DE4413030C1 - Sorptionsklimaanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sorptionsklimaanlage mit wenigstens zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und einer Desorptionsphase betreibbaren Sorptionsreaktoren, denen zumindestens in der Desorptionsphase Wärmeenergie durch eine Wärmequelle zuführbar ist.

Eine derartige, zur Bereitstellung einer kontinuierlichen Kühlleistung geeignete Sorptionsklimaanlage ist aus der DE-A1 41 33 917 bekannt. Für eine wechselweise Beheizung der Sorptionsreaktoren wird dort Luft verwendet, die in einem Wärmetauscher durch Abgas, welches gegebenenfalls von einem Brenner erzeugt wird, erwärmt wird. Die Verwendung von Luft als wärmeübertragendes Medium bedingt große Leitungsquerschnitte und insgesamt einen schlechten Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kompakte, für einen Einsatz in einem Fahrzeug besonders geeignete Sorptionsklimaanlage bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei dient als Wärmequelle ein beheizbarer Dampferzeuger, der über je einen mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllten Dampfkanal mit einem der Sorptionsreaktoren verbunden ist. Durch die Verwendung von Dampf als Wärmeträger zwischen der Wärmequelle (Dampferzeuger) und dem jeweils zu desorbierenden Sorptionsreaktor wird eine äußerst effektive Wärmeübertragung gewährleistet. Durch die Ausnützung der für den Phasenübergang notwendigen Energie für den Wärmetransport wird die Menge des erforderlichen Wärmeübertragungsmittels auf ein Minimum reduziert und entsprechend reduziert sich auch die Masse und das Volumen der zur Leitung des Wärmeträgers erforderlichen Leitungen. Die Dampfkanäle sind als geschlossenes Kreislaufsystem ausgebildet und weisen jeweils in der Kondensatrücklaufleitung ein Absperrorgan auf. Zu dem stehen beide Dampfkanäle im Bereich des Dampferzeugers in wärmeleitender Verbindung zueinander. Mittels dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird erreicht, daß eine einzige kontinuierlich beheizbare Wärmequelle zur wechselweisen Beheizung eines der Sorptionsreaktoren verwendet werden kann. Hierzu wird einfach ein Absperrorgan in der Kondensatrücklaufleitung des jeweils nicht zu beheizenden Dampfkanals geschlossen. Somit ist in diesem gesperrten Dampfkanal keine verdampfbare Flüssigkeit mehr vorhanden und die von der Wärmequelle bereitgestellte Energie wird nahezu vollständig vom anderen Dampfkanal aufgenommen. Durch die wärmeleitende Verbindung beider Dampfkanäle ist jedoch gewährleistet, daß der nicht mit Wärmeträger gefüllte Dampfkanal nicht durch Überhitzung beschädigt wird, da er durch die enge Verbindung zum mit Wärmeträger gefüllten Dampfkanal genügend Wärme dorthin ableiten kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Für einen kontinuierlichen Betrieb einer erfindungsgemäßen Sorptionsanlage unabhängig vom Betrieb eines Verbrennungsmotors - beispielsweise für eine Standklimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes - ist es vorteilhaft, daß der Dampferzeuger mittels eines Brenners beheizbar ist. Ein solcher Brenner kann ähnlich wie ein in einem bekannten Fahrzeugzusatzheizgerät eingesetzter Brenner ausgelegt sein.

Zusätzlich oder phasenweise als Ersatz für einen Brenner ist es zur Reduzierung des Primärenergieeinsatzes vorteilhaft, daß der Dampferzeuger mittels einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors beheizbar ist. Dadurch kann die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Abwärme gleichzeitig zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden. Je nach Abwärmeangebot des Verbrennungsmotors kann ein zusätzlich vorhandener Brenner entweder abgeschaltet oder auf einer niedrigeren Leistungsstufe zusätzlich betrieben werden.

Im Hinblick auf einen umweltfreundlichen Betrieb einer erfindungsgemaßen Sorptionsklimaanlage ist es vorteilhaft, daß die verdampfbare Flüssigkeit im wesentlichen von Wasser gebildet wird. Von einer derartigen Anlage gehen weder im Normalbetrieb noch beim Bruch einer Leitung infolge eines Unfalles Umweltgefahren aus. Um auch in einem äußeren Kreislauf der Sorptionsreaktoren mit einem umweltfreundlichen Wärmeträger wie Wasser arbeiten zu können, ist es vorteilhaft, wenn in den Sorptionsreaktoren als Sorbens Zeolith enthalten ist.

Zur Erhöhung der Effektivität des Wärmeübergangs zwischen Dampferzeuger und jeweiligem Sorptionsreaktor ist es vorteilhaft, wenn in der Vorlaufleitung ein Abscheider angeordnet ist, dessen flüssigkeitsabscheidende Leitung mit der Kondensatrücklaufleitung verbunden ist. Durch einen solchen Abscheider, z. B. Wasserabscheider, wird gewährleistet, daß nur reiner Dampf für die Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Dampferzeuger und dem Sorptionsreaktor zum Einsatz kommt.

