DE3740357A1

DE3740357A1 - Passives sorptions-kuehlssystem

Info

Publication number: DE3740357A1
Application number: DE19873740357
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Gromoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-11-27
Filing date: 1987-11-27
Publication date: 1989-06-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein passives Sorptions-Kühl system.

Elektronische und nachrichtentechnische Geräte von Nah- und Weitverkehrssystemen wie z.B. Richtfunkstellen, Verstärkerein richtungen oder Telefon-Vermittlungen werden zum Schutz vor un günstigen Umwelteinflüssen in Schutzräume bzw. sogenannte Shel ter eingebaut. Da diese Shelter-Betriebsstellen oft in Ländern im Einsatz sind, in denen große Schwankungen zwischen Tag- und Nachttemperaturen auftreten, ist zum Schutz der Geräte der Innenraum in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der im Shelter erzeugten Verlustwärme zu kühlen. Aus Gründen der Zu verlässigkeit und des Wartungsaufwandes werden passive Kühl systeme bevorzugt, zu deren Betrieb durch Fremdenergie angetrie bene mechanische Komponenten, beispielsweise Pumpen nicht erforderlich sind.

Als passive Kühlsysteme sind beispielsweise Kühlsysteme be kannt, die auf der Basis des Thermosyphon-Prinzipes arbeiten und keine zusätzliche Energie benötigen. Solange die Temperatur der Umgebung über der einzustellenden Temperatur im Innenraum des Shelters liegt, wird die anfallende Verlustwärme in einem Wasserreservoir in Form von fühlbarer Wärme zwischengespei chert. Sobald die Außentemperatur unter die Innentemperatur bzw. Wassertemperatur des Speichers abfällt, wird Wärme vom Wasserreservoir nach außen abgegeben. Die entsprechenden Wasserkreisläufe regulieren sich automatisch durch die sich einstellenden Dichteunterschiede. Dieses bekannte passive Kühlsystem arbeitet praktisch wartungsfrei. Wegen der erfor derlichen Volumengröße des Speichers ist allerdings sein Ein satz nur für Geräteverlustleistungen bis zu etwa 100 W/m² wirt schaftlich.

Bei größeren Geräteverlustleistungen werden daher aktive Kühl systeme, wie beispielsweise Kompressor-Kühlaggregate verwendet. Für diese Systeme ist jedoch ein hoher und kostenintensiver Wartungsaufwand notwendig.

Es ist auch ein sogenannter periodisch wirkender Absorptions- Kälteapparat bekannt (R. Plank, "Handbuch der Kältetechnik", Band 7, "SorptionsKältemaschinen", 1959, Seite 7 ff.), bei dem keine mechanischen Pumpen zur Förderung des Kältemittels und des Kältemittel-Sorptionsmittel-Gemisches erforderlich sind. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist ein Vorratsgefäß, das ein Kältemittel-Sorptionsmittel-Gemisch enthält, mit einer zusätz lichen Heizschlange versehen, so daß dieses Vorratsgefäß sowohl als Austreiber als auch als Absorber verwendet werden kann. Mit dieser Vorrichtung ist jedoch eine kontinuierliche Kühlung eines Raumes nicht möglich, da während der Austreibungsphase des Kältemittels aus dem Vorratsgefäß im Verdampfer kein Kälte mittel verdampfen kann und somit der Umgebung des Verdampfers keine Wärme entzogen werden kann. Die bekannten kontinuierlich arbeitenden Sorptions-Wärmepumpen erfordern jedoch den Einsatz von Lösungsmittel-Pumpen und müssen daher ebenfalls häufiger gewartet werden.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde ein passives Kühlsystem zum kontinuierlichen Abführen der im Inneren eines Raumes anfallenden Verlustwärme anzugeben, das nahezu wartungs frei arbeitet und dessen Kühlleistung bei gleicher Speicher größe gegenüber Kühlsystemen, die nach dem Thermosyphon-Prinzip arbeiten, erhöht ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk malen des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Da die Temperatur des Wärmespeichers höher werden kann als die maximale Umgebungstemperatur, ist es möglich, auch bei hohen Umgebungstemperaturen Wärme an die Umgebung abzuführen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, daß der Wärmespeicher in der besonders bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 3 zu sätzlich mit einem nach dem Thermosyphon-Prinzip arbeitenden zuschaltbaren Kühlsystem versehen ist. Durch diese Maßnahmen kann die erforderliche Speicherkapazität des Wärmespeichers weiter verringert werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren

