DE3633465C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskältemaschine mit einem Vakuumgefäß mit einem ersten Rippenrohr innerhalb des Gefäßes zum Leiten eines Wärmeübertragungsmediums auf der Wärmequellenseite, wobei auf das erste Rippenrohr ein Adsorbens aufgebracht und zwischen Rippenzwischenräumen gehalten wird, und das Adsorbens als Bett für die Adsorption und die Desorption eines Kältemittels dient, und mit einem Verdampfer-Kondensator innerhalb des Gefäßes zum Leiten eines Wärmeübertragungsmediums auf der Nutzseite, das durch die Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer gekühlt wird.

Die weltweite Verknappung und Erschöpfung der Energiequellen ist zu einem ernsthaften Problem insbesondere für solche Länder geworden, die arm an Energiequellen sind. Daher ist eine strikte Kontrolle verschwenderischen Verbrauchs an Energiequellen erforderlich.

Es bestehen verschiedene Arten von Energiequellen, wie Niedrigtemperatur-Wärmequellen von weniger als 80°C, beispielsweise Kühlwasser nach der Gewinnung von Hochtemperaturwärme in Heizkraftwerken oder in chemischen Anlagen erzeugte Wärme etc. Dort wird jedoch die Wärme nicht genutzt, weil Wirkungsgradprobleme hinsichtlich der Wiedergewinnungsapparate und der Wiedergewinnungskosten bestehen.

Auf dem Gebiet der Nutzungstechnologie für Solarwärmeenergie als sogenannte saubere Energie ist es bekannt, ein Niedrigtemperatur-Heizmedium von weniger als 80°C auszunutzen, welches leicht verfügbar ist durch einen Plattenwärmekollektor. Dies ist als Wärmequelle für die Luftklimatisierung höchst vorteilhaft, soweit es die Apparatekosten und die Betriebsausgaben betrifft. Wenn in diesem Fall jedoch das Luftkonditioniersystem bzw. das Luftklimatisierungssystem aus einer herkömmlichen Absorptionskältemaschine besteht, und zwar wegen einer zu geringen Temperatur der Wärmequelle, so kann diese nicht die Temperaturkonditionen eines allgemeinen Luftkonditioniersystems erfüllen, d. h. eine Einlaßtemperatur des Kühlwassers von 30°C, eine Kühleinlaßtemperatur von 12°C und eine Auslaßtemperatur des Kühlwassers von 7°C und eine groß bemessene Konstruktion der Kältemaschine. Dies gibt Anlaß zu unvermeidbaren Apparatekosten.

Es ist eine Adsorptionskältemaschine der einleitend genannten Art bekannt, die in Fig. 8 dargestellt ist.

Diese Adsorptionskältemaschine besteht aus einem seitlich länglichen, zylindrischen Vakuumgefäß (1), in dem sich abgedichtet eine bestimmte Menge eines Kältemittels befindet. Innerhalb des Gefäßes sind in bestimmten Intervallen gerippte Wärmeübertragungsrohre (2, 2′) horizontal angeordnet, durch die ein von einem Solarenergiekollektor kommendes Heizmedium strömt. Außerdem befindet sich innerhalb des Gefäßes ein tellerförmiger Verdampfer-Kondensator (4, 4′), der integral mit linearen Leitungen (3, 3′) versehen ist, und zwar für das Hindurchleiten eines nutzseitigen Heizmediums. Eine zylindrische Abschirmung (5) mit einem Exhalationswiderstand umgibt den Verdampfer-Kondensator (4, 4′). Ein festes Adsorbens (7), wie Zeolit, aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminium oder Silicagel, ist in den Zwischenräumen zwischen gegenüberliegenden Rippen (6) am Außenumfang der Wärmeübertragungsrohre (2, 2′) eingefüllt.

Bei diesem Apparat werden in der Desorptionsbetriebsstufe, wenn ein von einer Wärmequelle zugeliefertes Strömungsmittel durch die Wärmeübertragungsrohre (2, 2′) geleitet wird, um das feste Adsorbens (7) zu erwärmen und eine Desorption zu verursachen, die von dem Adsorbens (7) ausgedünsteten Kältemitteldämpfe kondensiert, um sich an den Oberflächen des Verdampfers-Kondensators (4, 4′) abzusetzen. Andererseits adsorbiert in der Adsorptionsbetriebsstufe, wenn ein Kühlwasser durch die Wärmeübertragungsrohre (2, 2′) strömt, um das feste Adsorbens (7) zu kühlen, das Adsorbens (7) die Kältemitteldämpfe innerhalb des Vakuumgefäßes (1) und die Kältemittelflüssigkeit auf den Oberflächen des Verdampfers-Kondensators (4, 4′) im Dampfzustand. Wenn das Kältemittel auf den Oberflächen des Verdampfers-Kondensators (4, 4′) verdampft wird und adsorbiert werden soll, so wird die latente Verdampfungswärme entzogen und das nutzseitige Wärmeübertragungsmedium gekühlt, das durch die Leitungen (3) des Verdampfers-Kondensators (4, 4′) strömt. Auf diese Weise wird die Adsorption und die Desorption alternativ wiederholt, um das nutzseitige Übertragungsmedium zu kühlen, welches für die Luftklimatisierung von Gebäuden etc. verwendet wird. Diese Art der Adsorptionskältemaschine ist beispielsweise offenbart in der japanischen Patentveröffentlichung JP 60-36 852 (1985) A1.

Bei einer Adsorptionskältemaschine, bei der ein Adsorbens verwendet wird, wird die Kälteleistungsfähigkeit pro Zeiteinheit um so mehr verstärkt, je kürzer die Zeit ist, die für die Adsorption und die Desorption eines Adsorbens (7) erforderlich ist. Im Zusammenhang damit wird ebenfalls die Kälteleistungsfähigkeit bei einem kontinuierlichen Betrieb erheblich verbessert. Die Menge an Kältemittel im Gefäß (1) (nämlich die gesättigte Adsorptionsmenge des Adsorbens) wird unter Bezugnahme auf die vorstehenden Ausführungen auf der Basis der Temperaturkonditionen des Luftklimatisierungssystems bestimmt, wenn die Maschine in Betrieb ist, d. h. die Kälteleistungsfähigkeit und das Einstellen der Temperaturen. Gleichzeitig wird die erforderliche Menge an Adsorbens unbedingt bestimmt. Vorausgesetzt, daß die Menge an Adsorbens bestimmt ist, so hängt als Folge die Zeit des Adsorption-Desorption-Zyklus, insbesondere die Geschwindigkeit der Adsorptionsstufe, erheblich von der Gestaltung des Wärmeübergangsrohres (2) ab, in das das Adsorbens eingepackt ist und wo dieses gehalten wird.

Auf der Seite des Verdampfer-Kondensators kann die Fähigkeit des Zurückhaltens der Kondensation des Kältemittels und insbesondere die des Zurückhaltens des Kältemittels in Form eines homogenen und möglichst dünnen Flüssigkeitsfilms die Adsorption des Adsorbens (7) beschleunigen.

Neben der Adsorption-Desorptionsgeschwindigkeit des Adsorbens und einer Kältemittelhaltefähigkeit der Verdampfer-Kondensator-Seite entsprechend der vorstehenden Beschreibung, ist ein Überschuß und ein Defizit an Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes weiterhin kritisch und beeinflussend für die Kälteleistungsfähigkeit der Adsorptionskältemaschine und somit auch kritisch hinsichtlich der Regelung der Kältemittelmenge.

Die Verantwortlichkeit für den Überschuß und das Defizit der Kältemittelmenge wird nachfolgend erläutert:

Ein Betriebsbeispiel mit einer Adsorptionskältemaschine wird nun auf der Basis des Diagramms der Fig. 9 beschrieben, in der die Eigenschaften eines Adsorbens dargestellt sind.

Wenn die Desorption beendet ist, werden die Konditionen wie folgt angenommen:

Temperatur des Adsorbens: 80°C
Kondensationstemperatur: 30°C
Adsorbens: Silicagel
Kältemittel: Wasser

Der spezifische Dampfdruck (P/P₀) ist 0,09, und zwar berechnet:

Bei diesem Wert beträgt die Adsorptionsmenge 0,072 kg/kg und zwar intrapoliert aus der Grafik in Fig. 9 (Punkt A). Zu dem Zeitpunkt, wenn die Adsorption beendet ist, beträgt die Adsorptionstemperatur angenommenerweise 30°C und die Verdampfungstemperatur 5°C. Der spezifische Dampfdruck beträgt 0,2, berechnet wie folgt:

P/P₀ = 6,54 mmHg/31,8 mmHg = 0,2

Hier beträgt die Adsorptionsmenge des Silicagels zum Kältemittel 0,125 kg/kg, und zwar intrapoliert von der Grafik in Fig. 9 (Punkt B).

