DE4438084A1 - Sorptionsaggregat - Google Patents

Description

Bei der Verwendung von Zeolith als Sorbens in einem Trocken-Sorptions­ aggregat hängt dessen Wirkungsgrad entscheidend von der Erfüllung zweier sich widersprechender Forderungen ab: Der nach einer möglichst guten Wär­ meleitung im Sorbens, sowie der nach möglichst großen freien Querschnit­ ten im Sorbens, für den Sorbatdampf.

Für die Verwendung von Zeolithen z. B. in Gastrocknern ist es üblich, die Zeolithkristalle, welche ja sehr klein sind, zu sogen. Pellets, oder zu Granulaten zu verbinden. Deren Schüttung weist definierte freie Quer­ schnitte für die Durchströmung mit einem gas- oder dampfförmigen Medium auf. Da diese Gastrockner mit Normaldruck, oder Überdruck betrieben werden, ist es auch problemlos, die Desorptionswärme, welche zur Regeneration der Zeolithfüllung nötig ist, durch einen erhitzten Gasstrom in die Zeolith­ schüttung einzutragen, ebenso wird die Adsorptionswärme durch das zu trock­ nende Gas abgeführt.

In einem Sorptionsaggregat mit der Stoffpaarung Zeolith / Wasser, in wel­ chem der Sorbatdampf, speziell im Adsorptionszyklus nur einen Druck von wenigen mbar erreicht und zudem noch entgegen den gewünschten Wärmestrom fließt, ist die Wärmeleitung innerhalb der Sorbensfüllung, sowie zwischen dieser und den Wandungen des Sorbensbehälters, bzw. ggf. darin enthaltener Wärmetauscher deshalb von so großer Bedeutung.

Die o.g. Pellets und Granulate haben untereinander und mit den Behälter­ wandungen nur punkt- bzw. linienförmige Kontakte, entsprechend schlecht ist die Wärmeleitung.

Eine bekannte Möglichkeit, den vorstehend geschilderten Zielkonflikt zu lösen, besteht darin, Wärmeleitbleche, oder z. B. dünnwandige Wellrohre mit einer relativ dünnen Schicht dichtgepackter Zeolithkristalle zu überziehen und diese beschichteten Metallträger mit einem Wärmetauscher zu verbinden. Damit lassen sich befriedigende Wirkungsgrade für den Sorptionsprozess er­ reichen, der wirtschaftliche Aufwand ist aber sehr groß, außerdem wirkt sich natürlich die fühlbare Wärme, welche bei jedem Sorptionszyklus auf die Wärmeleiter entfällt, auf die Effizienz negativ aus.

Es wird deshalb vorgeschlagen, das Zeolith mit einem Bindemittel, vorzugs­ weise Wasserglas, oder einer Tonerde- Suspension, sowie mit Wasser, oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit zu einer Masse mit plastischer, brei­ iger Konsistenz zu vermengen, wie sie auch zur Herstellung von Pellets be­ kannt ist.

Anstatt nun aber durch geeignete Vorrichtungen, bzw. eine möglichst "troc­ kene" Mischung des Zeolithbreis die Pellets zu separieren, werden diese, oder auch endlose Stränge aus einem entsprechend "naß" eingestellten Zeo­ lithbrei direkt in eine Fertigungsform für den Sorbenskörper, oder in den Sorbensbehälter eingefüllt.

Dort verkleben sie, bzw. fließen sie teilweise ineinander, oder legen sich flächig an die Wandungen des Sorbensbehälters und ggf. des Wärmetauschers.

Es entstehen also Verbindungen mit flächigem Querschnitt, gleichzeitig bleiben aber auch freie Querschnitte für den Sorbatdampf stehen, wenn die Zeolithfüllung, nach ihrem Einbringen in den Sorbensbehälter, durch Ver­ dichten, oder Rütteln in der gewünschten Weise formiert wurde.