Fig. 1 ein passives Sorptions-Kühlsystem gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In

Fig. 2 sind zur Erläuterung des Betriebs des Kühlsystems die thermodynamischen Zustände des Wärmespeichers in einem Dampfdruckdiagramm eines Kältemittel-Sorptionsmittel- Stoffpaares dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein zusätzlicher Wärmeaustausch zwi schen dem Wärmespeicher und seiner Umgebung vorgesehen ist und in

Fig. 4 ist eine Ausführungsform mit einem zusätzlichen im Sorptionsmittel des Wärmespeichers angeordneten Aus treiber dargestellt.

Gemäß Fig. 1 befindet sich in einem allseitig abgeschlossenen Raum 2 eine Wärmequelle 3. Die Wärmequelle 3 wird beispiels weise durch elektrische Verbraucher gebildet, die bei ihrem Betrieb Abwärme produzieren. Der Raum 2 ist mittels einer Wand 21 von der Umgebung derart thermisch isoliert, daß ein direkter Wärmeaustausch zwischen der Umgebung und dem Raum 2 durch die Wand 21 weitgehend unterdrückt ist. Zur Kühlung des Raumes 2 ist ein passives Sorptions-Kühlsystem vorgesehen, bei dem ein Wärmespeicher 6 zyklisch geladen und entladen wird. Der Wärme speicher 6 enthält ein Sorptionsmittel 22 in dem ein gas förmiges Kältemittel 20 unter Wärmeabgabe gelöst werden kann.

Das Sorptionsmittel 22 kann ein Festkörper oder eine Flüssigkeit und der Lösungsvorgang kann durch Adsorption an der Oberfläche eines festen Sorptionsmittels 22 oder durch Ab sorption im flüssigen oder festen Sorptionsmittel 22 erfolgen. Als Sorptionsmittel-Kältemittel-Paarung ist beispielsweise das Stoffpaar Wasser/Ammoniak, insbesondere das Stoffpaar Lithium bromid/Wasser geeignet.

Der Wärmespeicher 6 ist ebenfalls thermisch isoliert, so daß ein Wärmeaustausch durch seine Wand 61 praktisch vernachlässigt werden kann. Der Wärmespeicher 6 ist mit einem Ausgang 41 eines Verdampfers 4 verbunden, der sich im Raum 2 befindet und in dem das Kältemittel 20 unter Wärmeaufnahme verdampft. Der Gasraum über dem Sorptionsmittel 22 ist mit einer Verbindungs leitung 81 versehen, die zu einem Kondensator 8 führt, der außerhalb des Raumes 2 angeordnet und als Wärmetauscher mit der Umgebung ausgelegt ist. Der Kondensator 8 befindet sich über dem Verdampfer 4 und ist mit einer Rückflußleitung 82 für das kondensierte Kältemittel 20 versehen, über die das Kälte mittel 20 durch die Wirkung der Schwerkraft zum Eingang 42 des Verdampfers 4 zurückfließt. Zur Aufnahme des abfließenden Kältemittels 20 ist in der Rückflußleitung 82 im Inneren des Raumes 2 ein Vorratsbehälter 16 vorgesehen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Ausgang 41 des Verdampfers 4 und dem Kondensator 8 eine Um gehungsleitung 14 vorgesehen, die zum Wärmespeicher 6 parallel geschaltet ist.