Daher beträgt die an der Kältearbeit beteiligte Kältemittelmenge (Zirkulierungsmenge des Kältemittels) 0,053 kg/kg (= 0,125-0,072).

Sogar wenn andererseits der spezifische Dampfdruck zum Zeitpunkt der Beendigung der Desorption der Wert am Punkt A ist, und wenn angenommen wird, daß die Adsorptionstemperatur 30°C und die Verdampfungstemperatur 10°C beträgt, wenn die Adsorption beendet ist, so beträgt der spezifische Dampfdruck 0,29 (P/P₀ = 9,26 mmHg/31,8 mmHg = 0,29). Hier beträgt die Adsorptionsmenge 0,16 kg/kg (intrapoliert von der Grafik der Fig. 9 am Punkt C). Die Kältemittelzirkulationsmenge ist auf 0,088 kg/kg (= 0,16-0,072) erhöht.

Es ist hieraus zu folgern, daß sogar dann, wenn der spezifische Dampfdruck nach Beendigung der Desorption derselbe ist, ein Anstieg der Verdampfungstemperatur zum Zeitpunkt der Beendigung der Adsorption und ein Abfallen der Adsorbenstemperatur die Zirkulationsmenge des Kältemittels erhöht. Dementsprechend sollte die Kälteleistungsfähigkeit verbessert werden.

Wenn jedoch die Füllmenge des Kältemittels so vorbestimmt ist, daß das Kältemittel zwischen Punkt A und Punkt B zirkulieren kann, und zwar sogar wenn der Versuch gemacht wird, zwischen dem Punkt A und dem Punkt C zu arbeiten, indem die Einstelltemperaturen geändert werden, so wird ein Mangel, d. h. ein Defizit an Kältemittelmenge, die Kälteleistungsfähigkeit beeinträchtigen. Wenn dagegen die Füllmenge des Kältemittels so vorbestimmt ist, daß das Kältemittel zwischen Punkt A und Punkt C zirkulieren kann, wenn die Betriebsbedingungen auf solche zwischen den Punkten A und B geändert werden, so wird die Kältemittelmenge überschüssig und das überschüssige Kältemittel setzt sich auf der Innenfläche des Vakuumgefäßes (1) ab. Wenn das Kältemittel verdampft wird, wird es als Energie für das Kühlen des Vakuumgefäßes (1) verbraucht, was mit einem Energieverlust verbunden ist.

Die zuvor erwähnte und diskutierte bekannte Adsorptionskältemaschine hat im allgemeinen die Ausnutzung einer Wärmequelle mit relativ hoher Temperatur von 100 bis 300°C zum Ziel und kann so aufgebaut sein, daß die Adsorbenstemperatur zum Zeitpunkt der Beendung der Desorption hoch sein und der Kältemitteladsorptionsbetrag groß sein kann, wodurch die Kälteleistungsfähigkeit entsprechend der Forderung sichergestellt werden kann. Entsprechend sind für das Wärmeübertragungsrohr (2) die Rippenform, die Rippenhöhe etc., nicht nach besonderen Überlegungen festgelegt. Üblicherweise wird ein geripptes Wärmeübertragungsrohr verwendet, das in der Lage ist, ein festes Adsorbens am Außenumfang zu halten.

Wenn die bekannte Maschine unter Ausnutzung einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle von weniger als 80°C betrieben wird, wird die Kältemitteladsorptionsmenge um ein erhebliches Ausmaß reduziert und die Kälteleistungsfähigkeit pro Zeiteinheit wird erheblich herabgesetzt. So können die Temperaturkonditionen eines Luftklimatisierungssystems nicht zufriedengestellt werden.

Um diese Probleme zu überwinden ist es nicht unmöglich, die Packungsmenge des Adsorbens und die Anzahl der Wärmeübertragungsrohre zum Halten des Adsorbens zu erhöhen. Dies bringt jedoch Probleme hinsichtlich der Größe der Maschine und der Herstellungskosten mit sich.

Ein weiteres Problem hinsichtlich des Verdampfer-Kondensators (4, 4′) in Trogform besteht darin, daß ein relativ kleiner Kältemittelhaltebereich vorhanden ist. Außerdem erfolgt keine Kontrolle der Dicke des flüssigen Kältemittelfilms auf diesem Verdampfer-Kondensator. Somit könnte durch die Verwendung des trogförmigen Verdampfer-Kondensators die Kälteleistungsfähigkeit nicht ausreichend verbessert bzw. ausgedehnt werden.

Ein weiteres Problem im Zusammenhang mit den trog- oder tellerförmigen Verdampfer-Kondensatoren besteht bei der Desorptionsbetriebsstufe, da ein Temperaturunterschied zwischen dem Einlaß und Auslaß für das Kühlwasser an der Seite des Verdampfer-Kondensators besteht und die Kondensationsmenge des Kältemittels, nämlich die Dicke des flüssigen Kältemittelfilms auf den Flächen des Verdampfer-Kondensators ist über die gesamte Oberfläche nicht gleichförmig. Bei einer größeren Dicke des Flüssigkeitsfilms als eine vorbestimmte Dicke liegt eine geringere Verdampfungsgeschwindigkeit vor, d. h. die Verdampfung erfolgt zu spät und die Adsorption-Desorption- Zykluszeit wird verlängert. Das flüssige Kältemittel, das sich nicht länger halten kann, tropft auf den Boden des Gefäßes und setzt sich auf dessen Oberfläche ab. Das so abgesetzte Kältemittel wird beim Adsorptionsbetrieb verdampft, um das Gefäß zu kühlen. Somit wird Energie verbraucht, die nicht zur Kälteleistungsfähigkeit beiträgt. Dies führt zu einer Reduzierung des Gesamtwirkungsgrades der Kältemaschine.

Bei der bekannten Adsorptionskältemaschine tritt ein Wechsel der Temperaturkonditionen aufgrund der Lastveränderungen der Adsorptionskältemaschine auf, da das Kältemittel, welches hermetisch in das Vakuumgefäß (1) eingefüllt ist und an der Adsorption und Desorption teilnimmt, stets in einer konstanten Menge eingefüllt ist. Wenn beispielsweise eine bestimmt eingestellte Temperatur so eingestellt wird, daß sie aufgrund der Zunahme der Last an der Nutzseite abfällt, so ist zu wenig Kältemittelmenge vorhanden, um eine ausreichende Kälteleistungsfähigkeit zu erbringen. Wenn dagegen eine Lastabnahme an der Nutzseite zu einem Überschuß an Kältemittelmenge führt, so nimmt der flüssige Kältemittelfilm an den Oberflächen des Verdampfer-Kondensators nicht nur über einen vorbestimmten Wert an Dicke zu, was zu einer Reduktion des Wärmeübergangskoeffizienten führt, sondern das Kältemittel tropft auch auf den Boden des Vakuumgefäßes (1) mit der Folge, daß das abgetropfte flüssige Kältemittel nach der Adsorption durch das Kühlen des Gefäßes selbst einen Energieverlust verursacht.

Es ist eine weitere Adsorptionskältemaschine der einleitend genannten Art bekannt (US-PS 45 48 046), bei welcher der Verdampfer-Kondensator aus ebenen Platten gebildet ist. Bei dieser bekannten Adsorptionskältemaschine bestehen im wesentlichen die gleichen Nachteile wie bei der zuvor erläuterten in Fig. 8 dargestellten bekannten Adsorptionskältemaschine.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Adsorptionskältemaschine derart auszuführen, daß bei verbesserter Wärmeübertragung zwischen den Rippen des ersten Rippenrohres und dem festen Adsorbens der Verdampfer-Kondensator einen verhältnismäßig großen Kältemittelhaltebereich hat und über die gesamte Oberfläche des Verdampfer-Kondensators ein gleichmäßiger Film des flüssigen Kältemittels erhalten wird.

Gelöst wird diese Aufgabe, ausgehend von einer Adsorptionskältemaschine der einleitend genannten Art, gemäß der Erfindung dadurch, daß der Verdampfer-Kondensator von einem zweiten Rippenrohr gebildet ist, und daß das erste Rippenrohr eine Rippenteilung von 1 bis 10 mm und eine Rippenhöhe von 5 bis 20 mm hat und mit kontinuierlichen Lücken zwischen den Adsorbenspartikeln im Bereich der Rippenzwischenräume versehen ist.

