DE3808653C2 - Verfahren zum Betrieb einer Adsorptionskälteanlage - Google Patents

Verfahren zum Betrieb einer Adsorptionskälteanlage

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Adsorptionskälteanlage nach dem Oberbegriff des einzigen Anspruches.
Ein derartiges Verfahren ist aus der DE 34 08 193 A1 bekannt und dient zum Erhöhen der Temperatur von Wärme, bei dem erste und zweite Austreiber (Adsorber) periodisch zwischen der Adsorptions- und Desorptionsphase geschaltet und in entgegengesetzten Phasen betrieben werden. Vor dem Austausch der Wirkungsweisen der beiden Absorber wird ein zweistufiger interner Wärmeaustausch ausgeführt. Dieser interne Wärmeaustausch umfaßt zunächst einen Druckausgleichsschritt und eine darauffolgende Wärmeübertragung durch eine Wärmeübertragungsschleife. Nachdem ein Wärmeabgleich zwischen den beiden Absorbern erreicht worden ist, wird der Prozeß fortgeführt.
Mit anderen Worten wird nach dem Umschalten zwischen der Adsorptions- und der Desorptionsphase zur Ausnutzung der nach der Desorptionsphase verbleibenden Wärme ein Temperaturausgleich zwischen den Adsorbern ausgeführt.
Da jedoch das bekannte Verfahren das Vorsehen einer Pumpe für die Wärmezirkulation erfordert, ist der apparative Aufwand relativ hoch.
Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der im Oberbegriff des einzigen Anspruches angegebenen Art zu schaffen, welches den apparativen Aufwand zum Übertragen der Restwärme verringert.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches.
Aufgrund des Umschaltens wird in der ersten Adsorptionssäule vorliegendes beziehungsweise verbliebenes Warmwasser unmittelbar nach der Desorptionsphase nur durch Kühlwasser in die zweite Adsorptionssäule kurz vor dem Eintritt in die Desorptionsphase gedrückt. Nachdem die gesamte Menge des verbliebenen Warmwassers in die zweite Adsorptionssäule überführt worden ist, wodurch das Vorerwärmen des Adsorptionsmittels beendet wird, wird der Prozeß umgekehrt. Die Zeit, die für die Umschaltung erforderlich ist, ist gleich der Zeit, die zur Überführung des Restwarmwassers von einer Adsorptionssäule zur anderen Adsorptionssäule verstreicht, wobei diese Zeit sehr kurz ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 bis 5 jeweils eine schematische Darstellung einer Adsorptionskälteanlage, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist;
Die Erfindung wird anschließend näher beschrieben.
Die Adsorptionskälteanlage gemäß den Fig. 1 bis 5 umfaßt eine Anzahl Adsorptionssäulen (11, 11′), wovon jede ein Festkörper-Adsorptionsmittel (S) und Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) aufnimmt, einen Kondensator (14), einen Verdampfer (17) und Leitungen (16, 16′, 20, 20′), die die Mantelgehäuse (12, 12′) der Adsorptionssäulen (11, 11′) über Ventile (15, 15′, 19, 19′), die eine Umwälzung eines Kältemittels gestatten, mit dem Kondensator (14) und dem Verdampfer (17) verbinden.
Das System wird derart betrieben, daß sich mindestens eine der Adsorptionssäulen (11, 11′) in der Adsorptionsstufe befindet, während sich die übrigen Säulen in der Desorptionsstufe befinden; ein Wärmeübertragungsmedium zum Aufheizen des Adsorptionsmittels etc., das in den Wärmeübertragungsrohren (13′) der in der Desorptionsstufe arbeitenden Adsorptionssäule (11′) unmittelbar vor Umschaltung von der Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe verblieben ist, wird zu den Wärmeübertragungsrohren (13) der Adsorptionssäule (11) unmittelbar vor Umschaltung von der Adsorptionsstufe zur Desorptionsstufe überführt, um das Adsorptionsmittel (S) aufzuheizen, und nachdem die Gesamtmenge des restlichen Wärmeübertragungsmediums durch die Wärmeübertragungsrohre (13) hindurchgetreten und das Vorheizen beendet ist, werden die Adsorptionssäulen (11, 11′) umgeschaltet, d.h. die eine Adsorptionssäule (11) wird zur Desorptionsstufe umgeschaltet, während die andere Adsorptionssäule (11′) zur Adsorptionsstufe umgeschaltet wird, so daß ein Adsorptions- und Desorptionszyklus durchgeführt werden kann.
