DE4440589A1 - Moduleinheit zur Kälteerzeugung mittels kostenlos zur Verfügung stehender Niedrigtemperatur-Energie - Google Patents

Moduleinheit zur Kälteerzeugung mittels kostenlos zur Verfügung stehender Niedrigtemperatur-Energie

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Description

Nachstehend wird eine Moduleinheit beschrieben, mit der man in der Lage ist, jede vorhandene Kompressor-betriebene Kälteanlage durch Verknüpfung des Carnot'schen Kreisprozesses mit einem speziellen Adsorptionsprozeß um nahezu das Doppelte in der Kälteleistung zu vergrößern unter Ausnutzung der Kondensationswärme beim Carnot'schen Kreisprozeß ohne Hinzufügung weiterer Energie.
Die beim Carnot'schen Kreisprozeß bei der Kondensation zur Verfügung stehende Temperatur liegt in der Größenordnung zwischen 40°C und 110°C, wobei 110°C die Verdichterendtemperatur ist und 40°C die Flüssigkeitstemperatur. Als durchschnittlicher Wert kann eine Verflüssigungstemperatur von 60°C bis 70°C angenommen werden.
Eine Wärmemenge in diesem Temperaturbereich ist ausreichend, um die Desorption eines Lösemittels unter Vakuum aus Trockenperlen zu bewirken. Auch steht in vielen Ländern kostenlos Sonnenenergie zur Verfügung, um mit dieser Moduleinheit Kälte zu erzeugen, z. B. zum Betrieb eines Kühlschrankes, ohne daß ein Kompressoraggregat verwendet werden muß oder aber eine im hohen Temperaturbereich arbeitende Absorbereinheit, wie sie heute Stand der Technik ist.
Erläuterung zu dem Anlagenschema (Bild 1, Blatt 18)
Die in Abbildung (Bild 1) dargestellte Moduleinheit ist als Monosystem konzipiert. Die Moduleinheit besteht im wesentlichen aus dem Behälter B1 mit innenliegendem Wärmetauscher, gefüllt mit "Trockenperlen" als Adsorber. Weiterhin besteht die Moduleinheit aus dem Behälter B2, ebenfalls mit innenliegendem Wärmetauscher, überflutet mit "Lösemittel" als Verdampfer.
Beide Behälter B1 und B2 sind über eine Rohrleitung, in der Ventile MVT1 und MV3 eingebaut sind, verbunden. Darüber hinaus ist ein Verflüssiger V eingebaut, der über Magnetventile MV1 und MV2 abgeschiebert ist.
Das gesamte System steht unter Vakuum. Zur Einleitung des Prozesses der Kälteerzeugung wird durch den Wärmetauscher im Behälter B2 ein Gas oder eine Flüssigkeit geleitet. Dann wird das Magnetventil MV3 geöffnet. Das thermostatisch gesteuerte Magnetventil MVT1, welches auch ein rein mechanisches Ventil sein kann, ist bedarfsweise geöffnet oder geschlossen bzw. teilweise geöffnet.
Bei teilweise oder voll geöffnetem Ventil MVT1 verdampft "Lösemittel" im Behälter B2, der Lösemitteldampf wird aufgrund der Affinität von den porösen "Trockenperlen" adsorbiert. Durch den Verdampfungsprozeß des Lösemittels wird dem im Behälter B2 befindlichen flüssigen Lösemittel Wärme entzogen und ebenfalls dem flüssigen oder gasförmigen Medium, welches den Wärmetauscher im Behälter B2 durchströmt.
Das abgekühlte Gas oder die abgekühlte Flüssigkeit kann dann über einen weiteren Wärmetauscher zur Abkühlung eines Mediums verwendet werden. Der Prozeß der Kälteerzeugung kommt zum Stillstand, wenn die "Trockenperlen" gesättigt sind.
Danach erfolgt der Desorptionsvorgang. Das Magnetventil MV3 ist geschlossen, die Magnetventile MV1 und MV2 sind geöffnet. Dem Wärmetauscher wird im Behälter B1 Wärme über Gas oder Flüssigkeit im Temperaturbereich zwischen 50°C und 70°C oder höher zugeführt, wodurch das "Lösemittel" aus den "Trockenperlen" dampfförmig ausgetrieben wird. Dieses dampfförmige Lösemittel gelangt in den Verflüssiger, der von Umgebungsluft durchströmt wird oder der wassergekühlt ist. Aufgrund der Temperaturdifferenz verflüssigt sich das Lösemittel und gelangt zurück in den Behälter (Verdampfer) B2.
Danach werden die Magnetventile MV1 und MV2 geschlossen und der Prozeß der Kälteerzeugung kann erneut eingeleitet werden.
Dieses Prinzip der Kälteerzeugung mit diskontinuierlichem Betrieb wird dann eingesetzt, wenn z. B. Kälte benötigt wird, die zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden soll wie beim Transport von Medikamenten usw.