Bei einer Adsorptionskältemaschine gemäß der Erfindung ist als Folge der besonderen Rippenteilung und Rippenhöhen mit den kontinuierlichen Lücken die Wärmeübertragung zwischen den Rippen und dem festen Adsorbens verbessert, so daß beispielsweise auch bei einer Temperatur der Wärmequelle von weniger als 80°C gute Kälteleistungsfähigkeit erhalten wird. Die Kälteleistungsfähigkeit wird weiter verbessert durch eine große Kältemittelhaltefläche des Verdampfer-Kondensators, wobei gleichzeitig der Film flüssigen Kältemittels an den Rippen des Verdampfer-Kondensators auf eine gleichförmige optimale Dicke steuerbar ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Adsorptionskältemaschine gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Kältemittelheizeinrichtung vorgesehen ist, um das Kältemittel in der Desorptionsstufe zu erwärmen und zu verdampfen, wenn es vom Adsorbens abgegeben ist, und daß die Heizeinrichtung im Bodenbereich des Gefäßes angeordnet ist, wodurch das Wärmeübertragungsmedium an der Nutzseite durch die Adsorption und Desorption des Kältemittels zum und vom Adsorbens gekühlt wird.

Die Kältemittelheizeinrichtung ist vorzugsweise im Bodenbereich des Gefäßes angeordnet und sie dient der Überführung des nach unten auf den Boden des Gefäßes fließenden Kältemittels in Dampf, wodurch der gesamte Kältemittelflüssigkeitsfilm auf der Verdampfer-Kondensatorseite gehalten wird. Dadurch erfolgt eine Geringhaltung des Energieverlustes durch Kühlen des Gefäßes und ein Anheben des Systemwirkungsgrades.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Adsorptionskältemaschine gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelheizeinrichtung auch als Kühleinrichtung ausgebildet ist, um das Kältemittel in der Desorptionsstufe durch Erwärmen zu verdampfen und die Kältemitteldämpfe in der Kältemittelmengen-Einstellstufe durch Kühlen zu kondensieren, und daß ein Kältemittelreservoir unterhalb des Bodens des Gefäßes vorgesehen und über eine Leitung und ein Ventil mit dem Boden des Gefäßes verbunden ist, und das Gefäß im Falle eines überschüssigen Kältemittels im Gefäß als Reservoir dient, um darin überschüssiges Kältemittel wiederzugewinnen, und im Fall eines Defizits an Kältemittel im Gefäß dazu dient, dieses Defizit an Kältemittel dem Gefäß zuzuführen. Die Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung im Bodenbereich des Gefäßes und der Kältemittelreservoirbehälter dienen dem Wiedergewinnen bzw. Aufnehmen überschüssigen Kältemittels und dem Kompensieren eines Defizits an Kältemittel. Der Behälter ist über eine mit einem Vakuumventil ausgestattete Leitung mit dem Boden des Gefäßes verbunden. Dadurch kann die Kältemittelmenge auf eine solche Menge eingestellt werden, die mit den vorbestimmten Temperaturkonditionen kompatibel ist, so daß der Systemwirkungsgrad erhöht werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig 1 eine vordere Querschnittsansicht eines Beispiels einer Adsorptionskältemaschine der Erfindung,

Fig. 2 eine seitliche Querschnittsansicht einer Adsorptionskältemaschine der Fig. 1,

Fig. 3 eine fragmentarische, vergrößerte Schnittansicht mit der Darstellung eines ersten Rippenrohres und eines zweiten Rippenrohres im Zusammenhang mit der vorgenannten Maschine,

Fig. 4 ein Kreisdiagramm eines Luftklimatisierungssystems, bei dem die vorgenannte Adsorptionskältemaschine Anwendung findet, wobei Fig. 4a die Desorptionslaufstufe, Fig. 4b die Adsorptionslaufstufe und Fig. 4c die Kältemittelwiedergewinnungsstufe zeigt,

Fig. 5 eine Grafik mit der Darstellung der Abhängigkeit der Adsorptionsgeschwindigkeit von der Rippengröße des ersten Rippenrohres,

Fig. 6a und 6b jeweils eine schematische Ansicht mit der Darstellung des Zustandes, in dem das zweite Rippenrohr angeordnet ist,

Fig. 7 eine Grafik mit der Darstellung der Abhängigkeit der Adsorptionsgeschwindigkeit der Gestaltung des zweiten Rippenrohres,

Fig. 8 eine Ansicht einer bekannten Adsorptionskältemaschine und

Fig. 9 eine Grafik mit der Darstellung des Verhältnisses zwischen dem spezifischen Dampfdruck und der vom Adsorbens adsorbierten Adsorptionsmenge.

Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 beschrieben.

Ein Vakuumgefäß (11), in das eine gewünschte Menge an Kältemittel hermetisch abgeschlossen eingefüllt ist, umgibt in seinem Inneren ein erstes Rippenrohr (12) für das Führen eines Wärmeübertragungsmediums darin, welches von einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle kommt, beispielsweise ein Wärmeübertragungsmedium von weniger als 80°C. Weiterhin befindet sich in dem Gefäß ein zweites Rippenrohr (14), durch das ein gebrauchsseitiges Wärmeübertragungsmedium strömt. Das erste Rippenrohr (12) hält eine Packung eines granulatförmigen festen Adsorbens (19), wie ein granulatförmiges Silicagel, welches sich in Rippenzwischenräumen (18) zwischen den Rippen befindet.

Das erste Rippenrohr (12) ist so aufgebaut, daß es eine Rippenteilung (P) von 1 bis 10 mm hat und eine Rippenhöhe (H) von 5 bis 20 mm. In den Rippenzwischenräumen (18) sind unter den Adsorbensgranulatkörpern auf kontinuierliche Weise über die Tiefe des Adsorbensbettes Lücken (21) ausgebildet, damit die Kältemitteldämpfe innerhalb des Gefäßes (11) frei passieren können und somit soweit als möglich eine gute Berührung zwischen dem Adsorbens (19) und den Kältemitteldämpfen sichergestellt ist.

Für das erste Rippenrohr (12) und das zweite Rippenrohr (14) kann ein Wärmeaustauscher des Aerofintyps verwendet werden, bei dem horizontale Rippen (17, 23) am Außenumfang von vertikalen Wärmeübertragungsrohren (16, 22) angebracht sind. Der Wärmeaustauscher kann auch vom Querrippentyp sein, bei dem eine Vielzahl von Wärmeübertragungsrohren (16, 22) durch rechtwinklige Rippen (17, 23) verbunden sind.

Insbesondere das zweite Rippenrohr (14) ist so ausgebildet, daß dessen Wärmeübertragungsbereich groß genug ist, da es erforderlich ist, die Gesamtmenge des Kältemittels innerhalb des Gefäßes (11) auf dessen Oberfläche zu kondensieren und das gesamte Kältemittel in einem Flüssigfilmzustand zu halten. Wenn nötig ist das Wärmeübertragungsrohr mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen (mit vielen Vorsprüngen und Eindrücken) um so die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die aus einem Vakuumgefäß und dem ersten und zweiten Rippenrohr aufgebaute Adsorptionskältemaschine im Bodenbereich des Gefäßes (11) mit Kältemittelheiz- und -kühlmitteln (26) versehen, um das Kältemittel zu erwärmen oder abzukühlen. Unter dem Gefäß (11) befindet sich ein Kältemittelreservoir­ behälter (29) zum Wiedergewinnen überflüssigen Kältemittels, welches am Boden des Gefäßes stagniert oder zum Auffrischen mit fehlendem Kältemittel. Der Behälter ist über eine Leitung (28) mit dem Gefäß verbunden, wobei sich in der Leitung ein Ventil (27) befindet.

Die Kältemittelheizeinrichtung oder die Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung (26) umfaßt üblicherweise einen Hohlbehälter und ein Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite oder ein Kühlwasser, welches dem Behälter zugeführt wird, um dadurch das Kältemittel zu erwärmen und/oder zu kondensieren.

Die Adsorptionskältemaschine des zuvor beschriebenen Aufbaus arbeitet wie folgt:

Ein Wärmeübertragungsmedium wird an der Wärmequellenseite durch das erste Rippenrohr (12) geleitet, um das Adsorbens (19) zu erwärmen und so die Desorption zu induzieren. Gemeinsam damit strömt ein Kühlwasser durch das zweite Rippenrohr (14), auf dem die vom Adsorbens (19) desorbierten Kältemitteldämpfe kondensieren und das Kältemittel wird als Flüssigkeitsfilm gehalten.

