasser oder Ammoniak. Zeolithe zeichnen sich durch eine gute Temperaturbe­ ständigkeit und eine hohe Adsorptionstemperatur aus. Sie sind darüber hinaus preiswert und ungiftig. Die Gleichgewichtseinstellung erfolgt innerhalb wenigen Sekunden. Hierdurch eröffnen sich interessante Einsatz­ möglichkeiten bei der Kühlung von Kühlschränken, elektronischen Bauteilen, Eisspeichern und Flüssigkeiten, wie Benzin oder Getränken.

Neben den verschiedenen Sorptionssystemen lassen sich aber auch alle bekannten Kälteerzeuger, wie Kompressions­ kältemaschinen, Peltierelemente, Eisspeicher oder Wärme­ pumpen mit dem Wärmeübertragungselement kombinieren. Als Wärmeverbraucher sind alle festen, flüssigen oder gasförmigen Medien zu verstehen, die Wärme an ein anderes Medium abgeben. Darunter fallen beispielsweise Solarkollektoren, die die Wärme an einen Wärmespeicher oder eine Wärmepumpe abgeben, genauso wie Umgebungsluft, die über ein Wärmepumpensystem abgekühlt wird.

Als Kältemittel in den Wärmeübertragungselementen eignen sich alle bekannten Stoffe, wie sie beispielsweise auch in Wärme-Rohren zum Einsatz kommen.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragungselementes, gekoppelt mit einem einfachen, periodisch arbei­ tenden Sorptionsapparat zur Kühlung eines elektronischen Bauelementes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragungselementes zur Kühlung eines fließenden Wärmeträgermediums, gekoppelt an zwei periodisch arbeitende Sorptionsapparate,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragungselementes zur Kühlung eines Kühlschrankes mit einem Kälte­ speicher.

Die Wärmeübertragungselemente WE enthalten das Kältemittel K, welches durch Verdampfen Wärme an den Verdampfer V eines Kälteerzeugers überträgt. Das an den Verdampfern V konden­ sierte Kältemittel K tropft von diesen in die Flüssigkeit zurück.

In Fig. 1 sind an die wärmeaufnehmenden Bereiche des Wärmeübertragungselementes WE elektronische Bau­ teile B gekoppelt. Das Wärmeübertragungselement WE besitzt zusätzliche Wärmeabgabeflächen WF, über welche Wärme von den elektronischen Bauelementen B an die Umgebungsluft abgeführt werden kann, falls der perio­ disch arbeitende Sorptionsapparat S im Verdampfer V keine Kälte erzeugt. Der Sorptionsapparat S enthält eine Zeolithfüllung Z, die über eine elektrische Heizung H periodisch erhitzt wird. Während der Desorptionsphasen wird aus der Zeolithfüllung Z Wasserdampf ausgetrieben, der im Verflüssiger VE kondensiert und im Verdampfer V gesammelt wird. An das elektronische Bauelement B wird dabei keine Wärme übertragen. Während der Sorptions­ phasen wird die Zeolithfüllung Z über die Kühlrippen KR abgekühlt. Aus dem Verdampfer V verdampft Wasser. Die Verdampfungskälte wird durch das Wärmeübertragungs­ element WE auf die elektronischen Bauelemente B über­ tragen.

In Fig. 2 ist das Wärmeübertragungselement WE mit zwei periodisch arbeitenden Sorptionsapparaten S gekoppelt, die phasenverschoben betrieben werden. Durch diese Betriebsweise kann immer ein Verdampfer V vom Kältemittel K Wärme aufnehmen und das Wärmeträger­ medium M kühlen. Der rechte Sorptionsapparat S enthält zwischen der Zeolithfüllung Z und dem Verdampfer V eine Absperrvorrichtung AV, die über einen Elektromagneten MA gesteuert wird. Durch die Absperrvorrichtung AV kann sichergestellt werden, daß auch nach Betriebsunterbre­ chungen sofort Kälte abrufbar ist und nicht erst der Zeitraum einer Desorptionsphase abgewartet werden muß. Um dies sicherzustellen, wird am Ende der Betriebszeit der rechte Sorptionsapparat desorbiert. Die Absperr­ vorrichtung AV ist dabei geöffnet. Mit Abschalten der Heizung H wird auch der Strom durch den Elektromag­ neten MA unterbrochen. Die Absperrvorrichtung AV wird dadurch geschlossen und die Verdampfung aus dem Ver­ dampfer verhindert. Das gesamte Kühlsystem kann somit ohne Stromanschluß beliebig lange stillgelegt werden. Zu Beginn der folgenden Betriebszeit wird die Absperr­ vorrichtung AV geöffnet und der linke Sorptionsapparat S desorbiert bis die Kühlwirkung des rechten Sorptions­ apparates S verbraucht ist.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Kühlung eines Kühlschrankes. Der Verdampfer V ist auch hier Bestandteil eines einfachen, periodisch arbeitenden Sorptionsapparates mit den Bestandteilen Verflüssiger VE, Zeolithfüllung Z, Kühlrippen KR und Heizung H. An das Wärmeübertragungselement WE ist auf der wärmeaufnehmenden Seite ein Eisspeicher E angeschlossen. Dieser Eisspeicher übernimmt die Kühlleistung des Kühlschrankes während der Desorptionsphase, in denen die Temperatur im Verdampfer V auf die Temperatur des Verflüssigers VE ansteigt. Durch die Kombination von Wärmeübertragungselementen WE mit einfachen Sorptionsapparaten ist der Betrieb von Kühl­ schränken möglich, die nur durch Wärme betrieben werden, erschütterungsunabhängig sind und dank der besonderen Eigenschaften der Zeolithfüllung auch bei hohen Umge­ bungstemperaturen funktionsfähig bleiben.

Claims (7)

1. Wärmeübertragungselement zur Wärmeübertragung von einem Kälteverbraucher an einen Verdampfer eines Kälteerzeugers, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement ein Kältemittel enthält, welches durch Wärmeaufnahme vom Kälte­ verbraucher verdampft, zum Verdampfer strömt, dort unter Wärmeabgabe an den Verdampfer konden­ siert und in flüssiger Phase zum Ausgangspunkt der Verdampfung zurückkehrt.

2. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement ein Wärme-Rohr ist.

3. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement gleichzeitig an Verdampfer mehrerer Kälteerzeuger gekoppelt ist.

4. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement Wärmeabgabeflächen enthält, über welche eine Wärmeabgabe an ein wei­ teres Medium möglich ist.

5. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteverbraucher ein Kältespeicher ist.

6. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteerzeuger ein Sorptionsapparat ist.

7. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionsapparat mit dem Stoffpaar Zeolith/ Wasser arbeitet.