Der Betrieb des passiven Sorptions-Kühlsystems ist anhand eines in Fig. 2 dargestellten Lösungsfeldes eines binären Stoffge misches weiter veranschaulicht. Die Umgebungstemperatur T _u schwankt periodisch zwischen zwei jeweils aufeinanderfolgenden Extremwerten T _{u, min} und T_{u, max}, die beispielsweise der mini malen Nachttemperatur bzw. der maximalen Tagestemperatur ent sprechen. Die Temperatur T _i im Inneren des Raumes 2 soll dabei auf Werte begrenzt werden, der zwischen diesen Extremwerten T _u _min und T_{u, max} liegt. Zu Beginn eines Lade-Entladezyklus des Wärmespeichers 6 ist dieser beispielsweise maximal entladen und befindet sich im Dampfdruckdiagramm des Kältemittel-Sorptions mittel-Gemisches beispielsweise im Zustand A entsprechend einer Konzentration c ₂ des Kältemittels 20 im Sorptionsmittel 22. Der Zustand maximaler Entladung ist dann gegeben, wenn die anstei gende Umgebungstemperatur T _u eine Temperatur T_{u, A} erreicht, zu der ein Dampfdruck des Kältemittels 20 gemäß der Dampfdruck kurve a des reinen Kältemittels 20 gehört, die dem Gleichge wichtsdampfdruck p _A des Kältemittels 20 über dem Sorptions- Mittel 22 entspricht. Eine weitere Entladung des Wärmespeichers 6 kann dann nicht mehr erfolgen, da der Dampfdruck des Kälte mittels 20 im Kondensator 8 über die Dampfdruckkurve a durch die Umgebungstemperatur T _u bestimmt ist. Der Gleichgewichts dampfdruck p _A des Kältemittels 20 über dem Sorptionsmittel 22 ist niedriger als der zur Temperatur T_{i, min} im Inneren des Raumes 2 am Ende des Entladezyklus gehörende Dampfdruck P _{i, min} des Kältemittels 22 im Verdampfer 4. Das Kältemittel 20 wird somit weiterhin unter Wärmeaufnahme im Verdampfer 4 verdampft und im Sorptionsmittel 22 des Wärmespeichers 6 unter Wärmeab gabe sorbiert. Dies entspricht einem Wärmetransport vom Inneren des Raumes 2 zum Wärmespeicher 6. Der Wärmespeicher 6 nimmt somit unter Temperaturerhöhung Kältemittel 20 auf und bewegt sich, während die Umgebungstemperatur T _u beispielsweise im Lauf des Tages weiter ansteigt, bis zum Punkt B, der der Konzentra tion c ₁<c ₂ des Kältemittels 20 im Sorptionsmittel 22 ent spricht. Da während des Beladens die Temperatur des Wärmespei chers 6 und somit auch der zugehörige Dampfdruck des Kälte mittels 20 über dem Sorptionsmittel 22 ansteigt, erhöht sich auch die Temperatur T _i im Innern des Raumes 2 entsprechend, da der Dampfdruck p _i des Kältemittels 20 im Verdampfer 4 stets größer sein muß als der Dampfdruck des Kältemittels 20 im Wärmespeicher 6. Das Ende des Beladungsvorganges ist dabei dann erreicht, wenn nach Erreichen der Maximaltemperatur T _{u, max} die erneut absinkende Umgebungstemperatur T _u einen Wert T _{u, B} erreicht hat, der gemäß der Dampfdruckkurve a einem Gleichge wichtsdampfdruck p _B des Kältemittels 20 im Wärmespeicher 6 ent spricht. Sinkt nun die Umgebungstemperatur T _u unter diese Temperatur T_{u, B} ab, so beginnt das Kältemittel 20 unter Wärmeabgabe im Kondensator 8 zu kondensieren, da der zur Um gebungstemperatur T _u gehörende Dampfdruck des reinen Kälte mittels 20 niedriger ist als der Dampfdruck des Kältemittels 20 im Wärmespeicher 6. Der Wärmespeicher 6 wird somit entladen und bewegt sich wieder zurück bis zum Punkt A, der dem Gleichge wichtsdampfdruck P _A des Kältemittels 20 im Wärmespeicher 6 ent spricht.