Während dieser Stufe wird auf dem ersten Rippenrohr (12) eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Adsorbens (19) aufrecht erhalten, welches in den Rippenzwischenräumen (18) aufgrund der Tatsache gepackt gehalten wird, daß die Rippenteilung (P) und die Rippenhöhe (H) auf 1 bis 10 mm bzw. 5 bis 20 mm eingestellt sind und daher die für die Desorption erforderliche Zeit verkürzt wird.

In der Adsorptionsbetriebsstufe wird ein gebrauchsseitiges Wärmeübertragungsmedium durch das zweite Rippenrohr (14) geleitet, während ein Kühlwasser durch das erste Rippenrohr (12) strömt, um das Adsorbens (19) zu kühlen, welches seinerseits die Kältemitteldämpfe innerhalb des Gefäßes (11) adsorbiert. Gleichzeitig wird die Kältemittelflüssigkeit auf der Oberfläche des zweiten Rippenrohres (14) verdampft, um die latente Verdampfungswärme auf dem zweiten Rippenrohr (14) zu entziehen und das Heizmedium an der Gebrauchsseite wird gekühlt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Wärmeübertragung zwischen dem Adsorbens (19) und dem ersten Rippenrohr (12) auf der Seite des ersten Rippenrohres (12) wirksam gehalten und zwar wegen der optimalen Rippenteilung (P) und der Rippenhöhe (H), wodurch die Kühlwirkung des Adsorbens (19) verstärkt wird. Weiterhin schafft die Anwesenheit der Passagelücken (21) in den Rippenzwischenräumen (18) eine gute Kontaktierung zwischen den Kältemitteldämpfen und dem Adsorbens (19) und somit eine hohe Adsorptionsgeschwindigkeit.

Auf diese Weise wird die für den Adsorptions-Desorptions- Zyklus erforderliche Zeit verkürzt, so daß die Kälteleistungsfähigkeit verstärkt wird, ohne daß ein Erfordernis für das Erhöhen der Adsorbensmenge besteht. Somit ist ein kontinuierlicher Verlauf der Kälteleistungsfähigkeit sichergestellt, und zwar mit einer Erfüllung der Temperaturkonditionen eines allgemeinen Luftkonditioniersystems. Somit kann beispielsweise sogar eine Niedrigtemperatur-Wärmequelle von weniger als 80°C wirksam für das Luftkonditioniersystem verwendet werden.

Wenn die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes (11) übermäßig wird, und zwar aufgrund einer Änderung der eingestellten Temperaturen der vorhandenen Adsorptionskältemaschine, während das Heizmedium an der Wärmequellenseite durch das erste Rippenrohr (12) geleitet wird, um die Desorption des Kältemittels vom Adsorbens (19) zu verursachen, wird das Kältemittel durch den Kältemittelheizer-Kondensator (26) gekühlt und am Boden des Gefäßes (11) kondensiert. Wenn danach das Ventil (27) geöffnet wird, wird die gesamte Menge des Kältemittels innerhalb des Gefäßes automatisch durch Schwerkraftwirkung über die Leitung (28) zum Kältemittelreservoirbehälter (29) wiedergewonnen. In diesem Zustand wird das Ventil (27) geöffnet, wenn erneut ein erforderlicher Betrag des Kältemittels in das Gefäß (11) gefüllt wird und zwar während der Adsorptionslaufstufe, wenn ein Kühlwasser durch das erste Rippenrohr (12) strömt, um das Adsorbens (19) zu kühlen und ein gebrauchsseitiges Wärmeübertragungsmedium durch das zweite Rippenrohr (14) geleitet wird. Somit wird das Kältemittel innerhalb des Kältemittelreservoirbehälters (29) in Dampfform dem Gefäß (11) zugeleitet. Das Adsorbens (19) adsorbiert das Kältemittel in einer erforderlichen Menge. Derselbe Vorgang wird ebenso dann durchgeführt, wenn eine fehlende Kältemittelmenge aufgrund der Veränderungen der Laufbedingungen kompensiert werden soll.

Ob die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes (11) die Menge entsprechend den vorbestimmten Temperaturbedingungen erreicht oder nicht, kann genau mit Hilfe eines Drucksensors festgestellt werden, der in das Gefäß (11) eingeführt ist, um den gesättigten Dampfdruck bei einer definitiven Kondensationstemperatur in Form von Druckänderungen innerhalb des Gefäßes (11) gemessen wird. Entsprechend den Richtungen des Sensors kann das Ventil (27) geöffnet oder geschlossen werden.

Nunmehr werden die Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

In Fig. 1, 2, 3 und 4a, 4b, 4c bezeichnet das Bezugszeichen (11) ein Gefäß als Körper der Adsorptionskältemaschine. Das Bezugszeichen (12) bezeichnet ein erstes Rippenrohr als dünner Wärmeaustauscher des Querrippentyps, der sich innerhalb des Raums (13) des Gefäßes (11) befindet. Das Bezugszeichen (14) bezeichnet ein zweites Rippenrohr, das sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer dient und sich parallel zum ersten Rippenrohr (12) mit einem bestimmten Intervall im Gefäß (11) befindet. Das Bezugszeichen (15) bezeichnet einen Drucksensor zum Feststellen des Druckes innerhalb des Gefäßes. Innerhalb des Gefäßes (11) ist eine vorbestimmte Menge eines Kältemittels, wie Wasser, hermetisch eingefüllt. Im Innenraum (13) des Gefäßes (11) wird ein Vakuum aufrecht erhalten.

Das erste Rippenrohr (12) ist so angebracht, daß es eine Vielzahl von horizontalen Rippen (17) aufweist, die vertikal am Außenumfang eines vertikalen Wärmeübertragungsrohres (16) angebracht sind. In Rippenzwischenräumen (18) des Außenumfangs des Wärmeaustauscherrohres ist ein granulatförmiges festes Adsorbens (19) gepackt und wird dort festgehalten, bedeckt durch darauf angebrachte Drahtnetze (20, 20′).

Das erste Rippenrohr (12) ist so ausgelegt, daß es eine Rippenteilung von 1 bis 10 mm und eine Rippenhöhe von 5 bis 20 mm hat. Der Partikeldurchmesser des Adsorbens (19) und die Größe der Packlücken (21) zwischen dem in den Rippenzwischenräumen (18) gepackten Adsorbensgranulat werden so gewählt, daß die Kältemitteldämpfe frei durch die Lücken (21) passieren können und ohne weiteres mit einem Teil des Adsorbens (19) in Berührung gelangen kann, welches sich in der Nähe der Fläche des Wärmeübertragungsrohres (16) befindet.

Der Ausdruck "Rippenhöhe (H)", wie er in der gesamten Beschreibung verwendet wird, versteht sich als Abstand von der Außenfläche des Wärmeaustauscherrohres (16), d. h. der Wurzel der Rippe (17) zum Auslaß und Einlaß der Kältemitteldämpfe am äußersten freien Ende des Rippenzwischenraumes (18). Wenn die Rippe (17) eine poligonale Form hat, d.h. keine Kreisform konzentrisch mit dem Wärmeübertragungsrohr (16), so ist ein Durchschnittswert der Radialabstände gemeint. Dementsprechend ist die Rippenhöhe für einen Querrippentyp des Wärmeaustauschers definiert als eine Dicke des gesamten Wärmeaustauschers ebenso wie der Orientierungsabstand zwischen den Wärmeaustauschrohren (16).

Hinsichtlich des Adsorbens ist auszuführen, daß, je kleiner der Partikeldurchmesser ist, um so größer der Berührungsbereich mit den Kältemitteldämpfen pro Einheitsmenge ist. Außerdem ist es möglich, die Adsorptionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Wenn jedoch der Partikeldurchmesser zu klein ist, dann ist die Packdichte zu hoch und die Kältemitteldämpfe haben Schwierigkeiten, durch die Lücken (21) zu gelangen. Es ist daher wesentlich, daß der Partikeldurchmesser des Adsorbens so gewählt wird, daß die vorgenannten Bedingungen in Betracht gezogen werden.

Das zweite Rippenrohr (14) ist ebenso entsprechend einem Wärmeaustauscher des Querrippentyps aufgebaut, und zwar ähnlich dem ersten Rippenrohr (12). Die Rippen (23) sind horizontal am Außenumfang der vertikalen Wärmeübertragungsrohre (22) angebracht. Beim zweiten Rippenrohr (14) kann die Gesamtmenge des auf der Oberfläche kondensierten Kältemittels gleichförmig in einem möglichst dünnen Flüssigkeitsfilmzustand gehalten werden. Auf den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre (22) und der Rippen (23) sind eine rauhe Oberfläche (Vorsprünge und Eindrücke) (24) und eine gewellte Oberfläche (25) ausgebildet, und zwar jeweils zur Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche.