Ebenso ist eine gezielte Formung der Zeolithfüllung, zu einer schwamm­ artigen Struktur möglich, indem der Zeolithbrei zusammen mit Schnüren aus einem Material, welches sich ohne feste Rückstände verbrennen läßt, in den Sorbensbehälter eingefüllt wird. Diese Schnüre und ggf. auch Platzhalter mit größerem Querschnitt, welche sozusagen als Haupt-Dampfleitungen aus der Zeolithfüllung heraus, und zu den Anschlüssen für den Sorbatdampf hin­ geführt werden, können z. B. aus EPS (Styropor) bestehen.

Rohre und Schläuche, welche aus Kunststoffolie oder aber auch Papier ge­ rollt werden, können ebenso in der vorstehend geschilderten Weise in den Sorbensbrei eingegossen werden.

Da diese Maßnahmen aber, neben dem zusätzlichen Aufwand für die Platzhalter den Nachteil haben, daß deren Verbrennungs- bzw. Zersetzungsprodukte in schwer zu kontrollierender Weise aus dem Sorbens entfernt werden müssen, da sie sonst die Funktion des gesamten Aggregats behindern, ist die Verwendung solcher Platzhalter nicht empfehlenswert.

Die Verwendung von Wassereis als Platzhalter und zur Formung von Hohlräu­ men in der Zeolithfüllung ist ebenfalls denkbar. Sobald dieses Eis jedoch schmilzt, ändert das entstehende Wasser die Konsistenz des Zeolithbreis derart, daß er sofort in die freiwerdenden Hohlräume fließt, und diese aus­ füllt. Die Verwendung von sogen. Trockeneis hätte diesen Effekt nicht und wird deshalb, alleine, oder zusammen mit dem eingangs vorgeschlagenen Ver­ fahren ohne Platzhalter vorgeschlagen. Es dürften sich dabei aber Probleme durch das freiwerdende CO₂-Gas ergeben, deren Lösung zusätzlichen Aufwand erfordert.

Es empfiehlt sich also die Verwendung von temperaturfesten Materialien mit niedrigem Dampfdruck, z. B. von einem Gitter aus Glasfasern, welche mit Was­ serglas zu einem Rohr verklebt werden, für die Herstellung der Platzhal­ ter.

Die Formierung, bzw. Verdichtung der erfindungsgemäßen Stränge aus Zeolith­ brei durch Vibrationen, zu welchen der Sorbensbehälter und ggf. die Wärme­ tauscher angeregt werden, bewirkt, daß diese Verdichtung zuerst an den Ober­ flächen dieser Bauteile einsetzt und sich von dort allmählich in das Innere der Sorbensfüllung fortpflanzt.

Neben einer Strukturierung der Sorbensfüllung, in der Weise, daß dort, wo der Wärmefluß am größten sein soll, auch die Wärmeleitfähigkeit des Sorbens am größten ist, gleiches gilt für die Dampfdurchlässigkeit im Innern der Sorbensfüllung, führen die Vibrationen aber auch zu einem sehr innigen Kon­ takt, zu einer Art Verzahnung zwischen den Oberflächen des Sorbensbehälters und dem Sorbens.

Diese bewirkt, zusammen mit dem Bindemittel zwar eine feste Verbindung und gute Wärmeleitfähigkeit, jedoch treten durch die unterschiedlichen Wärme­ leitfähigkeit der verwendeten Materialien stets Spannungen in dieser Grenz­ schicht auf, welche auf Dauer zu einer Ablösung des Sorbens, bzw. zur Bil­ dung von Spalten zwischen dem Sorbens und den Wandungen des Sorbensbehäl­ ters führen.

Deshalb, und auch dann, wenn der Sorbenskörper in einer Form vorgefertigt wird, ist es vorteilhaft, wenn ein Gitter, oder ein Vlies aus z. B. Glas­ fasern in die Grenzflächen des Sorbenskörpers eingebettet wird.

Nachdem das Sorbens verdichtet und ausgehärtet ist, bildet es zusammen mit dem Glasgitter eine feste Grenzzone, welche sich zwar durch die auftre­ tenden Temperaturspannungen von den Innenflächen des Sorbensbehälters ab­ lösen wird, in welcher sich aber keine Risse bilden, und ins Innere der Sorbensfüllung fortpflanzen werden.