Zur Verminderung von Wärmeverlusten im inneren Dampfkreislauf ist es ferner vorteilhaft, wenn das Gehäuse des Dampferzeugers und/oder die daran angeschlossenen Leitungen mit einer thermischen Isolierung versehen sind.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1-6 eine schematische Darstellung einer Sorptionsklimaanlage in mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Dampferzeuger,

Fig. 8 einen Querschnitt durch denselben in Höhe der Linie VIII-VIII in Fig. 7,

Fig. 9 eine Stirnseitenansicht gemäß dem Pfeil IX in Fig. 7,

Fig. 10 eine Variante zur Fig. 8 mit einem zusätzlichen Dampfkanal zur Wärmeübertragung vom Abgas einer Brennkraftmaschine und

Fig. 11 eine Stirnseitenansicht gemäß dem Pfeil XI in Fig. 7.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Sorptionsklimaanlage besteht aus drei verschiedenen geschlossenen Kreislaufsystemen, die nachfolgend zunächst einzeln und anschließend in ihrem Zusammenwirken beschrieben werden.

Ein erstes inneres Kreislaufsystem besteht aus einem in der Mitte der Fig. 1 erkennbaren Dampferzeuger E₄, der hier nur schematisch angedeutet ist und detaillierter in der Fig. 7 dargestellt ist. Dem Dampferzeuger E₄ wird Fremdenergie Q₁ in Form von heißen Abgasen eines Brenners und/oder eines Verbrennungsmotors zugeführt. Die Wärmeenergie Q₁ wird auf die beiden im Inneren des Dampferzeugers E₄ angeordneten, zueinander in wärmeleitender Verbindung stehenden Dampfkanäle 1 bzw. 2 übertragen. Die Dampfkanäle 1 bzw. 2 gehören zu einem linken bzw. einem rechten bezüglich des Flüssigkeitsüberganges vollständig voneinander getrennten Zweig des inneren Kreislaufsystems. Beide Zweige des inneren Kreislaufes stehen über eine Rohrleitung 3 bzw. 4 mit je einem Sorptionsreaktor E₅ bzw. E₆ in wärmeleitender Verbindung. Im Vorlaufzweig zwischen Dampferzeuger E₄ und erstem Sorptionsreaktor E₅ ist ein Wasserabscheider W₁ angeordnet, dessen flüssigkeitsabscheidende Leitung mit einer Kondensatrücklaufleitung, die vom unteren Teil der Leitung 3 gebildet wird, verbunden ist. In diesem Teil der Leitung 3 ist vor dem Eintritt in den Dampferzeuger E₄ ein Ventil V₆ angeordnet, mittels dem die Zufuhr von Kondensat zum Dampferzeuger E₄ absperrbar ist.

Analog zum linken Zweig weist der rechte Zweig des inneren Kreislaufs in einer Vorlaufleitung zwischen dem Dampferzeuger E₄ und einem zweiten Sorptionsreaktor E₆ einen Wasserabscheider W₂ auf. Dieser sorgt dafür, daß vom Dampfkanal 2 des Dampferzeugers E₄ ausgehender Dampf nur in dampfförmiger Form in den oberen Teil einer Leitung 4 zum zweiten Sorptionsreaktor E₆ gelangen kann, während etwaige Flüssigkeitspartikel durch eine flüssigkeitsabscheidende Leitung des Wasserabscheiders W₂ unmittelbar in den unteren Teil der Leitung 4, der als Kondensatrücklaufleitung fungiert, zurückgeführt wird. In diesem unteren Teil ist vor dem Eintritt in den Dampferzeuger E₄ ein Ventil V₇ angeordnet, mittels dem die Zufuhr von Kondensat zum Dampferzeuger E₄ absperrbar ist.

Der erste Sorptionsreaktor E₅ setzt sich aus einem Zeolithblock Z₅ und einem Sprühverdampfer bzw. -Verflüssiger 55 zusammen. Der Zeolithblock Z₅ wird außer der bereits erwähnten, zum inneren Dampfkreislauf gehörenden Leitung 3 von einer weiteren Leitung 5 zum Zweck eines indirekten Wärmetausches durchdrungen, die zu einem geschlossenen Abwärmekreislauf gehört. In diesem Abwärmekreislauf ist oberhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ in der Leitung 5 ein Ventil V₃ angeordnet. Stromab dieses Ventils V₃ mündet in die Leitung 5 eine Leitung 12 ein, in der ein weiteres Ventil V₁ angeordnet ist. Nach der Einmündungsstelle der Leitung 12 ist in der Leitung 5 eine erste Pumpe P₁ angeordnet. Stromab dieser Pumpe P₁, d. h. in Förderrichtung derselben mündet in die Leitung 5 eine Leitung 13 ein, die mittels eines Ventils V₂ absperrbar ist. Ab der Einmündungsstelle der Leitung 13 setzt sich die Leitung 5 als Leitung 6 fort, in welcher vor ihrem Eintritt in den zweiten Sorptionsreaktor ein Ventil V₄ angeordnet ist. Die Leitung 6 steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Zeolithblock Z₆ des zweiten Sorptionsreaktors E₆. Der zweite Sorptionsreaktor E₆ weist außer dem Zeolithblock Z₆ einen Sprühverdampfer bzw. -Kondensator S₆ auf. Nach Austreten aus dem zweiten Sorptionsreaktor E₆ ist in die Leitung 6 ein Rückschlagventil 7 eingesetzt. In die Leitung 6 mündet ein unterer Zweig der Leitung 5 ein, in die unterhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ ein Ventil V₅ eingesetzt ist. Das Ventil V₅ wird ferner durch eine Bypassleitung 8 umgangen, in welche ein nur nach unten hin durchströmbares Rückschlagventil 9 eingesetzt ist. Die Leitung 5 und die Leitung 6 vereinigen sich unterhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ zu einer Leitung 10, die im oberen Teil mit einem Ausgleichsbehälter E₁ verbunden ist und anschließend einen Abwärmetauscher 11 durchströmt. An dem mittels eines schematisch angedeuteten Gebläse beaufschlagbaren Abwärmetauscher 11 ist eine Wärmemenge Q₂ abführbar. Nach Austritt aus dem Abwärmetauscher 11 spaltet sich die Leitung 10 in die bereits erwähnten Leitungen 12 bzw. 13 auf, von denen erstere stromab der Pumpe P₁ und zweitere stromauf der Pumpe P₁ in die Leitung 5 einmündet.