Das Gefäß (11) ist in seinem Bodenbereich mit einem Behälter (26) versehen, der dazu dient, die Bodenfläche (11 a) des Gefäßes zu erwärmen oder zu kühlen, indem warmes Wasser oder Kühlwasser durch den Behälter gelangt.

An der Stelle unterhalb des Behälters (26) ist ein Kältemittelreservoir (29) gewünschten Volumens installiert, welches stets ein Vakuum halten kann und über eine Leitung (28) mit dem Behälter (26) verbunden ist. Die Leitung (28) ist auf der Mitte des Weges mit einem Vakuumventil (27) ausgerüstet.

Die Adsorptionskältemaschine des vorgenannten Aufbaus ist beispielsweise mit einem Luftkonditioniersystem versehen, welches nachfolgend beschrieben wird.

Eine Einlaßöffnung (12 a), die am ersten Rippenrohr (12) vorgesehen ist, ist über ein Dreiwegeventil (V ₁) mit einem Heizmediumauslaß (30 a), einer Niedrigtemperatur-Wärmequelle (30) verbunden, wie einem Sonnenenergiekollektor, einen Boiler oder einen Wärmeaustauscher für Abfallwärmewiedergewinnung. Außerdem ist die Einlaßöffnung (12 a) über das Dreiwegeventil mit einem Kühlwasserauslaß (31 a), einer Kühlwasserversorgungsquelle (31), wie einem Kühlturm, verbunden und zwar über Pumpen (P₁) bzw. (P₂). Eine Auslaßöffnung (12 b) der Maschine ist über ein Dreiwegeventil (V ₂) mit einem Heizmediumeinlaß (30 b) der Niedrigtemperatur-Wärmequelle (30) und mit einem Kühlwassereinlaß (31 b) der Kühlwasserversorgungsquelle (31) verbunden.

Das zweite Rippenrohr (14) ist an seiner Einlaßöffnung (14 a) über ein Dreiwegeventil (V ₃) mit Abgabeauslässen einer Pumpe (P ₃) verbunden, wobei die Pumpe (P ₃) ein verbrauchsseitiges Wärmeübertragungsmedium über eine Rohrleitung (33) von einem thermischen Akkumulatorbehälter (32) abpumpt. Außerdem ist das Rippenrohr (14) an den Abgabeauslaß der Pumpe (P ₂) angeschlossen. Mit der Auslaßöffnung (14 b) ist das zweite Rippenrohr (14) über ein Dreiwegeventil (V ₄) mit einer Rohrleitung (34) verbunden, durch die ein gebrauchsseitiges Wärmeübertragungsmedium dem thermischen Akkumulatorbehälter (32) zugeführt wird. Der Kühlwassereinlaß (31 b) der Kühlwasserversorgungsquelle (31) steht mit dem Dreiwegeventil (V ₄) in Verbindung.

Der thermische Akkumulatorbehälter (32) ist in einen Niedrigtemperaturraum (36) und einen Hochtemperaturraum (37) aufgeteilt, was durch eine Trennwand (35) erfolgt, über das ein Fluid strömen kann. Das verbrauchsseitige Wärmeübertragungsmedium, das von dem Niedrigtemperaturraum (36) mittels einer Pumpe (P ₄) abgepumpt wird, wird stets zu einem Wärmeaustauscher (38) für die Luftkonditionierung gebracht, von wo das Wärmeübertragungsmedium mit erhöhter Temperatur zum Hochtemperaturraum (37) zurückfließt. So dient der Wärmeakkumulatorbehälter (32) dem Absorbieren jeglichen Unterschiedes, der durch die Pumpen (P ₃, P ₄) zirkulierenden Menge und weiterhin dient dieser Behälter dazu, kalte Wärme des Heizmediums zu akkumulieren, welches von der Adsorptionskältemaschine zurückgeführt wird, um kontinuierlich kalte Wärme in einer Ausfallzeit (Zeit, die für die Desorption erforderlich ist) einer Luftkonditionierzone zuzuführen.

Der am Boden des Gefäßes (11) vorgesehene Behälter (26) ist an seinem Einlaß (26 a) über ein Dreiwegeventil (V ₅) mit den Abgabeseiten der Pumpen (P ₁, P ₂) verbunden und an seinem Auslaß (26 b) über ein Dreiwegeventil (V ₆) mit dem Wärmeübertragungsmediumeinlaß (30 b) der Niedrigtemperaturwärmequelle (30) und dem Kühlwassereinlaß (31 b) der Kühlwasserversorgungsquelle (31).

Die Betätigung und der Betrieb der so aufgebauten Adsorptionskältemaschine, die im Zusammenhang mit einem Luftkonditioniersystem verwendet wird, wird nachfolgend beschrieben.

(A) In der Desorptionsbetriebsstufe, wie sie in Fig. 4a dargestellt ist, wird die Pumpe (P ₁) angetrieben, um ein Wärmeübertragungsmedium von weniger als 80°C (in der Praxis 60 bis 80°C) von dem Wärmeübertragungsmediumauslaß (30 a) der Niedrigtemperatur-Wärmequelle (30) über das Dreiwegeventil (V ₁) zur Einlaßöffnung (12 a) des ersten Rippenrohres (12) zu bringen und dadurch das Adsorbens (19) zu erwärmen. Gleichzeitig wird die Pumpe (P ₂) betätigt, um Kühlwasser (30 bis 32°C) von der Kühlwasserversorgungsquelle (31) über das Dreiwegeventil (V ₃) zum zweiten Rippenrohr (14) zu bringen, um dadurch das Rohr (14) zu kühlen. Die Kältemitteldämpfe, die vom Adsorbens (19) desorbiert und in den Innenraum (13) des Gefäßes (11) abgegeben werden, werden auf der Oberfläche des zweiten Rippenrohres (14) kondensiert, um auf den Oberflächen der Rippen (23) und der Wärmeübertragungsrohre (22) einen gleichförmigen Flüssigkeitsfilm auszubilden.

Während dieses Prozesses wird die Wärmeübertragung zwischen dem Adsorbens (19) und dem ersten Rippenrohr (12) auf der Seite des ersten Rippenrohres (12) wirksam durchgeführt und das Erwärmen und die Desorptionswirkung des Adsorbens (19) werden beschleunigt, da die Rippendimensionen (P, H) entsprechend der oben genannten Spezifizierung optimiert sind und das Adsorbens (19) in solch schmalen Rippenzwischenräumen (18) zwischen den Wärmeübertragungsrohren (16) und den Rippen (17) gepackt und gehalten wird, daß die Menge des Adsorbens zum Wärmeübertragungsbereich bzw. der Wärmeübertragungsfläche optimal ist.

Auf der Seite des zweiten Rippenrohres (14) beginnt anfänglich der Kältemitteldampf auf den Oberflächen der Rippen (23) und der Wärmeübertragungsrohre (22) zu kondensieren. Ein Kältemittelflüssigkeitsfilm wird graduell auf der Oberfläche der Rippen (23) ausgebildet, deren Wärmeübertragungsrate ein wenig abfällt, während das auf der Fläche der vertikalen Wärmeübertragungsrohre (22) kondensierte flüssige Kältemittel durch die Schwerkraft nach unten tropft und auf den Rippen (23) gehalten wird, so daß der Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche der Wärmeübertragungsrohre (22) stets in einem extrem dünnen Zustand gehalten wird. Als Folge kann das Kondensieren letztlich schnell innerhalb der Betriebstemperaturen erfolgen, ohne daß die Wärmeübertragungsrate aufgrund der Kondensation extrem reduziert wird.

Während dieses Prozesses befindet sich das Vakuumventil (27) in einem geschlossenen Zustand und die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes (11) ist auf eine mindestnotwendige Grenze innerhalb der Betriebstemperaturbereiche unterhalb der vorbestimmten Laufbedingungen konstant eingestellt. Entsprechend kondensiert im wesentlichen die gesamte Menge des Kältemittels auf der Oberfläche des zweiten Rippenrohres (14). Jedoch ein Teil der Kältemittelflüssigkeit, die lokal kondensiert, tropft übermäßig als Tröpfchen auf den Boden (11 a) des Gefäßes (11). Dem Behälter (26) unterhalb des Bodens (11 a) wird ein Heizmedium (60 bis 80°C) über das Dreiwegeventil (V ₅) von der Niedrigtemperaturheizquelle (30) zugeführt, die parallel zum ersten Rippenrohr (12) angeordnet ist. Daher wird das auf den Boden (11 a) getropfte flüssige Kältemittel erwärmt und somit wieder verdampft. Gleichzeitig damit tritt eine Kondensationswirkung hauptsächlich dort auf, wo die Flüssigkeitsfilmdicke unzureichend ist. So wird das Kältemittel über das zweite Rippenrohr (14) in einem gleichförmig dicken Flüssigkeitsfilm kondensiert.