Da die dünnen Bleche, aus denen der erfindungsgemäße Sorbensbehälter be­ steht, durch den atmosphärischen Druck auf diese Grenzzone gepreßt werden, wird sich im Laufe der Zeit, also durch eine Art Einschleifen der Grenz­ flächen der Wärmedurchgang sogar noch verbessern.

Neben einer Verwendung des erfindungsgemäß aufgebauten Sorptionsaggregats als Wärmepumpe, oder ausschließlich als Kühlaggregat, wird seine Kombinati­ on mit einer, evtl. sogar bereits vorhandenen Warmwasser- Gebäudeheizung, zu einer Klimaanlage vorgeschlagen.

Am sinnvollsten ist diese Verbindung dann, wenn sowohl die Gebäudeheizung, als auch das Sorptionsaggregat mit Sonnenenergie betrieben werden.

Bisher sind in unseren Breiten Solarheizanlagen, welche für eine ganzjäh­ rige Gebäudeheizung ausgelegt sind, eher die Ausnahme.

Der Grund dafür ist leicht einzusehen, da eine solche Anlage ja vor allem für die Sonnenschein-arme Jahreszeit dimensioniert sein muß, der Aufwand also in einem krassen Mißverhältnis zum Nutzen steht.

Die Kombination einer Solar-Gebäudeheizung mit einem Solarkühler schafft hier eine völlig neue Situation, vor allem dann, wenn Lösungen gefunden werden, welche auf der Tatsache basieren, daß jede Sorptionsanlage eine kalte und eine heiße Seite hat.

Da zudem die wesentlichen Komponenten einer Solarheizung und einer Solarkühlung von ihrer grundsätzlichen Funktion her ge­ sehen, gleich sind, wird eine Ausführung dieser Komponenten vorge­ schlagen, welche es ermöglicht, sie in diesem Sinne zweifach zu nutzen.

So kann z. B. ein erfindungsgemäß aufgebauter Sorbensbehälter auch sehr gut als Solarkollektor dienen, da gerade hier möglichst große Wärmedurch­ gangsflächen ausschlaggebend sind.

Des weiteren ist es möglich, die Heizkörper einer Warmwasser-Gebäudehei­ zung als Verdampfer, also Kühler einer Sorptionskühlanlage zu nutzen, wo­ bei es im Prinzip egal ist, wie diese mit Energie versorgt wird.

In der praktischen Ausführung dieser Überlegungen muß natürlich berück­ sichtigt werden, daß z. B. in einem Sorptionsaggregat mit der Stoffpaarung Zeolith / Wasser stets Unterdruck herrscht und auch, daß Vakuumanlagen ans­ ders abgedichtet sein müssen, als dies für Hausheizanlagen üblich ist.

Auf jeden Fall aber lassen sich hier wirtschaftlich sinnvolle Kombinationen finden, welche den technischen Anforderungen beider Verwendungszwecke ge­ nügen.

Abb. 1. zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Sorbenskörper.

Die Stränge aus Sorbensbrei 1 durchdringen sich und bilden Berührungs­ bereiche 2, untereinander und an äußeren Grenzflächen des Sorbenskörpers, zu dem sie sich verbinden.

Dieser weist freie Strömungskanäle 3 für den Sorbatdampf auf.

Durch Rütteln oder Stampfen wird ein Grenzbereich 4 des Sorbenskörpers gebildet, welcher keine Strömungskanäle aufweist, in welchen aber ein Glasfasergewebe 5 eingebettet sein kann.

Abb. 2. zeigt den Behälter für den Sorbenskörper 6, in geöffnetem Zu­ stand. Er besteht aus einem Rohrrahmen 7 welcher von einer dünnen Blechtafel 8 umhüllt wird.

Der Rohrrahmen hat Durchbrüche 9 für den Sorbatdampf. Er ist zugleich Bestandteil des Kondensators 10, in der hier abgebildeten Form z. B. als Sammelrohr, in welchem die Kühlrohre des Kondensators zusammenge­ faßt werden.