Werden entsprechend Bild 2 Adsorber B1 und Verdampfer B2 doppelt, drei- oder vierfach angeordnet und wechselseitig betrieben, so ist damit eine kontinuierliche Kälteerzeugung gegeben. Dadurch, daß aufgrund der speziellen Stoffpaarung "Trockenperlen"/"Lösemittel" mit niedrigen Temperaturen beim Desorptionsvorgang gearbeitet wird, eignet sich dies Verfahren der Kälteerzeugung überall dort, wo bisher ungenutzte Energiemengen anfallen. Das Haupteinsatzgebiet ist daher die Kältetechnik selbst, da man in der Lage ist, mit dieser Moduleinheit die Leistung nahezu zu verdoppeln.
Bei einer kompressorbetriebenen Kälte-, Kühl- oder Klimaanlage, die nach dem Carnot'schen Kreisprozeß arbeitet, werden 30-35% (40%) (je nach elektrischen Nebenaggregaten) elektrischer Leistung (kW) aufgebracht, um eine Kälteleistung von 100% zu erzielen. 130-135% fallen dann als Wärmeenergie an, die in den meisten Fällen ungenutzt abgeführt werden muß. Erfolgt die Abfuhr der Wärme über Luft, wie es meist der Fall ist, und der luftgekühlte Verflüssiger ist im Freien montiert, wirkt sich die erzeugte Wärme nicht störend aus, ist aber verlorene Energie.
Bei Kompaktkühlanlagen, z. B. zur Kühlung von Flüssigkeiten oder Prozeßkühlung, kommt es zu ungewollter Aufheizung des Raumes. Wird nun eine neue zu bauende Kälte-, Kühl- oder Klimaanlage mit dieser Moduleinheit erweitert, wird bei nahezu gleichem elektrischen Energieeinsatz die Kälteleistung verdoppelt und die austretende Warmluft bei luftgekühlten Anlagen bzw. Warmwasser bei wassergekühlten Anlagen wird auf einen niedrigeren Temperaturwert gedrückt. Der besondere Vorteil dieser Moduleinheit ist darin zu sehen, daß diese bei Neuanlagen installiert werden kann, daß aber jede vorhandene Kompressor-betriebene Kühlanlage damit nachrüstbar ist.
Hierdurch können weltweit enorme Mengen elektrischer Energiekosten eingespart werden und die Umweltbelastung durch Schadstoffausstoß der Kraftwerke verringert sich.
Die Moduleinheit, die als Doppelaggregat mit 2 Adsorbern und 2 Verdampfern aufgebaut ist, bildet in sich mit Pumpen und Ventilen eine autarke Kälteerzeugungsanlage. Diese Moduleinheit kann z. B. in einem Kühlschrank oder an eine Kühlzelle angebaut werden, es kann aber auch eine Klimaanlage damit betrieben werden. Dieses Verfahren wird besonders dort interessant, wo Sonnenenergie zur Verfügung steht, um so mittels Sonnenkollektor Wasser auf 50°C bis 70°C zu erwärmen und um damit den Desorptionsprozeß einzuleiten.
Die benötigte elektrische Energie zum Betrieb der Magnetventile und der Umwälzpumpen ist extrem niedrig und kann mittels Sonnenzellen nach dem Photovoltaik-Prinzip erzeugt werden, wobei diese Sonnenzellen auf dem Sonnenkollektor mit montiert sein könnten.
Bei dieser Moduleinheit gibt es kaum Verschleißteile und die Herstellung ist sehr preiswert. Es werden vorwiegend nur mechanische Teile verwendet. Das Problem der Lagerung leicht verderblicher Lebensmittel z. B. in der Dritten Welt wäre damit gelöst.
Erläuterungen zum Anlagenschema (Bild 2, Blatt 20)
Bild 2 zeigt das Kreislaufschema einer Industriekühlanlage zur Kühlung von Wasser mit integrierter Moduleinheit zur Kälteerzeugung. Hier ist der Carnot'sche Kreisprozeß direkt über den Wärmeträger "Wasser" mit dem Adsorptionsprozeß verbunden. In dem Wassertank T befindet sich ein Rohrschlangenverdampfer RV. Der Verdichter saugt das Kältemittel dampfförmig an, verdichtet diesen Dampf und bringt ihn damit auf ein höheres Temperaturniveau und auf einen höheren Druck.
Das Magnetventil MV1 ist geöffnet, Magnetventil MV2 geschlossen. Der überhitzte Dampf vom Verdichter wird über den Wärmetauscher im Behälter B1 gedrückt, wo eine Temperaturabsenkung stattfindet und gelangt in den Verflüssiger V1. Hier wird mittels Umgebungsluft (Ventilator) nachgekühlt und verflüssigt.