Der Sprühverdampfer bzw. -Kondensator S₅ des ersten Sorptionsreaktors E₅ kann wahlweise durch eine Leitung 14, die mittels eines Ventils V₈ absperrbar ist oder durch eine Leitung 25, die mittels eines Ventils V₉ absperrbar ist gespeist werden. Die aus der Leitung 14 bzw. 25 in den Sprühverdampfer bzw. -Kondensator S₅ einströmende Flüssigkeit wird in Form eines Sprühkegels darin versprüht und steht in direktem stofflichen Wärmetausch mit dem Zeolithblock Z₅. Wird dieser durch Wärmezufuhr desorbiert, so wird der aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebene Wasserdampf mittels der kühleren Flüssigkeit des Sprühkegels verflüssigt und die dabei freiwerdende Wärme mit der Flüssigkeit nach unten abgeführt. In der Adsorptionsphase des ersten Sorptionsreaktors E₅ wird dagegen aus dem Sprühkegel Wasser verdampft und im Zeolithblock Z₅ angelagert, wobei der versprühten Flüssigkeit Wärme entzogen wird. Im unteren Teil des Sprühverdampfers bzw. -Kondensators S₅ wird die Flüssigkeit gesammelt und wahlweise über eine Leitung 15 mit einem darin angeordneten Absperrventil V₁₀ zu einem Behälter E₂ geführt oder über eine Leitung 23 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₀ zu einem Behälter E₃ geführt. An den Behälter E₂ schließt sich nach unten eine Leitung 16 an, die mit einem Wärmetauscher 17 in Verbindung steht, der mittels eines nur schematisch angedeuteten Gebläses beaufschlagbar ist und zur Abfuhr von Wärme Q₃ aus diesem Teil des Kreislaufes dient. Die abgeführte Wärmemenge Q₃ kann beispielsweise zu Heizzwecken verwendet werden. Stromab des Wärmetauschers 17 schließt sich eine Pumpe P₂ an, die den Flüssigkeitstransport durch die Leitungen 14, 15 und 16 aufrecht erhält.

Spiegelbildlich zu diesem Kreislauf mündet in den Sprühverdampfer bzw. -Kondensator S₆ des zweiten Sorptionsreaktors E₆ eine Leitung 18 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₂ oder wahlweise dazu eine Leitung 26 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₃ ein. Der im Sprühverdampfer bzw. -Kondensator S₆ versprühte Flüssigkeitskegel dient wie vorstehend beschrieben beim ersten Sorptionsreaktor S₅ wiederum je nachdem, ob der zweite Sorptionsreaktor E₆ in einer Desorptionsphase oder einer Adsorptionsphase betrieben wird, zur Aufnahme von Wasserdampf aus dem oder zur Abgabe von Wasserdampf an den Zeolithblock Z₆. Von einem Sammelteil im unteren Teil des Sprühverdampfers bzw. -Kondensators S₆ wird die Flüssigkeit wahlweise entsprechend der Ventilstellung über eine Leitung 19 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₄ dem Behälter E₃ oder über eine Leitung 24 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₅ dem Behälter E₂ zugeleitet. Aus dem Behälter E₃ führt eine Leitung 20 zu einem Wärmetauscher 21, der mittels eines schematisch angeordneten Gebläses beaufschlagbar ist und der zur Abfuhr einer Wärmemenge Q₄ aus einem Innenraum eines Fahrzeuges dient. Eine stromab des Wärmetauschers 21 angeordnete Pumpe P₃ dient zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitskreislaufes in den Leitungen 18, 19 und 20.

Während der linke Teil des äußeren Kreislaufes mit den Leitungen 14, 15 und 16 und dem Wärmetauscher 17 zur Abfuhr von Wärme respektive Bereitstellung einer Heizleistung dient, dient der rechte Teil des äußeren Kreislaufes mit den Leitungen 18, 19 und 20 sowie dem Wärmetauscher 21 der Zufuhr von Wärme Q₄ an den Kreislauf respektive der Bereitstellung von Kälteleistung für einen Fahrzeuginnenraum. Die Behälter E₂ bzw. E₃ sind ferner durch eine Leitung 22 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₆ verbunden. Eine weitere Leitung 18A verbindet die Leitungen 18 und 20 unter Umgehung der Sprühkammern S₅ und S₆ sowie des Ausgleichsbehälters E₃ auf kurzem Wege miteinander. In diese Leitung 18A ist ein Ventil V₁₇ zur Absperrung derselben eingesetzt. Die folgenden Darstellungen gemäß Fig. 2-6 unterscheiden sich von der Darstellung in Fig. 1 nur durch unterschiedliche Kreisläufe, die durch verschiedene Ventilstellungen den Betrieb oder Nichtbetrieb von Pumpen und Wärmetauschern erzeugt werden. Sie werden weiter unten im Zusammenhang mit den verschiedenen Betriebsphasen erläutert.