In das Sorbens 6 ist ein zweiter Wärmetauscher 11 eingebettet, dessen Zuleitungen 12 mit dem Wärmeträgerkreislauf einer Gebäudeheizung ver­ bunden sind.

Abb. 3. zeigt einen Schnitt A-A′ durch den Sorbensbehälter.

Der Rohrrahmen 7 wird von der Blechtafel 8 umhüllt, welche am Falz verlötet wird.

Der Sorbenskörper 6, in welchen der zweite Wärmetauscher 11 eingebettet ist, wird durch eine Isolatinsschicht 14, sowie ggf. durch eine Sicke 15 thermisch von den Kühlrippen 16 des Kondensators 10 getrennt.

Die Desorptionswärme wird bei der gezeigten Anordnung von unten in die Grenzschicht 17 des Sorbenskörpers eingetragen.

Abb. 4. zeigt die Einbindung des Sorptionsaggregats in eine Gebäude­ heizung, gem. Anspruch 7.).

Der Heizkörper 18 einer Warmwasserheizung ist mit dem Verdampfer 19 des Sorptionsaggregats zusammengefaßt. Neben einem geringeren Platzbedarf hat diese Anordnung den Vorteil, daß die Wasserfüllung des Heizkörpers zu einem Eisspeicher der Sorptionskühlung gefroren werden kann.

Um dessen Ausdehnung zu kompensieren, wird vorgeschlagen, den Verdampfer, welcher dünne, elastische Wandungen hat, mit einem faserigen, oder porö­ sen Stützkörper 20 zu füllen, welcher ihn gegen den Druck des Heizwassers abstützt, aber auch dessen Ausdehnung zu Eis kompensieren kann.

Auf dem Gebäudedach ist der Behälter für das Sorbens 6 angebracht und dient als Solarkollektor, auf seiner Unterseite liegt im Schatten der Kon­ densator 10, von dem eine Kondensatleitung 21 zum Verdampfer führt.

Die Dampfleitung 22 für den Sorbatdampf weist einen wesentlich größeren Querschnitt auf, als die Kondensatleitung.

Der zweite Wärmetauscher 11 des Sorbens ist über einen weiteren Wärmetau­ scher 23 in den Heizwasserkreislauf 24, 25 eingebunden.

Claims (14)

1. Sorptionsaggregat mit einem festen Sorbens, z. B. Zeo­ lith, welches mit einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. Wasser, sowie einem Bindemittel, z. B. Wasserglas, oder einer Tonerdesuspension zu einem Brei vermengt wird, der mit einer geeigneten Vorrichtung, z. B. einem Extruder zu Strängen oder Pellets mit beliebigem Querschnitt geformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge oder Pellets so in eine Fertigungsform oder den Sorbensbehälter eingefüllt und durch geeig­ nete Maßnahmen, z. B. Stampfen, oder Rütteln verdichtet werden, daß sie an ihren Berührungspunkten, untereinander und ggf. auch mit den Wandungen eines Wärmetauschers, welcher in die Fertigungsform, oder den Sorbensbe­ hälter eingelegt wird, zu flächigen Durchdringungs- bzw. Berührungsberei­ chen zerfließen und dadurch einen Sorbenskörper mit freien Strömungska­ nälen für den Sorbatdampf bilden.

2. Sorptionsaggregat nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Berührungsbereiche, sowie die Größe der Hohlräume zwischen den strangförmigen Strukturen bzw. den sogen. Pellets in verschiedenen Berei­ chen des Behälters verschieden gestaltet wird, indem die pastöse Konsis­ tenz des Sorbensbreis, sowie seine Einbringung in den Behälter und seine Verdichtung im Behälter, z. B. durch Rütteln des Behälters, oder der Wär­ metauscher variiert wird.

3. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß der Sorbens­ brei durch geeignete Maßnahmen, also z. B. Austrocknen und Brennen der Tonerdesuspension verfestigt wird, nachdem er in der erfindungsgemäßen Weise verdichtet und geformte wurde.

4. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß der Behälter für das Sorbens aus einem Rohrrahmen besteht, sowie aus dünnen, ca. 0,2 bis 0,7 mm starken Blechtafeln, welche den Rohrrahmen beidseitig abdecken, bzw. ihn ganz, oder teilweise umhüllen.

5. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß die innenlie­ genden, dem Sorbens zugewandten Wandungen des Rohrrahmens Durchbrüche für den Sorbatdampf aufweisen.

6. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß der Rohrrahmen des Sorbensbehälters zugleich Bestandteil des Kondensators ist, in der Weise, daß ihm durch geeignete Vorrichtungen, z. B. durch Wärmeleitbleche, Kühlrippen und Mithilfe eines gasförmigen oder flüssigen Wärmeträgers Wärme entzogen wird.

7. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß der Verdampfer in den Heizkörper einer Warmwasserheizung integriert wird.

8. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß ein zweiter Wärme­ tauscher vorgesehen ist, z. B. eine Kupfer-Rohrschlange, welcher in das Sorbens eingebettet ist und durch welchen die Desorptionswärme, welche durch den ersten Wärmetauscher, bzw. durch die Wandungen des Sorbensbehäl­ ters in das Sorbens eingetragen wird, ganz, oder teilweise aus dem Sorbens ausgetragen wird, z. B. um sie statt für die Regeneration des Sorbens für Heizzwecke zu nutzen. Dieser zweite Wärmetauscher kann auch, alleine, oder zusammen mit dem ersten Wärmetauscher zur Austragung der Adsorptionswärme aus dem Sorbens dienen.

9. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß Rohre oder Schläu­ che, welche aus einem Glasfasergewebe, oder einem anderen hitzefesten Ma­ terial bestehen und radiale Durchtrittsöffnungen für den Sorbatdampf auf­ weisen, so in das Sorbens eingebettet werden, daß von dessen Zentrum zu seinen Randbereichen führen, bzw. zu den Rohrleitungen, welche den Sor­ bensbehälter mit dem Kondensator und dem Verdampfer verbinden.

10. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß Füllkörper aus einem brennbaren Material, z. B. EPS oder Papier bestehend, in das Sorbens eingebettet werden, wo sie während, oder nach dem Aushärten des Binde­ mittels für das Sorbens verbrannt, oder eingeschmolzen, bzw. verdampft werden und damit Durchtrittsöffnungen für den Sorbatdampf freigeben.

11. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß Füllkörper aus festem CO₂ bestehend, zusammen mit dem Sorbensbrei in den Sorbensbehälter eingefüllt werden und dort nach ihrer Sublimation Durchtrittsöffnungen für den Sorbatdampf freigeben.

12. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß getrennte Rohr­ leitungen für den Sorbatdampf und für das flüssige Kondensat vorgesehen sind, wobei erstere vom Vardampfer zum Sorbensbehälter, sowie von diesem zum Kondensator führen und einen wesentlich größeren Querschnitt haben, als letztere, welche vom Kodensator zum Verdampfer führen.

13. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr. 4, dad. gekennz., daß eine Blech­ tafel den Rohrramen umhüllt und entlang einer einzigen Löt- oder Schweiß­ naht zum Sorbensbehälter verschlossen wird, nachdem der Sorbenskörper in die lichte Öffnung des Rohrrahmens eingefüllt wurde.

14. Sorptionsaggregat n. vorst. Anspr., dad. gekennz., daß Bereiche des Sorbensbehälters mit vorgefertigten Granulaten oder Pellets aus Sorbens, oder einem anderen schlechten Wärmeleiter gefüllt werden, um damit in diesen Bereichen eine Isolationsschicht zu bilden, z. B. wenn der Sorbens­ behälter ein Solarkollektor ist, auf seiner sonnenabgewandten Seite, oder bei einer Einbeziehung des Kondensators in den Sorbensbehälter, zwischen Sorbenskörper und den Teilen der Behälterwandung, welche mit dem Konden­ sator in wärmeleitender Verbindung stehen.