Wenn während des Umschaltvorganges die Adsorptionssäule (11) in die Desorptionsstufe gelangt, wird im wesentlichen die gesamte Menge des Wärmeübertragungsmediums, das das Festkörper-Adsorptionsmittel vorgeheizt hat, zur Wärmequellenseite zurückgeführt, ohne daß das Wärmeübertragungsmedium zu einem Kühlturm gelangt. Infolgedessen wird der Wärmeverlust beträchtlich verringert und die Menge des Wärmeübertragungsmittels, das zu einem Kühlwassergenerator, wie beispielsweise einem Kühlturm, fließt, wird minimal, so daß ein innerhalb des Kühlwassergenerators befindliches wärmeempfindliches Füllmaterial geschützt werden kann.
In den Fig. 1-5 werden Strömungswege, durch welche ein Wärmeübertragungsmedium oder ein Kältemittel fließt, bzw. nicht fließt, jeweils in voll ausgezogenen oder gestrichelten Linien dargestellt.
Die erste und zweite Adsorptionssäule (11, 11′) nehmen mit Rippen versehene Rohre (13, 13′) in ihren Vakuum-Mantelgehäusen (12, 12′) auf, und ein Festkörper-Adsorptionsmittel (S), wie beispielsweise Silicagel, Zeolith, aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, ist in den feinen Zwischenräumen zwischen den Rohren angeordnet. Durch die mit Rippen versehenen Rohre (13, 13′) werden abwechselnd Warmwasser, das von einer niedriggradigen Wärmequelle, wie beispielsweise Sonnenkollektoren, Abwärme von Anlagen, über einen Wärmetauscher oder unmittelbar geleitet wird und Kühlwasser, das in einem Kühlwassergenerator, beispielsweise einem Kühlturm erzeugt wird, hindurchgeleitet.
Der Kondensator (14) ist über die Leitungen (16, 16′), die mit Ventilen (15, 15′) ausgestattet sind, an die Mantelgehäuse (12, 12′) der Adsorptionssäulen (11, 11′) angeschlossen.
Der Verdampfer (17) ist über eine Rohrleitung (18) an dem Boden eines Kondensatorgehäuses (14a) angeschlossen. Das Gehäuse (17a) des Verdampfers und das Vakuum-Mantelgehäuse (12) der ersten Adsorptionssäule (11) und das Vakuum-Mantelgehäuse (12′) der zweiten Adsorptionssäule (11′) sind jeweils miteinander über die Leitungen (20, 20′) verbunden, die auf halbem Wege mit den Ventilen (19, 19′) ausgestattet sind. Somit kann eine benötigte Menge eines Kältemittels, z.B. von in den Mantelgehäusen (12, 12′) aufgenommenem Wasser, abhängig von den Öffnungs- und Schließvorgängen der Ventile (15, 15′, 19, 19′) zwischen dem Kondensator (14) und dem Verdampfer (17) umgewälzt werden.
Der Kondensator (14) nimmt im Gehäuse (14a) mit Rippen versehene Wärmeübertragungsrohre (21) auf, beispielsweise Rohre mit Querrippen oder Strömungsrippen, durch welche ständig Kühlwasser geführt werden kann, um die Kältemitteldämpfe, die von dem Festkörper-Adsorptionsmittel (S) innerhalb der Adsorptionssäulen (11, 11′) abgeführt worden sind, zu kondensieren und zu verflüssigen, wonach die gesammelte und am Boden des Behälters (14a) gespeicherte Kühlmittelflüssigkeit durch die Rohrleitung (18) dem Verdampfer (17) zugeführt wird.
Ventile (V1, V2, V3, . . ., V11) sind in den Rohrleitungen vorgesehen, die die Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) der Adsorptionssäulen (11, 11′) mit folgenden Anschlüssen verbinden: Wärmeübertragungsrohre (21) des Kondensators (14), Kühlwassereinlaß (23), Kühlwasserauslaß (24), Einlaß (25) für das Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite, und Auslaß (26) für das Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite. Diese Ventile können aufeinanderfolgend, entsprechend den Befehlen einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung, geöffnet oder geschlossen werden.