In den Fig. 7 bis 9 ist ein in den Fig. 1-6 nur schematisch dargestellter Dampferzeuger E₄ im Detail dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem wärmeerzeugenden Teil in der linken Bildhälfte und einem wärmeübertragenden Teil in der rechten Bildhälfte. Als wärmeerzeugender Teil ist ein im wesentlichen von Fahrzeugzusatzheizgeräten bekannter Brenner 27 vorgesehen. Zu diesem gehört ein verdampfungsfähiger Körper 28, welcher von einer Brennstoffzuleitung 29 mit Brennstoff gespeist wird. Die Brennstoffzuleitung 29 steht mit ihrem anderen Ende mit einer Brennstoffördereinrichtung 39 in Verbindung, die ebenso wie eine Brennluftfördereinrichtung 38 von einem gemeinsamen Elektromotor 40 angetrieben wird. Das entstehende Brennstoff/Brennluftgemisch wird mittels einer Zündeinrichtung 30 in einer Brennkammer 32 entzündet und verbrannt. Das Entstehen der Flammenbildung und die fortlaufende Aufrechterhaltung einer Flamme werden mittels einer Flammüberwachungseinrichtung 31 kontrolliert. Die in der Brennkammer 32 erzeugten heißen Brenngase werden über den Wärmetauscherteil in der rechten Bildhälfte zu einem Abgasauslaßstutzen 34 geführt. Dabei geben sie einen Großteil ihrer Wärmeenergie an einen ersten Dampfkanal 1 und einen zweiten Dampfkanal 2 ab, die jeweils mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt sind und zueinander in wärmeleitender Verbindung stehen. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches sind der erste und der zweite Dampfkanal 1 bzw. 2 an ihrem Außenumfang mit in Längsrichtung verlaufenden Rippen 33 versehen. Die Dampfkanäle 1 bzw. 2 werden bezüglich der vom Brenner 27 erzeugten Brenngase im Gegenstrom durchflossen. Das für die Dampfbildung erforderliche Kondensat wird demzufolge über Anschlüsse 1A bzw. 2A zu den Dampfkanälen 1 bzw. 2 geführt. Der in den Dampfkanälen 1 bzw. 2 erzeugte Dampf wird über die Anschlußstutzen 1B bzw. 2B in den jeweiligen Kreislauf weitergeleitet. Der Anschluß 1B steht mit dem Wasserabscheider W₁ in Verbindung; der Anschlußstutzen 2B steht mit dem Wasserabscheider W₂ in Verbindung. An den Anschlußstutzen 1A ist vom Ventil V₆ kommend die Kondensatrücklaufleitung 3 angeschlossen. An den Anschlußstutzen 2A ist vom Ventil V₇ kommend die Kondensatrücklaufleitung 4 angeschlossen.

Um im Dampferzeuger E₄ zusätzlich oder optional zu den vom Brenner 27 erzeugten Brenngasen auch Energie aus den Abgasen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine nutzen zu können, ist gemäß der in den Fig. 10 und 11 dargestellten Alternative am Dampferzeuger E₄ ein weiterer Dampfkanal 35 vorgesehen, der über einen weiteren, mit den anderen in wärmeleitender Verbindung stehenden Dampfkreislauf mit einer abgasführenden Leitung der nicht gezeigten Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Bei stehender Brennkraftmaschine wird die für eine Klimatisierung erforderliche Energie ausschließlich vom Brenner 27 erzeugt, bei laufender Brennkraftmaschine und genügender Abwärmeleistung des Motors kann der Brenner 27 in seiner Leistung gedrosselt oder gar ganz abgeschaltet werden, da dann über den Anschlußstutzen 35A zusätzlich oder ausschließlich vom heißen Abgas erzeugter Dampf in den Wärmetauscher eingeführt wird. Zur Vermeidung einer Überhitzung und zur entsprechenden Ansteuerung des Brenners 27 sowie eines nicht dargestellten in einer Kondensatrücklaufleitung des dritten Dampfkanals 35 befindlichen Absperrventils ist ein Temperaturwächter 37 vorgesehen, der die Bauteiltemperatur an der Baueinheit aus erstem Dampfkanal 1, zweitem Dampfkanal 2 und ggfs. drittem Dampfkanal 35 ständig überwacht. Um eine möglichst hohe Energieübertragung im Wärmetauscher zu gewährleisten, sind die Außenwände des Gehäuses des Dampferzeugers E₄ sowohl an ihrem Umfang als auch an ihrer Stirnseite mittels einer thermischen Isolierung 36 abgeschottet. Gleiches gilt vorzugsweise für die an den Dampferzeuger E₄ angeschlossenen Dampfleitungen 3, 4 bzw. 35A, 35B.