(B) Nunmehr wird die Adsorptionsbetriebsstufe gemäß Fig. 4b erläutert.

Die Pumpe (P ₂) wird angetrieben, um Kühlwasser (30 bis 32°C) von der Kühlwasserversorgungsquelle (31) über das Dreiwegeventil (V ₁) zum ersten Rippenrohr (12) zu bringen. Das Adsorbens (19) wird gekühlt, um darauf innerhalb des Gefäßes (11) die Kältemitteldämpfe zu adsorbieren. Gleichzeitig wird das auf der Oberfläche des zweiten Rippenrohres (14) abgesetzte Kältemittel verdampft, um dem Rippenrohr (14) Verdampfungswärme zu entziehen und dadurch das Wärmeübertragungsmedium auf der Verbrauchsseite von 12°C auf 7°C herunterzukühlen, welches Medium aus dem Hochtemperaturraum (37) des Wärmeakkumulatorbehälters (32) über die Leitung (33) mittels der Pumpe (P ₃) hochgepumpt und durch das Dreiwegeventil (V ₃) zum zweiten Rippenrohr (14) gebracht wird. Dann wird dieses Medium (7°C) über das Dreiwegeventil (V ₄) und die Leitung (34) zum Niedrigtemperaturraum (36) des Wärmeakkumulatorbehälters (32) gebracht. Das verbrauchsseitige Wärmeübertragungsmedium mit 7°C wird durch Betätigung der Pumpe (P ₄) vom Wärmeakkumulator (32) zu einem Wärmeaustauscher (38) für die Luftkonditionierung gebracht, wo es sensible Wärme der Luft entzieht, um die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums auf 12°C anzuheben. Dieses Wärmeübertragungsmedium fließt dann in den Hochtemperaturraum (37) zurück. Auf diese Weise wird ein thermischer Zyklus vollzogen, um den bestimmten Luftkonditionierraum zu kühlen.

Im ersten Rippenrohr (12) wird der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Adsorbens (19) umd dem ersten Rippenrohr (12) groß gehalten, und zwar wegen der spezifizierten Rippenteilung (P) und Rippenhöhe (H). Die Kühlwirkung des Adsorbens (19) wird beschleunigt und die Kältemitteldämpfe und das Adsorbens (19) gelangen in eine gute Berührung miteinander, und zwar wegen der Anwesenheit der Passagelücken (21), die vom Einlaß/Auslaß der Kältemitteldämpfe zur Außenfläche des Wärmeübertragungsrohres (16) in den Rippenzwischenräumen (18) verlaufen, wodurch die Adsorptionsgeschwindigkeit erhöht wird.

Im zweiten Rippenrohr (14) schreitet die Verdampfung wirksam voran, da das Kältemittel auf den Oberflächen der Rippen (23) im Zustand eines dünnen Flüssigkeitsfilms gehalten wird. Dies verkürzt die Adsorptionszeit, begleitet durch das Beschleunigen der Adsorption auf das Adsorbens (19).

(C) Für den Fall, daß die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes (11) übermäßig hoch ist, wird die Menge des Kältemittels so eingestellt, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 4c beschrieben wird.

Die Pumpe (P ₁) wird angetrieben, um das Wärmeübertragungsmedium auf der Seite der Wärmequelle von der Niedrigtemperatur-Wärmequelle (30) über das Dreiwegeventil (V ₁) zum ersten Rippenrohr (12) zu bringen. Das Adsorbens (19) wird zur Verursachung der Desorption erwärmt, während mit Hilfe der Pumpe (P ₂) Kühlwasser (30 bis 32°C) von der Kühlwasserversorgungsquelle (31) über das Dreiwegeventil (V ₅) zum Behälter (26) gebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt sind die Dreiwegeventile (V ₃, V ₄) geschlossen und die Zufuhr von Kühlwasser zum zweiten Rippenrohr (14) ist unterbrochen. Die meisten Kältemitteldämpfe, die vom Adsorbens (19) desorbiert werden, werden entsprechend am Boden (11 a) des Gefäßes (11) durch die Kühlwirkung des Behälters (26) kondensiert. Wenn dann das Vakuumventil (27) geöffnet wird, wird das auf dem Boden (11 a) angesammelte flüssige Kältemittel automatisch aufgrund der Schwerkraft im Behälter (29) wiedergewonnen.

Während dieses Prozesses wird das gesamte Kältemittel wiedergewonnen. Dies wird bestätigt durch einen Feststellvorgang dahingehend, daß die Menge des Kältemittels innerhalb des Behälters (29) mittels eines Schwimmerschalters eine definierte Wiedergewinnungsmenge erreicht.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 4b wird dann auf den Adsorptionsvorgang umgeschaltet. Bei geöffnetem Vakuumventil (27) werden entsprechend der Darstellung die Dreiwegeventile hinsichtlich ihrer Funktionslage geändert. Wenn das Kühlwasser zum ersten Rippenrohr (12) gebracht wird und das verbrauchsseitige Wärmeübertragungsmedium durch das zweite Rippenrohr (14) gelangt, adsorbiert das Adsorbens (19) die Kältemitteldämpfe, die vom Kältemittelreservoirbehälter (29) über die Leitung (28) zum Gefäß (11) gelangen. Nach einigen Minuten wird das Vakuumventil (27) geschlossen, wenn der Drucksensor (15) feststellt, daß der Sättigungsdampfdruck bei einer definitiven Verdampfungstemperatur erreicht wird, und zwar durch das Feststellen des Druckanstiegs innerhalb des Gefäßes (11). So ist es möglich, die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes auf eine mindestnotwendige Menge bei den eingestellten Temperaturen einzurichten.

Wenn andererseits nur überschüssiges Kältemittel wiedergewonnen wird, wird der Druck im Kessel (11) mittels eines Drucksensors (15) gemessen, welcher Druck sich mit der Wiedergewinnung ändert, wodurch festgestellt wird, daß der Sättigungsdampfdruck bei einer definitiven Kondensationstemperatur erreicht wird. Nach der Wiedergewinnung des überschüssigen Kältemittels wird das Vakuumventil (27) geschlossen.

Wenn dagegen die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes (11) durch Änderung der einzustellenden Temperaturbedingungen zu gering wird, so wird das Vakuumventil (27) während des Adsorptionslaufes geöffnet, um Kältemitteldämpfe in einer erforderlichen Menge von dem Kältemittelreservoirbehälter (29) in das Gefäß einzuführen und zwar während der Feststellung der Menge durch den Drucksensor (15).

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen befinden sich das erste Rippenrohr (12) und das zweite Rippenrohr (14) benachbart in einem einzelnen Gefäß (11). Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Konstruktion des Gefäßes eingeschränkt. Beispielsweise ist es möglich, getrennt einen Behälter anzubringen, der das erste Rippenrohr (12) enthält, und einen Behälter, der das zweite Rippenrohr (14) enthält. Beide Behälter sind durch eine Leitung miteinander verbunden. Diese Leitung hat einen Querschnitt, der die Strömung der Kältemitteldämpfe nicht beeinträchtigt.

Als zweites Rippenrohr (14) kann ebenso ein anderer Wärmeaustauscher verwendet werden, bei dem eine lange Bahn einer Rippe um den Außenumfang eines Wärmeaustauscherrohres gespult ist. Ebenso kann ein Wärmeaustauscher des Aerofintyps und des Querrippentyps mit horizontalen Rippen verwendet werden.

Bei den vorgenannten Ausführungsbeispielen ist der Wärmeakkumulator (32) zwischen der Adsorptionskältemaschine und dem Wärmeaustauscher (38) angebracht, und zwar für das Luftkonditionieren im Hinblick auf eine Auszeit für den Desorptionsvorgang. Wenn die Auszeit länger dauert, so ist es möglich, mehr als zwei Einheiten der vorgenannten Adsorptionskältemaschine zu verwenden, anstatt des Akkumulators (32). So kann alternativ ein Adsorptionsvorgang und ein Desorptionsvorgang in Wirkung gesetzt werden, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb sichergestellt werden kann.

Modellapparaturen mit fast demselben Aufbau wie in Fig. 1 bis 3 wurden provisorisch hergestellt, um verschiedene Vergleichsversuche durchzuführen.