Die Ventile (15, 15′, 19, 19′), die in den Leitungen (16, 16′) angeordnet sind, die die Adsorptionssäulen (11, 11′) mit dem Kondensator (14) und dem Verdampfer (17) verbinden, sind vorzugsweise als Drosselklappenventile ausgebildet, deren Tragachse an einer exzentrischen Position des Ventils angebracht ist.
Betriebsweise
In dem Zustand gemäß Fig. 1 wird die erste Adsorptionssäule (11) mit Kühlwasser versorgt und führt einen Adsorptionsvorgang durch, während die zweite Adsorptionssäule (11′) mit einem Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite versorgt wird und einen Desorptionsvorgang durchführt.
Das vom Einlaß (25) zugeführte Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite wird durch das Ventil (V6) zu den Wärmeübertragungsrohren (13′) in der zweiten Adsorptionssäule (11′) gebracht, wo es das Festkörper-Adsorptionsmittel (S) aufheizt und das Kältemittel desorbiert, fließt dann durch das Ventil (V4) zum Auslaß (26) für das Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite, und kehrt zur Wärmequelle zurück.
Der in der zweiten Adsorptionssäule (11′) erhitzte und desorbierte Kältemitteldampf wird durch das Ventil (15) zum Kondensator (14) durchgelassen, wo er durch das durch die Wärmeübertragungsrohre (21) fließende Kühlwasser gekühlt und verflüssigt wird, worauf er am Boden des Gehäuses (14a) gesammelt und aufgrund eines Druckunterschiedes über die Rohrleitung (18) zum Verdampfer (17) überführt wird. Während dieser Zeit wird in der ersten Adsorptionssäule (11) das Kühlwasser von dem Wärmeübertragungsrohr (21) des Kondensators (14) über das Ventil (V5) den Wärmeübertragungsrohren (13) zugeführt, und das Festkörper-Adsorptionsmittel (S) wird gekühlt, um den Kältemitteldampf zu adsorbieren. Die Kühlmittelflüssigkeit innerhalb des Verdampfers (17) wird an den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre (22) heftig verdampft und entzieht infolge seiner latenten Verdampfungswärme dem Wärmeübertragungsmedium an der Gebrauchsseite die Wärme, wodurch das Wärmeübertragungsmedium in den Wärmeübertragungsrohren abgekühlt wird. Infolgedessen kann das auf diese Weise gekühlte Wärmeübertragungsmedium der Gebrauchsseite einer Gebläsekühleinheit zugeführt werden, die in einem Luftklimatisierungsraumbereich installiert ist, wodurch es ermöglicht wird, die allgemeinen Temperaturbedingungen eines Luftklimatisierungssystems zu erzielen (beispielsweise Kühlwassereinlaßtemperatur 30°C, Einlaßtemperatur des Wärmeübertragungsmediums der Gebrauchsseite 12°C, und dessen Auslaßtemperatur 7°C).
Bei der Umschaltung der Adsorptions- und Desorptionsstufen der Adsorptionssäulen (11, 11′) aus dem Betriebszustand gemäß Fig. 1 zum Betriebszustand gemäß Fig. 2 bleiben zunächst die Ventile (V1, V2, V5, V7-V11) unverändert und die Ventile (V3, V4, V6) werden zu einem Zeitpunkt gemäß Fig. 2 umgeschaltet, wodurch das Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite vom Einlaß (25) durch das Ventil (V3) zum Auslaß (26) abgeleitet wird, um dadurch die Zuführung des Wärmeübertragungsmediums an der Wärmequellenseite zur zweiten Adsorptionssäule (11′) zu sperren. Durch diese Umschaltung wird restliches Warmwasser in den Wärmeübertragungsrohren (13′) der zweiten Adsorptionssäule (11′) zurückgehalten. Zu diesem Zeitpunkt kommt die Adsorptionsstufe in der ersten Adsorptionssäule (11) zu ihrem Ende und die Desorptionsstufe in der zweiten Adsorptionssäule (11′) steht kurz vor ihrer Beendigung, und infolgedessen sind die Ventile (15, 19), die an den Leitungen (16, 20) vorhanden sind, abhängig von einem Druckunterschied in einem halb geöffneten Zustand.