Nachfolgend werden nun die verschiedenen Betriebsphasen der Sorptionsklimaanlage anhand der Fig. 1-6 erläutert.

In Fig. 1 wird der Sorptionsreaktor E₅ desorbiert und der zweite Sorptionsreaktor E₆ adsorbiert. Hierzu wird dem Dampferzeuger E₄ im inneren Kreislauf Wärmeenergie Q₁ zugeführt. Der Dampfkanal 1 wird infolge des geöffneten Ventils V₆ durchströmt, wo hingegen der Dampfkanal 2 infolge des geschlossenen Ventils V₇ nicht durchströmt wird. Der im Dampfkanal 1 erzeugte Dampf wird über den Wasserabscheider W₁ in die Leitung 3 eingeleitet und beheizt durch intensiven indirekten Wärmetausch den Zeolithblock Z₅ des ersten Sorptionsreaktors E₅. Dabei gibt der Dampf Wärme ab und kondensiert. Das Kondensat wird über den unteren Teil der Leitung 3 und das Ventil V₆ wieder dem Dampfkanal 1 zugeführt.

Der den Zeolithblock Z₅ durchdringende Abschnitt des Abwärmekreislaufes in Form der Leitung 5 ist hierbei nicht aktiv, da die Ventile V₃ und V₅ geschlossen sind. Die zwischen beiden Ventilen V₃ bzw. V₅ eingeschlossene Flüssigkeit wird jedoch miterwärmt und teilweise verdampft und kann bei Ausdehnung über das Rückschlagventil 9 und die Bypassleitung 8 entweichen. Der durch die Erwärmung aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebene Wasserdampf wird im Sprühkondensator S₅ von der darin versprühten kälteren Flüssigkeit kondensiert und nach unten abgeführt. Die Zufuhr der Sprühflüssigkeit erfolgt ausgehend von der Pumpe P₂ über die Leitung 14 und das geöffnete Ventil V₈. Das Ventil V₉ in der Leitung 25 ist geschlossen. Die Abfuhr der Sprühflüssigkeit mit dem kondensierten Dampf aus dem Zeolithblock Z₅ wird nach unten über die Leitung 15 mit dem geöffneten Ventil V₁₀ zum Ausgleichsbehälter E₂ vorgenommen. Die an diesen angeschlossenen Leitungen 24 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₅ bzw. V₁₆ abgesperrt. Aus dem Ausgleichsbehälter E₂ wird die Flüssigkeit über die Leitung 16 zum Wärmetauscher 17 geführt, an dem die Flüssigkeit Wärmeenergie Q₃ abgibt. Die abgekühlte Flüssigkeit wird über die Pumpe P₂ und die Leitung 14 erneut in den Sprühkondensator S₅ eingepumpt.

Gleichzeitig wird der im rechten Teil der Fig. 2 angeordnete zweite Sorptionsreaktor E₆ adsorbiert. Hierzu wird Flüssigkeit von einer Pumpe P₃ über eine Leitung 18 und das geöffnete Ventil V₁₂ in einen Sprühverdampfer S₆ eingesprüht. Das Ventil V₁₃ der Leitung 26 ist dabei geschlossen. Aus der versprühten Flüssigkeit im Sprühverdampfer S₆ wird unter Wärmeentzug Wasserdampf entnommen und im Zeolithblock Z₆ angelagert. Die dabei im Zeolithblock Z₆ freiwerdende Wärmeenergie wird über den Abwärmekreislauf wegbefördert. Hierzu fördert die Pumpe P₁ über das geöffnete Ventil V₄, die Leitung 6, das Rückschlagventil 7 und die Leitung 10 Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 11. In diesem wird der Flüssigkeit Wärmeenergie Q₂ entzogen. Über das geöffnete Ventil V₁ und die Leitung 12 wird anschließend die abgekühlte Flüssigkeit von der Pumpe P₁ angesaugt und erneut zum Zeolithblock Z₆ gefördert. Das Ventil V₂ in der Leitung 13 ist während dieser Phase geschlossen.

Die durch das Verdampfen von Wasser im Sprühverdampfer S₆ abgekühlte Flüssigkeit wird über das geöffnete Ventil V₁₄ und die Leitung 19 zum Ausgleichsbehälter E₃ geleitet, Die daran angeschlossene Leitung 23 ist durch das geschlossene Ventil V₁₁ gesperrt. Die Leitung 22 ist durch das geschlossene Ventil V₁₆ gesperrt. Die abgekühlte Flüssigkeit wird aus dem Ausgleichsbehälter E₃ über die Leitung 20 zum Wärmetauscher 21 geführt. An diesem wird Umluft aus einem nicht dargestellten Fahrzeuginnenraum in Wärmetausch mit der abgekühlten Flüssigkeit gebracht, wobei der Luft Wärmeenergie Q₄ entzogen wird. Die dadurch um etwa 5-10° erwärmte Flüssigkeit wird mittels der Pumpe P₃ erneut zum Sprühverdampfer S₆ gepumpt. Während dieser Phase wird an den Wärmetauschern 17 und 11 Wärmeenergie Q₃ bzw. Q₂ bereitgestellt und am Wärmetauscher 21 Kälteleistung bereitgestellt. Der Prozeß in dieser ersten Phase läuft solange, bis der Zeolithblock Z₅ vollständig desorbiert und der Zeolithblock Z₆ vollständig adsorbiert ist.