(1) Ein Vergleichsversuch wurde durchgeführt, um die Adsorptionsgeschwindigkeit zwischen dem Modellapparat, dessen erstes Rippenrohr solche Rippendimensionen (a) hat, die in Tabelle 1 angegeben sind, und dem Modellapparat zu vergleichen, dessen erstes Rippenrohr Rippendimensionen (b) hat, die ebenfalls in der Tabelle 1 angegeben sind.

Tabelle 1

Rippendimensionen

Die Laufbedingungen sind hier wie folgt:

Einlaßtemperatur des Kühlwassers: 30°C
Temperatur der Niedrigtemperaturwärmequelle: 70°C
Gewicht des Adsorbens (Silicagel): 29 kg
Einlaßtemperatur des gekühlten Wassers: 12°C
Auslaßtemperatur des gekühlten Wassers: 7°C

Die Ergebnisse sind in Fig. 5 dargelegt. Die Abszisse der Grafik gibt die abgelaufene Zeit wieder und die Ordinate das Verhältnis des Gewichtes (Gew.-%) des adsorbierten Kältemittels zum Gewicht des Adsorbens.

Das Modell der Rippendimensionen (a) erbrachte Adsorptionsmengen von ungefähr dem 2fachen bei einer Zeit von einer Minute und ungefähr das 1,7fache bei zwei Minuten nach Beginn des Betriebes im Vergleich mit den Rippendimensionen (b). Die Rippendimensionen des ersten Rippenrohres haben auf bezeichnende Weise eine Auswirkung auf die Adsorptionsgeschwindigkeit.

Je kleiner die Rippenteilung (P) ist und je größer die Anzahl der Rippen pro Längeneinheit des Wärmeübertragungsrohres (16) ist, umso mehr ist die Wärmeübertragungsfläche der Rippen vergrößert und folglich besteht eine Tendenz hinsichtlich der Erhöhung des Wärmeübertragungskoeffizienten hinsichtlich der Übertragung auf das Adsorbens (19). Wenn jedoch die Rippenteilung (P) kleiner ist als 1 mm, so wird der Partikeldurchmesser des Adsorbens (19), das in die Rippenzwischenräume (18) einzubringen ist, kleiner und die Packdichte wird höher. Daraus resultiert eine Behinderung der Passage der Kältemitteldämpfe. Wenn die Rippenteilung (P) 10 mm überschreitet, so nimmt die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit zwischen den Rippen (17) und dem Adsorbens (19) ab, was die Adsorptionsgeschwindigkeit reduziert.

Je höher andererseits die Rippenhöhe (H) ist, umso größer ist die Packungsmenge des Adsorbens pro Längeneinheit des Wärmeübertragungsrohres (16). Daher ist es möglich, die Apparatdimension kompakt zu machen, indem die Anzahl der Wärmeübertragungsrohre (16) verringert wird. Wenn jedoch die Rippenhöhe (H) 20 mm übersteigt, so wird die Fließfähigkeit der Kältemitteldämpfe durch die Rippenzwischenräume (18) verstärkt. Wenn dagegen die Rippenhöhe (H) kleiner gemacht wird, so neigt dies zu einer Verbesserung der Fließfähigkeit der Kältemitteldämpfe. Wenn die Rippenhöhe (H) kleiner als 5 mm ist, so erreicht die Adsorptionsgeschwindigkeit eine obere Grenze. Trotzdem wird die Packungsmenge des Adsorbens pro Längeneinheit des Wärmeübertragungsrohres vermindert, was wiederum die Anzahl der Wärmeübertragungsrohre erhöht und zu einem größeren Apparat führt.

(2) Um weiterhin die Änderungen der Adsorptionsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der verschiedenen Anordnung des zweiten Rippenrohres (14) zu untersuchen, wurde die Adsorptionsgeschwindigkeit bei Rippenrohren des Aerofintyps gemessen (Rippenteilung: 2 mm, Rippenhöhe: 3 mm) und zwar in Übereinstimmung mit Fig. 6. Hier sind einmal die Rippen (23) horizontal angeordnet (a) oder vertikal (b). Das Rippenrohr (a) wurde mit seiner Oberfläche mit Kältemitteldämpfen kontaktiert, die dort kondensierten. Das Rippenrohr (b) wurde mit flüssigem Kältemittel besprüht, was mittels einer Sprühdüse erfolgte. In beiden Fällen erfolgte ein Adsorptionsvorgang, während dem die Fließmenge des durch die Wärmeübertragungsrohre (22) fließenden Strömungsmittels und die Auslaß- und Einlaßtemperaturen der Rohre gemessen wurden, um die Adsorptionsmenge zu berechnen.

Die Ergebnisse sind in der Grafik der Fig. 7 dargelegt. Die Abszisse der Grafik zeigt die Adsorptionszeit und die Ordinate das Kältemittel in Gew.%.

Aus der Grafik ist ersichtlich, daß im Fall (a), bei dem die Rippen (23) horizontal angeordnet sind, 3,2% des Kältemittels in 3,5 Minuten adsorbiert wurden. Dagegen wurden im Fall (b), bei dem die Rippen (23) vertikal angeordnet sind, die gleiche Menge in 5,5 Minuten desorbiert. Dies liegt am Unterschied des Zustandes des Films des flüssigen Kältemittels auf der Oberfläche des Rippenrohres (14). Bei der Anordnung (a) ist ein dünner, gleichförmiger Kältemittelflüssigkeitsfilm über das gesamte Wärmeübertragungsrohr (22) ausgebildet und es liegt eine im wesentlichen konstante Verdampfungsgeschwindigkeit an jedem Abschnitt des Films vor. Dagegen ist bei der Ausführungsvariante (b) ein Kältemittelflüssigkeitsfilm ausgebildet, der aufgrund der Schwerkraftwirkung etc. ungleichförmig dick ausgebildet ist. Folglich ist die Verdampfungsgeschwindigkeit an jeder Stelle nicht über die gesamte Filmfläche konstant und das übermäßig abgesetzte Kältemittel verdampft später.

(3) Es wurde wiederum ein Vergleichsversuch durchgeführt zwischen dem Modellapparat (1), bei dem die Kältemittelheizvorrichtung (26) installiert ist, und dem Modellapparat (2), bei dem der Kältemittelheizer-Kondensator (26) nicht installiert ist, wobei die Laufbedingungen die gleichen waren wie bei dem zuvor beschriebenen Versuch.

Die erzielten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Aus der Tabelle ist ersichtlich, daß während der Desorption der Betrieb durch Erwärmen des Bodenabschnittes des Gefäßes (11) von der Kältemittelheizvorrichtung durchgeführt wird, um das Kältemittel am Boden zu verdampfen. Es hat sich bestätigt, daß die Zykluszeit für die Adsorption und die Desorption um ungefähr 20% verkürzt wird. Die Menge an adsorbiertem und desorbiertem Kältemittel wurde um 30% erhöht. Die Kälteleistungsfähigkeit in Ausdrücken der Abgabe nach außen wurde um 50% erhöht, und zwar im Vergleich mit einer Adsorptionskältemaschine, bei der keine Kältemittel- Heizeinrichtung vorgesehen ist.

Bei der zuvor beschriebenen Adsorptionskältemaschine der Erfindung erlaubt das Vorsehen des ersten Rippenrohres mit einer Rippenteilung von 1 bis 10 mm und einer Rippenhöhe von 5 bis 20 mm und des zweiten Rippenrohres innerhalb der Adsorptionskältemaschine ein homogenes Erwärmen und schnelles Kühlen des Adsorbens und bringt das Adsorbens und die Kältemitteldämpfe in gute Kontaktierung miteinander. Dadurch können die Kältemitteldämpfe durch die Lücken zwischen den in den Rippenzwischenräumen eingepackten Adsorbensgranulaten strömen. Wegen dieses konstruktiven Aufbaus ist es möglich, den Kältevorgang so in Wirkung zu bringen, daß er den Temperaturbedingungen eines allgemeinen Luftklimatisierungssystems genügt. Es ist möglich, die Adsorptions- und Desorptionswirkungen aufgrund der Verkürzung der Adsorptions-Desorption- Zykluszeit in wenigen Minuten zu beenden. Eine große Kapazität der Kälteleistung ist mit einem geringen Volumen an Adsorbens möglich, und zwar mit dem Ergebnis, daß eine kompakte Größe und reduzierte Kosten der Kältemaschine erzielbar sind.