Die im Inneren des Raumes 2 anfallende Wärme kann dabei während der Phasen, in denen die Umgebungstemperatur T _u niedriger ist als die Temperatur T _i im Inneren des Raumes 2, zugleich über die Umgehungsleitung 14 zum Kondensator 8 wenigstens teilweise durch direkte Kondensation des Kältemittels 20 abgeführt wer den. Steigt die Umgebungstemperatur wieder über die Temperatur T_{u, A} an, wird der Wärmespeicher 6 erneut mit Kältemittel 20 beladen. Der Wärmespeicher 6 muß dabei so ausgelegt werden, daß der Gleichgewichtsdampfdruck des Kältemittels 20 über dem Sorptionsmittel 22 bei der maximalen Beladung stets kleiner ist als der Dampfdruck p _{i, max} des reinen Kältemittels 20 im Ver dampfer 4 bei der maximalen zulässigen Innentemperatur T _{i, max} des Raumes 2.

Da die Temperatur des Wärmespeichers 6 auch während des Bela dungsvorganges über den Umgebungstemperaturen liegen kann, ist es möglich die im Innern des Raumes 2 entstehende Abwärme auch bei hohen Außentemperaturen, beispielsweise tagsüber, wenig stens teilweise an die Umgebung abzuführen. Dazu ist entspre chend Fig. 3 der Wärmespeicher 6 mit einem zusätzlichen zu schaltbaren Wärmetauscher 32 versehen, der beispielsweise nach dem Thermosyphon-Prinzip arbeitet. Den Wärmeaustausch zwischen Umgebung und dem Wärmespeicher 6 bewirkt dabei ein durch Kon vektion verursachter Kühlmittelkreislauf. In diesem Kreislauf ist ein thermisch steuerbares Absperrventil 34 vorgesehen, das außerhalb des Wärmespeichers 6 angeordnet ist. Durch Konvektion des flüssigen Kühlmittels im Wärmetauscher 32 wird dann die im Wärmespeicher 6 freiwerdende Sorptionswärme an die Umgebung abgeführt. Bei Absinken der Umgebungstemperatur unter die Temperatur, bei der der Dampfdruck des reinen Kältemittels 20 dem Dampfdruck des Kältemittels 20 im Wärmespeicher 6 ent spricht, wird das Absperrventil 34 geschlossen. Der Wärme tauscher 32 ist dann abgeschaltet um eine Austreibung des Kältemittels 20 aus dem Sorptionsmittel 22 durch die im Wärme speicher 6 gespeicherte Restwärme zu ermöglichen. Der weitere Austreibungsvorgang wird dann durch die im Wärmespeicher 6 bei der Sorption des aus dem Verdampfer 4 kommenden Kältemittels 20 freiwerdende Wärme aufrechterhalten. Um zu verhindern, daß das im Verdampfer 4 verdampfende Kältemittel 20 direkt in den Kon densator 8 gelangt, ist in einer vorteilhaften Anordnung außer dem in der Rückflußleitung 82 ein thermisch steuerbares Absperr ventil 12 vorgesehen, das bei Absinken der Umgebungstemperatur T _u unter die Temperatur T _i des Raumes schließt und bei T _u<T _i wieder öffnet. Das ausgetriebene Kältemittel kondensiert im Kondensator 8 unter Abgabe der Kondensationswärme an die Um gebung. Zum Austreiben des bei hohen Umgebungstemperaturen im Wärmespeicher 6 gespeicherten Kältemittels 20 ist in einer vor teilhaften Ausführungsform zusätzlich ein Austreiber 30 vorge sehen. Dieser Austreiber 30 kann beispielsweise aus einer in Abhängigkeit von der Innentemperatur oder der Umgebungstempe ratur zu- oder abschaltbaren elektrischen Widerstandsheizung 35 bestehen.

In der vorteilhaften Ausführungsform gemäß Fig. 4 besteht der Austreiber 30 aus einem im Sorptionsmittel 22 angeordneten Kondensator 31, der parallel zum Verdampfer 4 geschaltet ist und mit dem Ausgang 41 des Verdampfers 4 verbunden ist. In der Verbindungsleitung zwischen dem Verdampfer 4 und dem Sorptions mittel 22 des Wärmespeichers 6 ist ein thermisch steuerbares Absperrventil 11 angeordnet, das bei Absinken der Temperatur des Wärmespeichers 6 unter die im Inneren des Raumes 2 herr schende Temperatur die direkte Verbindung zwischen dem Ver dampfer 4 und dem Sorptionsmittel 22 des Wärmespeichers 6 schließt. Das im Verdampfer 4 verdampfende Kältemittel 20 kon densiert dann unter Wärmeabgabe in diesem Kondensator 31, bewirkt ein Austreiben des Kältemittels 20 aus dem Sorptions mittel 22 und fließt zum Vorratsbehälter 16 zurück. Zur Ver meidung einer direkten Kondensation im Kondensator 8 ist es außerdem von Vorteil ein thermisch steuerbares Absperrventil 12 in der Rückflußleitung 82 anzuordnen, das bei tiefen Umgebungs temperaturen geschlossen ist.