In der daran anschließenden zweiten Phase (Fig. 2) sind die beiden einen Kondensatfluß zum Dampferzeuger E₄ ermöglichenden Ventile V₆ bzw. V₇ geschlossen. Der Dampferzeuger E₄ erzeugt somit weder im ersten Dampfkanal 1 noch im zweiten Dampfkanal 2 Wärmeenergie. Im Abwärmekreislauf sind die Ventile V₃, V₄ und V₅ geöffnet und die Ventile V₁ und V₂ geschlossen. Die Pumpe P₁ bewegt daher die Flüssigkeit durch die Leitungen 5 und 6 in einem kleinen Kreislauf durch den ersten Zeolithblock Z₅ und den zweiten Zeolithblock Z₆. Dabei wird die in der Phase 1 zum Desorbieren des Zeolithblocks Z₅ eingebrachte Wärme teilweise wieder genutzt um den in Phase 1 adsorbierten Zeolithblock Z₆ aufzuheizen. Als weitere Maßnahme, um die Temperatur des ersten Zeolithblocks Z₅ abzusenken und die des zweiten Zeolithblocks Z₆ in Vorbereitung auf dessen in der dritten Phase folgende Desorption zu erhöhen, ist ein innerer Druckausgleich zwischen den beiden Zeolithblöcken Z₅ bzw. Z₆. Hierzu wird ein Ventil V₁₆ zwischen den beiden Ausgleichsbehältern E₂ und E₃ geöffnet, wodurch sich einerseits die unterschiedlichen Wasserstände in den Behältern ausgleichen, andererseits aber auch die unterschiedlichen Drücke in den beiden Zeolithblöcken Z₅ bzw. Z₆ ausgeglichen werden. Dieser Druckausgleich wird dadurch ermöglicht, daß das Ventil V₁₀ in der Leitung 15 und das Ventil V₁₄ in der Leitung 19 geöffnet sind. Die Ventile V₈, V₉, V₁₂, V₁₃, V₁₁, V₁₅ sind hierbei geschlossen. Durch den Druckausgleich sinkt die Temperatur im ersten Zeolithblock Z₅ schlagartig um ca. 40 K und steigt im zweiten Zeolithblock Z₆ um etwa den gleichen Betrag an. Im Abwärmekreislauf werden in der Leitung 6 im Bereich des zweiten Zeolithblocks Z₆ durch die so plötzliche Temperaturerhöhung Temperaturen von mehr als 100° erreicht. Das Wasser in den Rohren des Abwärmekreislaufs verdampft dadurch teilweise, wobei durch den angestiegenen Druck das Restwasser vom Dampf über das Rückschlagventil 7 herausgedrängt wird. Dieser Effekt wirkt sich positiv auf das Verhalten der Anlage aus, weil damit die Totmassen im System verringert werden und die Wärme aus dem Dampferzeuger E₄ in der anschließenden Phase voll zum Aufheizen des Zeolithblocks Z₆ verwendet werden kann. Die im Abwärmekreislauf auftretenden Volumenveränderungen werden durch den Ausgleichsbehälter E₁ aufgefangen.

Vorteilhafterweise wird während dieser Ausgleichsphase der Kaltwasserkreislauf nicht unterbrochen, sondern das Wasser wird nun über das geöffnete Ventil V₁₇ durch die Leitungen 18A und 20 von der Pumpe P₃ im kleinen Kreislauf über den Wärmetauscher 21 gepumpt. Der leichte Temperaturanstieg der dabei umgewälzten Flüssigkeitsmenge ist unkritisch für das Gesamtverhalten der Anlage. Wenn bei Abschluß der Phase 2 der Zeolithblock Z₅ auf eine Adsorptionstemperatur von etwa von 50-60°C abgekühlt ist so beginnt die nächste Phase.

In der nun folgenden 3. Phase (Fig. 3) wird der zweite Sorptionsreaktor E₆ desorbiert und der erste Sorptionsreaktor E₅ adsorbiert. Dazu wird die Wärmeenergie Q₁ im Dampferzeuger E₄ voll zur Verdampfung von Wasser im Dampfkanal 2 verwendet. Dazu ist das Ventil V₇ geöffnet und das Ventil V₆ geschlossen. Der erzeugte Wasserdampf aus dem Dampfkanal 2 wird über den Wasserabscheider W₂ in die Leitung 4 eingeleitet und erhitzt durch intensiven indirekten Wärmetausch den Zeolithblock Z₆ auf die erforderliche Desorptionstemperatur von etwa 200°C. Das den Zeolithblock durchsetzende Leitungsteil 6 des Abwärmekreislaufes ist durch das geschlossene Ventil V₄ dabei tot geschaltet. In diesem Leitungsabschnitt eventuell noch enthaltene Flüssigkeit kann über das Rückschlagventil 7 jedoch nach unten entweichen. Der beim Desorbieren aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebene Wasserdampf wird vom Sprühkondensator S₆ kondensiert. Diesem wird relativ kühle Flüssigkeit über die Leitung 26 und das geöffnete Ventil V₁₃ zugeführt. Das Ventil V₁₂ in der Leitung 18 ist geschlossen. Die Flüssigkeit aus der Leitung 26 und das aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebene Kondensat werden über die Leitung 24 und das geöffnete Ventil V₁₅ zum Ausgleichsbehälter E₂ geleitet. Die an diesen ferner angeschlossenen Leitungen 15 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₀ bzw. V₁₆ deaktiviert. Aus dem Ausgleichsbehälter E₂ wird die Flüssigkeit über die Leitung 16 und den Wärmetauscher 17 von der Pumpe P₂ angesaugt und anschließend über die Leitung 26 erneut in den Sprühkondensator S₆ gepumpt. Das Ventil V₈ in der Leitung 14 ist dabei geschlossen. Im Wärmetauscher 17 wird der Flüssigkeit Wärmeenergie Q₃ entzogen.