Ferner wird, wenn gem. Fig. 3 die Ventile (V1, V5, V9) zu einem Zeitpunkt umgeschaltet werden, in dem sich die Ventile (V2, V3, V4, V6, V7, V8, V10, V11) noch in dem in Fig. 3 gezeigten Zustand befinden, das in den Wärmeübertragungsrohren (13′) in der zweiten Adsorptionssäule (11′) zurückgebliebene Warmwasser durch das den Wärmeübertragungsrohren (21) im Kondensator (14) zugeführte und über die Ventile (V9, V1) in die Wärmeübertragungsrohre (13) in der ersten Adsorptionssäule (11) eingeführte Kühlwasser herausgedrückt. Infolgedessen wird das Festkörper-Adsorptionsmittel (S) in der ersten Adsorptionssäule (11) durch das Warmwasser unmittelbar vor dem Eintritt in die Desorptionsstufe vorgeheizt, während gleichzeitig das im Gehäuse (14a) des Kondensators (14) gesammelte Kältemittel durch die Rohrleitung (18) zum Verdampfer (17) geführt wird.
Wenn der Betrieb in diesem Zustand fortgesetzt würde, würde das in die erste Adsorptionssäule (11) eingeführte, restliche Warmwasser aus dem Auslaß (24) für Kühlwasser austreten, bedingt durch das in die zweite Adsorptionssäule (11′) eingeführte Kühlwasser. Um dies zu verhindern, wird die Strömung des restlichen Warmwassers zeitweilig in einem geeigneten Zeitraum durch Umschalten der Ventile (V1, V8, V11) gemäß Fig. 4 gesperrt, wodurch das aus den Wärmeübertragungsrohren (13′) in der zweiten Adsorptionssäule (11′) ausströmende Kühlwasser über das Ventil (V8) zum Auslaß (24) für Kühlwasser geleitet werden kann.
Mit dieser Umschaltung wird die Adsorptionsstufe in der zweiten Adsorptionssäule (11′) durch Kühlen des Festkörper-Adsorptionsmittels (S) eingeleitet, und das Kältemittel im Verdampfer (17) wird verdampft, um das zu kühlende Medium an der Gebrauchsseite im wesentlichen kontinuierlich zu kühlen.
Die Zeitsteuerung der Umschaltung der Ventile (V1, V8, V11) vom Zustand gemäß Fig. 3 zum Zustand gemäß Fig. 4 wird gewöhnlich durch einen Zeitgeber, abhängig von der Druckzuführungsrate des Kühlwassers, gesteuert. Es ist ferner möglich, die Ventile zu regulieren, indem der Durchtritt von Warmwasser durch einen Temperatursensor erfaßt wird, der auf halbem Wege an der Rohrleitung vorgesehen ist.
Die Ventile (V2, V3, V7) werden vom Zustand gemäß Fig. 4 in den Zustand gemäß Fig. 5 umgeschaltet, um die erste Adsorptionssäule (11) mit dem Heizmedium an der Wärmequellenseite zu versorgen.
Das vom Einlaß zugeführte Heizmedium an der Heizquellenseite wird durch das Ventil (V2) in die Wärmeübertragungsrohre (13) in der ersten Adsorptionssäule (11) geleitet und gelangt, wobei das restliche Warmwasser nach dem Vorheizen des an den Wärmeübertragungsrohren (13) anliegenden Adsorptionsmittels herausgedrückt wird, durch das Ventil (V7) zum Auslaß (26) für das Heizmedium an der Heizquellenseite. Das restliche Warmwasser wird dadurch zu den Wärmeaustauschern an der Wärmequellenseite zurückgeführt und infolgedessen wird ein Wärmeverlust des Warmwassers verhindert. Ferner wird eine Strömung des Warmwassers an der Kühlturmseite verhindert, wodurch ein frühzeitiger Abbau des Füllmaterials verhindert wird.
Somit gelangt die erste Adsorptionssäule (11) von der Adsorptionsstufe (Fig. 1) über die Vorheizstufe (Fig. 3 u. 4) in die Desorptionsstufe (Fig. 5). In der Desorptionsstufe wird Kältemitteldampf, der vom Festkörper-Adsorptionsmittel (S) abgezogen wird, durch das Ventil (15′) und die Leitung (16′) in den Kondensator (14) geführt, wo er kondensiert und verflüssigt wird.