Da nicht mehr die gesamte Wärmemenge zum Austreiben des Kälte mittels gespeichert werden muß, ist es möglich, das Volumen des Wärmespeichers 6 zu verkleinern. Dieses Volumen wird im wesent lichen bestimmt durch die Temperaturbedingungen T _u der Umgebung des Raumes 2, die innerhalb des Raumes 2 freigesetzte Abwärme sowie durch das Lösungsfeld das Kältemittel-Sorptionsmittel- Stoffpaares.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist in den Ausführungs formen gemäß Fig. 3 und 4 außerhalb des Wärmespeichers 6 an geordnete Teil des Wärmetauschers 32 außerdem mit einer Ab schirmung gegen eine direkte Sonneneinstrahlung versehen. Außerdem können anstelle von thermisch steuerbaren Absperr ventilen 12 in der Rückflußleitung 82 auch einfache Rückschlag ventile vorgesehen sein. Um außerdem einen direkten Rücktrans port vom Kältemittel 20 vom Kondensator 8 zum Wärmespeicher 6 zu verhindern, kann es von Vorteil sein in der Verbindungslei tung 81 ebenfalls ein Rückschlagventil anzuordnen.

Claims

1. Passives Sorptions-Kühlsystem zur Kühlung eines thermisch isolierten Raumes (2), der eine Wärmequelle (3) enthält und sich in einer Umgebung befindet, deren Temperatur T _u zyklisch zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Extremwerten T_{u, min} und T_{u, max} variiert mit

a) einem im Inneren des Raumes (2) angeordneten Verdampfer (4) für ein Kältemittel (20),
b) einem thermisch isolierten Wärmespeicher (6) der ein Sorptionsmittel (22) zur Aufnahme des Kältemittels (20) enthält und mit einem Ausgang (41) des Verdampfers (4) verbunden ist, sowie
c) einen Kondensator (8), der über eine Verbindungsleitung (81) mit dem Wärmespeicher (6) und über eine Rückflußleitung (82) mit einem Eingang (42) des Verdampfers (4) verbunden ist, wobei
d) der Kondensator (8) außerhalb des Raumes (2) über dem Ver dampfer (4) angeordnet ist.

2. Passives Sorptions-Kühlsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (41) des Verdampfers (4) und dem Kondensator (8) eine Umgehungsleitung (14) vorgesehen ist.

3. Passives Sorptions-Kühlsystem nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß ein zuschalt barer Wärmetauscher (32) zwischen dem Wärmespeicher (6) und der Umgebung vorgesehen ist.

4. Passives Sorptions-Kühlsystem nach Anspruch 3, da durch gekennzeichnet, daß ein Wärme tauscher (32) vorgesehen ist, der nach dem Thermosyphon-Prinzip arbeitet und mit einem thermisch steuerbaren Absperrventil (34) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß im Wärmespeicher (6) ein Aus treiber (30) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß der Austreiber (30) eine elek trische Widerstandsheizung (35) enthält.

7. Passives Sorptions-Kühlsystem nach Anspruch 5, da durch gekennzeichnet, daß der Austreiber (30) einen Kondensator (31) enthält, der im Sorptionsmittel (22) des Wärmespeichers (6) angeordnet ist und parallel zum Verdampfer (4) geschaltet ist.

8. Passives Sorptions-Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Sorptionsmittel Lithiumbromid LiBr und als Kältemittel Wasser H₂O vorgesehen ist.

9. Schutzraum für elektrische Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Kühlung mit einem passiven Sorptions-Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 versehen ist.