Die Adsorptionskältemaschine der Erfindung ist am Bodenabschnitt des Gefäßes mit einer Kältemittelheizeinrichtung zum Erwärmen und Verdampfen eines Kältemittels während der Adsorbens-Desorptionsstufe versehen. Ein Kältemittel ist hermetisch in das Gefäß eingefüllt, und zwar mit einer geringstnotwendigen Grenzmenge bei Betriebstemperaturen und unter definierten Laufbedingungen. Somit wird die gesamte Menge des vom Adsorbens desorbierten Kältemittels im Zustand eines gleichförmigen Flüssigkeitsfilms über die gesamte Oberfläche des Kondensator-Verdampfer-Rippenrohres gehalten, wodurch die Verdampfungsgeschwindigkeit während der Desorption homogen gemacht wird und eventuell die Zeit des Adsorption-Desorption-Zyklus verkürzt wird.

Weiterhin kann ein Nachteil überwunden werden, der darin gesehen wird, daß das Kältemittel während der Desorption auf den Boden des Gefäßes tropft, nach der Adsorption verdampft wird und als nutzlose Energie zum Kühlen des Gefäßes verbraucht wird. Daher wird die Wirksamkeit der Adsorptionskältemaschine in äußerstem Maße erhöht.

Es ist zu bemerken, daß das Vorsehen der Kältemittelerwärmungseinrichtung die Erhöhung der Fähigkeit der gesamten Maschine erlaubt und dementsprechend kann die Kapazität der Desorption der Kältemaschine kleiner gemacht werden, indem die Fähigkeitszunahme und die Kosten der Maschine herabgesetzt werden.

Andererseits wird entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung die Adsorptionskältemaschine am Boden des Gefäßes mit einer Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung versehen, um für das Verdampfen des Kältemittels in der Adsorbens-Desorptionsstufe ein Erwärmen vorzunehmen und für das Kondensieren der Kältemitteldämpfe in der Kältemittelwiedergewinnungsstufe ein Kühlen vorzunehmen. Unter dem Gefäß ist ein Kältemittelreservoir über eine Leitung und ein Ventil mit dem Gefäß verbunden, wodurch das Kältemittel stets in einer optimalen Menge gehalten wird durch Einführen und Abgeben des Kältemittels von oder zu dem Reservoir, indem das Ventil in Abhängigkeit von einem Überschuß oder einem Mangel an Kältemittel im Gefäß geöffnet oder geschlossen wird. Das Absetzen des Kältemittels auf dem Kondensations-Verdampfungs- Rippenrohr erfolgt auf gleichmäßige Weise aufgrund der Kältemittelverdampfungswirkung der Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung.

Wenn folglich die Verdampfungstemperatur und die Kühlwassertemperatur höher bzw. niedriger eingestellt werden als die anfänglich eingestellten Werte, so wird die Fähigkeit der Maschine ausreichend herausgestellt, um wirksam die Wiedergewinnung der Niedrigtemperatur-Wärmequelle zu vollziehen, ohne Anlaß für eine Verringerung der Kältemittelmenge zu geben. Sogar umgekehrt, wenn die Verdampfungstemperatur und die Kühlwassertemperatur niedriger bzw. höher rückgestellt werden, wird kein überschüssiges Kältemittel erzeugt und die Dicke des auf dem Kondensation-Verdampfungs- Rippenrohr abgesetzten Kältemittelflüssigkeitsfilms wird insgesamt angemessen gehalten durch die Wirkung der Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung. Der Wirkungsgrad der Maschine kann ohne Energieverlust aufgrund des Kühlens des Gefäßes verbessert werden.

Trotz einer solch einfachen Konstruktion, bei der das Kältemittelreservoir nur über die mit dem Ventil versehene Leitung mit dem Gefäß verbunden ist, ist es möglich, die Kältemittelmenge innerhalb des Gefäßes nur durch Öffnen und Schließen des Ventils zu erhöhen oder zu erniedrigen. Es ist keine besondere Pumpe notwendig, um Kältemittel zu- oder abzuführen. Dies führt zu einer Reduzierung der Herstellungskosten des Gesamtsystems und zu einer Reduzierung der Betriebskosten.

Die wirksame Verwendung des Kältemittels aufgrund der Kältemittelheizeinrichtung und die Optimierung der Kältemittelmenge aufgrund der Kältemittelmengen-Einstelleinrichtung sowie die Reduzierung des Energieverlustes tragen erheblich dazu bei, die Energiequellen durch eine wirksame Ausnutzung der Niedrigtemperatur-Wärmequelle zu schonen.

Claims (12)

1. Adsorptionskältemaschine mit einem Vakuumgefäß (11), mit einem ersten Rippenrohr (12) innerhalb des Gefäßes (11) zum Leiten eines Wärmeübertragungsmediums auf der Wärmequellenseite, wobei auf das erste Rippenrohr (12) ein Adsorbens (19) aufgebracht und zwischen Rippenzwischenräumen (18) gehalten wird, und das Adsorbens als Bett für die Adsorption und die Desorption eines Kältemittels dient, und mit einem Verdampfer-Kondensator innerhalb des Gefäßes (11) zum Leiten eines Wärmeübertragungsmediums auf der Nutzseite, das durch die Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer-Kondensator von einem zweiten Rippenrohr (14) gebildet ist, und daß das erste Rippenrohr (12) eine Rippenteilung von 1 bis 10 mm und eine Rippenhöhe von 5 bis 20 mm hat und mit kontinuierlichen Lücken (21) zwischen den Adsorbenspartikeln (19) im Bereich der Rippenzwischenräume (18) versehen ist.

2. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (12) und zweite (14) Rippenrohr ein Wärmeaustauscher des Aerofintyps oder des Querrippentyps ist.

3. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Rippenrohr (14) eine aufgerauhte, unregelmäßige bzw. zerklüftete Oberfläche (24, 25) auf den Rippen (23) oder dem Wärmeübertragungsrohr (22) hat, um so die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.

4. Adsorptionskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (11) ein Einzelkörper ist, und daß das erste (12) und das zweite (14) Rippenrohr aneinander angrenzend in einem bestimmten Intervall im Gefäß angeordnet sind.

5. Adsorptionskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (11) aus einem Behälter, der das erste Rippenrohr (12) aufnimmt, und einem Behälter besteht, der das zweite Rippenrohr (14) aufnimmt, und daß beide Behälter über eine Passageleitung miteinander verbunden sind und dabei die Passageleitung einen Querschnitt hat, der das Hindurchströmen der Kältemitteldämpfe nicht behindert.

6. Adsorptionskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kältemittelheizeinrichtung (26) vorgesehen ist, um das Kältemittel in der Desorptionsstufe zu erwärmen und zu verdampfen, wenn es vom Adsorbens abgegeben ist, und daß die Heizeinrichtung (26) im Bodenbereich des Gefäßes (11) angeordnet ist, wodurch das Wärmeübertragungsmedium an der Nutzseite durch die Adsorption und Desorption des Kältemittels zum und vom Adsorbens gekühlt wird.

7. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelheizeinrichtung (26) ein Warmwasserbehälter ist, der sich am Boden des Gefäßes (11) befindet.

8. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelheizeinrichtung (26) ein elektrischer Heizer ist, der sich in der Nähe des Bodens des Gefäßes (11) befindet.

9. Adsorptionskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelheizeinrichtung (26) auch als Kühleinrichtung (26) ausgebildet ist, um das Kältemittel in der Desorptionsstufe durch Erwärmen zu verdampfen und die Kältemitteldämpfe in der Kältemittelmengen-Einstellstufe durch Kühlen zu kondensieren, und daß ein Kältemittelreservoir (29) unterhalb des Bodens des Gefäßes (11) vorgesehen und über eine Leitung (28) und ein Ventil (27) mit dem Boden (11 a) des Gefäßes verbunden ist, und das Gefäß im Falle eines überschüssigen Kältemittels im Gefäß als Reservoir dient, um darin überschüssiges Kältemittel wiederzugewinnen, und im Fall eines Defizits an Kältemittel im Gefäß dazu dient, dieses Defizit an Kältemittel dem Gefäß zuzuführen.

10. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelheiz- und -kühleinrichtung (26) ein Behälter ist, der für Warmwasser verwendet wird und ein Behälter, der für Kaltwasser verwendet wird, jeweils angebracht neben dem Boden des Gefäßes (11).

11. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 9 oder 10, ddurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelreservoir (29) eine Kapazität hat, die ausreicht, überschüssiges Kältemittel aufzunehmen und im Inneren auf einem Vakuum gehalten wird, das gleich dem des Gefäßes ist.

12. Adsorptionskältemaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelreservoir (29) eine Kapazität hat, die groß genug ist, die Gesamtmenge des Kältemittels aufzunehmen und im Inneren auf einem Vakuum gehalten wird, das gleich dem des Gefäßes ist.