Bei der Umschaltung der ersten Adsorptionssäule (11) und der zweiten Adsorptionssäule (11′) von diesem Zustand (Fig. 5) zu dem in Fig. 1 gezeigten Zustand, also zwischen Adsorptionsstufe und Desorptionsstufe, wird das restliche Warmwasser in der Adsorptionssäule (11) zum Vorheizen des Adsorptionsmittels (S) in der zweiten Adsorptionssäule (11′) verwendet und anschließend in einem den vorausgehenden Stufen ähnlichen Vorgang zur Wärmequellenseite zurückgeführt. Die Beschreibung der Betätigungsvorgänge der Ventile während des Umschaltvorganges wird deshalb weggelassen.
Das Ausführungsbeispiel wurde bislang dahingehend beschrieben, daß zwei Adsorptionssäulen parallelgeschaltet und mit einem Kondensator und Verdampfer verbunden sind, so daß Kältemittel umgewälzt werden kann, jedoch ist die Erfindung auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, in welchen drei oder mehr Adsorptionssäulen parallel liegen, und die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge aufeinanderfolgend unter ihnen durchgeführt werden, wodurch eine kontinuierliche Kühlung durch den Verdampfer aufrechterhalten werden kann.
Falls drei oder mehr Adsorptionssäulen zur Adsorption und Desorption mit einem gewissen Zeitabstand gebracht werden, wobei eine Zeitabweichung bei der jeweiligen Zuführung oder Abführung des restlichen Warmwassers auftritt, wird wenigstens ein Tank zur Aufnahme von restlichem Warmwasser installiert, um zeitweilig warmes Wasser zu speichern. Wird das auf diese Weise gespeicherte Warmwasser der Adsorptionssäule kurz vor der Umschaltung von der Adsorptionsstufe zur Desorptionsstufe zugeführt, so können das Vorheizen des Festkörper-Adsorptionsmittels und die Rückführung des Warmwassers zur Heizquelle mühelos durchgeführt werden.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Adsorptionskälteanlage, die mindestens zwei Adsorptionssäulen (11, 11′) umfaßt, wovon jede ein Festkörper-Adsorptionsmittel (S) und Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) sowie ein Kältemittel aufnimmt, ferner einen Kondensator (14), einen Verdampfer (17) und mit Ventilen (15, 15′, 19, 19′) ausgestattete Rohrleitungen (16, 16′, 20, 20′, 18) aufweist, die die Adsorptionssäulen (11, 11′) mit dem Kondensator (14) und dem Verdampfer (17) verbinden, so daß das Kältemittel zwischen den Adsorptionssäulen (11, 11′) strömt, wobei die Adsorptionssäulen (11, 11′) abwechselnd in die Adsorptionsstufe und in die Desorptionsstufe in solcher Weise umgeschaltet werden, daß sich mindestens eine der Adsorptionssäulen (11) in der Adsorptionsstufe und gleichzeitig die anderen Adsorptionssäulen (11′) in der Desorptionsstufe befinden, wozu ein Wärmeübertragungsmedium von einer Wärmequelle (25) zum Erhitzen des Adsorptionsmittels (S) beziehungsweise ein Kühlmittel (23) zu dessen Abkühlung durch die Wärmeübertragungsrohre (13′) der in der Desorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11′) bzw. durch die Wärmeübertragungsrohre (13) der in der Adsorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11) geschickt werden, wobei während des Umschaltvorganges von der Desorptionsstufe in die Adsorptionsstufe und umgekehrt die gesamte in den noch in der Desorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11′) vorhandene Restwärme unmittelbar vor der Umschaltung den noch in der Adsorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11) zugeführt wird, wodurch das Adsorptionsmittel (S) in den noch in der Adsorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11) durch die Restwärme vorerhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Übertragung der Restwärme das Kühlmittel (23) nach geeigneter Ventilumschaltung (V₁, V₅, V₉) das Wärmeübertragungsmedium aus den noch in der Desorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11′) in die noch in der Adsorptionsstufe befindlichen Adsorptionssäulen (11) drückt.
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