Gleichzeitig adsorbiert der Zeolithblock Z₅ im ersten Sorptionsreaktor E₅. Dazu wird diesem Flüssigkeit über die Leitung 25 und das geöffnete Ventil V₉ durch den Sprühverdampfer S₅ zugeführt. Im Sprühverdampfer S₅ verdampfter Wasserdampf wird im Zeolithblock Z₅ unter Wärmeentwicklung angelagert. Diese Wärme wird durch den Abwärmekreislauf über die Leitung 5, das geöffnete Ventil V₃, die Pumpe P₁, die Leitung 13 mit dem geöffneten Ventil V₂ und den Wärmetauscher 11 abgeführt. Die im Wärmetauscher 11 abgekühlte Flüssigkeit wird anschließend über die Leitung 10, die Leitung 5 und das geöffnete Ventil V₅ erneut über den Zeolithblock Z₅ geleitet. Das Ventil V₁ in der Leitung 12 ist dabei geschlossen, um eine falsche Ansaugung durch die Pumpe P₁ zu verhindern. Ebenfalls geschlossen ist das Ventil V₄, so daß der rechte Teil des Abwärmekreislaufs im Bereich des zweiten Sorptionsreaktors E₆ in dieser Phase nicht durchströmt wird.

Die im Sprühverdampfer S₅ durch Verdampfung abgekühlte Flüssigkeit wird über das geöffnete Ventil V₁₁ und die Leitung 23 zum Ausgleichsbehälter E₃ geleitet. Die an diesen angeschlossenen Leitungen 19 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₄ bzw. V₁₆ deaktiviert. Die abgekühlte Flüssigkeit wird aus dem Behälter E₃ über die Leitung 20 zum Wärmetauscher 21 geführt. Im Wärmetauscher 21 wird die Flüssigkeit durch Abwärme aus der Umluft des Fahrzeuginnenraumes in Form von Energie Q₄ erwärmt, wobei sich umgekehrt die Umluft zum Innenraum abkühlt. Die Pumpe P₃ pumpt anschließend die leicht erwärmte Flüssigkeit bei geschlossenen Ventilen V₁₇ und V₁₂ durch die Leitung 25 und das geöffnete Ventil V₉ erneut zum Sprühverdampfer S₅. Auch in dieser Phase 3 wird - wie in der Phase 1 - an den Wärmetauschern 17 bzw. 11 Wärmeleistung und am Wärmetauscher 21 Kälteleistung bereitgestellt.

Nach vollständigen Desorbieren des Zeolithblocks Z₆ und Adsorbieren des Zeolithblocks Z₅ schließt sich als Phase 4 (Fig. 4) wiederum eine Wärmerückgewinnungs- und Druckausgleichphase an. Bei dieser sind wiederum beide zum Dampferzeuger E₄ führenden Ventile V₆ bzw. V₇ geschlossen. Vom inneren Dampfkreislauf her erfolgt demnach keine Energiezufuhr zu einem der beiden Sorptionsreaktoren E₅ bzw. E₆. Die für das vorausgehende Desorbieren des Zeolithblocks Z₆ in diesen hineingesteckte Wärmeenergie wird durch einen kleinen Abwärmekreislauf über das Rückschlagventil 7, die Rohrleitung 6, die Leitung 5, die Ventile V₅ und V₃ und die Pumpe P₁ an den Zeolithblock Z₅ übertragen, um diesen für die nach der Phase 4 in der Phase 5 erfolgende erneute Desorption vorzuheizen. Die Ventile V₁ bzw. V₂ sind dabei geschlossen. Wie in der Phase 2 erfolgt eine zusätzliche Temperaturerhöhung des Zeolithblocks Z₅ durch einen Druckausgleich, der durch Öffnen der Ventile V₁₄, V₁₀ und V₁₆ herbeigeführt wird. Hierbei gleicht sich zum einen der Wasserstand in den Behältern E₂ bzw. E₃ aus, zum anderen wird die Temperatur im ersten Sorptionsreaktor E₅ um ca. 40°Kelvin angehoben. Die Ventile V₈, V₉, V₁₂, V₁₃, V₁₁, V₁₆ sind dabei geschlossen. Der Kaltwasserkreislauf wird wie bei der Phase 2 über das geöffnete Ventil V₁₇, die Leitung 18A und 20, den Wärmetauscher 21 und die Pumpe P₃ während dieser Phase aufrechterhalten.

Der in den Phasen 1-4 vorstehend beschriebene Prozeß wiederholt sich solange, wie die Bereitstellung von Kälte bzw. Wärmeleistung durch den Benutzer gewünscht wird. Bei einer Beendigung dieses Prozesses werden, wie in Zusammenhang mit der Fig. 5 nachfolgend beschrieben, beide Zeolithblöcke Z₅ bzw. Z₆ desorbiert. Dazu werden im inneren Dampfkreislauf beide Ventile V₆ bzw. V₇ geöffnet, so daß mittels der zugeführten Wärmeenergie Q₁ im Dampferzeuger E₄ in beiden Dampfkanälen 1 bzw. 2 Dampf erzeugt wird, welcher zur Erhitzung beider Zeolithblöcke über die Leitungen 3 bzw. 4 dem ersten Zeolithblock Z₅ bzw. dem zweiten Zeolithblock Z₆ zugeführt wird. In beiden Sorptionsreaktoren E₅ bzw. E₆ wird dabei der Sprühteil als Sprühkondensator S₅ bzw. S₆ betrieben. Dem Sprühkondensator S₅ wird von der Pumpe P₂ über das geöffnete Ventil V₈ und die Leitung 14 Flüssigkeit zugeführt. Diese kondensiert den aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebenen Dampf und führt beide Bestandteile über das geöffnete Ventil V₁₀ und die Leitung 15 zum Ausgleichsbehälter E₂. Das Ventil V₁₆ ist dabei geschlossen. Die Pumpe P₂ fördert über die Leitung 26 und das geöffnete Ventil V₁₃ gleichzeitig Flüssigkeit in den Sprühkondensator S₆. Die Flüssigkeit dient dort zum Kondensieren des aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebenen Dampfes. Beide Bestandteile werden anschließend über das geöffnete Ventil V₁₅ und die Leitung 24 ebenfalls in den Behälter E₂ eingeführt. Über die Leitung 16 wird die Flüssigkeit aus dem Behälter E₂ entnommen und über den Wärmetauscher 17 zurück zur Pumpe P₂ angesaugt. Die Wärmeerhöhung in der Flüssigkeit infolge des kondensierenden Dampfes in den Sprühkondensatoren S₅ bzw. S₆ wird durch den Wärmetauscher 17 abgeführt. Die Phase 5 gemäß Fig. 5 wird solange aufrechterhalten, bis beide Zeolithblöcke Z₅ bzw. Z₆ vollständig desorbiert sind. In der anschließenden Phase 6 (Fig. 6) herrscht ein Ruhezustand, in dem sämtliche Ventile geschlossen sind, der Dampferzeuger E₄ nicht mit Energie beaufschlagt wird und alle Pumpen abgeschaltet sind. Durch die in der Phase 5 vollständig desorbierten Zeolithblöcke Z₅ und Z₆ kann auch bei einem mehrwöchigen Anhalten dieses Ruhezustandes bei einem Neustart der Anlage sofort durch Adsorption eines der Behälter gemäß der Phase 1 Kälteleistung am Wärmetauscher 21 bereitgestellt werden.

Die vorstehend beschriebene Anlage eignet sich somit bestens für eine Standklimatisierung von Fahrzeugen ohne gleichzeitigen Betrieb einer Brennkraftmaschine auch nach einer längeren Ruhepause. Die Anlage ermöglicht mittels einer einzigen Wärmequelle ein gleichzeitiges Bereitstellen von kontinuierlicher Wärme- und Kälteleistung. Die verwendeten Stoffe (Zeolith und Wasser) sind sowohl im ständigen Betrieb als auch bei einem Bruch der Anlage infolge eines Unfalles in keiner Weise umweltschädigend.

Claims (7)

1. Sorptionsklimaanlage mit wenigstens zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und einer Desorptionsphase betreibbaren Sorptionsreaktoren (E5, E6), denen zumindestens in der Desorptionsphase Wärmeenergie durch eine Wärmequelle zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle ein beheizbarer Dampferzeuger (E4) dient, der über je einen mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllten Dampfkanal (1, 2) mit einem der Sorptionsreaktoren (E5, E6) verbunden ist, wobei jeder der Dampfkanäle (1, 2) als geschlossenes Kreislaufsystem mit einem Absperrorgan (V6, V7) in einer Kondensatrücklaufleitung (3, 4) ausgelegt ist und wobei beide Dampfkanäle (1, 2) im Bereich des Dampferzeugers (E4) in wärmeleitender Verbindung zueinander stehen.

2. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (E4) mittels eines Brenners (27) beheizbar ist.

3. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampferzeuger (E4) mittels eines weiteren Dampfkreislaufes (35) über die Abgasleitung eines Verbrennungsmotors beheizbar ist.

4. Sorptionsklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfbare Flüssigkeit im wesentlichen von Wasser gebildet wird.

5. Sorptionsklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionsreaktoren (E5, E6) als Sorbens Zeolith enthalten.

6. Sorptionsklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vorlaufleitung zwischen dem Dampferzeuger (E4) und dem jeweiligen Sorptionsreaktor (E5 bzw. E6) jeweils ein Abscheider (W1 bzw. W2) angeordnet ist, dessen flüssigkeitsabscheidende Leitung mit der Kondensatrücklaufleitung (3 bzw. 4) verbunden ist.

7. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Dampferzeugers (E4) mit einer thermischen Isolierung (36) versehen ist.