Die unter Druck stehende Kältemittelflüssigkeit gelangt in den Sammler S (Schauglas G) und wird in den Verdampfer RV eingespritzt und dort verdampft. Das verdampfte Kältemittel ist in der Lage, über den Rohrschlangenverdampfer RV Wärme aufzunehmen.
Während dieses Prozesses ist das Magnetventil MV6 geschlossen und der Lösemitteldampf, der in den Trockenperlen im Behälter B1 gebunden ist, wird desorbiert. MV4 ist geöffnet, dem Lösemitteldampf wird mittels Umluft die Wärme entzogen und dadurch erfolgt die Verflüssigung. Das flüssige Lösemittel gelangt über das geöffnete Magnetventil MV8 in den Behälter B2 (Verdampfer).
Während dieses ganzen Vorganges ist das Magnetventil MV5 geöffnet. Lösemittel aus dem Behälter B4 verdampft. Der Dampf wird in den Behälter B3 geführt und dort von den "Trockenperlen" adsorbiert.
Dem Medium des im Behälter B4 eingebauten Wärmetauschers, der mit Wasser durchströmt ist, wird Wärme entzogen. Die Pumpe P saugt das Wasser aus dem Behälter ab und drückt dieses in die zu kühlende Anlage. In der Druckleitung der Pumpe befindet sich eine Bypassleitung mit Muffenschieber, über die ein Teilstrom des Wassers über den Wärmetauscher im Behälter B4 bei geöffnetem Magnetventil MV9 gedrückt wird. Dieses Wasser wird auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht und das Kaltwasser dann dem Behälter T wieder zugeführt.
Ist der Verdampfungsprozeß im Behälter B4 beendet, kann keine weitere "Kälte" erzeugt werden, und das System wird thermostatisch, druckabhängig oder zeitabhängig auf den Behälter B2 umgeschaltet. Im Behälter B1 ist der Desorptionsvorgang abgeschlossen.
Magnetventil MV1 ist geschlossen, MV2 ist geöffnet. Das "Heißgas" vom Verdichter wird jetzt über den Wärmetauscher im Behälter B3 geführt, der nun desorbiert wird. Der weitere Kreislauf ist wie zuvor beschrieben. MV9 ist nun geschlossen, MV10 geöffnet, so daß dieser Wärmetauscher vom Wasser durchflossen wird.
Durch wechselseitige, thermostatische, druckabhängige oder zeitlich gesteuerte Umschaltung der beiden Verdampfer und Adsorber ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich. Der Wirkungsgrad der Anlage ist abhängig von der Auslegung der Komponenten im System. Es könnte z. B. auf den Verflüssiger V1 verzichtet werden, wenn die Wärmetauscher in den Behältern B1 und B3 auf die gesamte Verflüssigerleistung ausgelegt sind, wobei dann die maximal mögliche Kälteleistung und damit der beste Wirkungsgrad erzielt werden kann.
Nach dem Desorptionsprozeß in den Adsorbern B1 und B3 müssen die Trockenperlen auf ein niedrigeres Temperaturniveau gebracht werden, um wieder Lösemitteldampf aufnehmen zu können. Diese Abkühlung kann sowohl über Konvektion oder über Luftstrom mittels Ventilator erfolgen.
Es besteht auch die Möglichkeit, zusätzlich in die Behälter B1 und B3 einen weiteren Wärmetauscher einzubauen, der von Kaltwasser zeitabhängig durchströmt wird.
Erläuterungen zum Anlagenschema (Bild 3, Blatt 23)
Die Moduleinheit ist hier als "black-box" direkt in eine Klimaanlage integriert, komplett mit Ventilen und Steuerung. In Bild 3 ist die Moduleinheit gestrichelt umrandet. Der Aufbau der Moduleinheit ist ähnlich wie in Bild 2, jedoch mit dem Unterschied, daß hier in Bild 3 nicht mit Wasser als Zwischenmedium gearbeitet wird, sondern daß das Kältemittel direkt in den Verdampfern B2 und B4 unterkühlt wird. Dieses System kann bei Neuanlagen verwendet werden. Erfolgt bei bereits vorhandenen Anlagen eine Nachinstallation, so kann der Wirkungsgrad erheblich erhöht werden.
Arbeitet eine Klimaanlage nach Diagramm 1 (Bild 4) bei einer Verdampfungstemperatur von +10°C und einer Verflüssigungstemperatur von +55°C, so kann die Verflüssigungstemperatur auf +30°C gesenkt werden, die Kälteleistung steigt von 38 kW auf 49,3 kW und die elektrische Leistungsaufnahme sinkt von 11,8 auf 6,25 kW.
Die Moduleinheit kann aus einzelnen Komponenten aufgebaut oder als fertige Einheit in ein System integriert werden. Insgesamt sind stets nur 4 Rohrleitungen anzuschließen, um diese Moduleinheit mit einer kompressorbetriebenen Kühl-, Kälte- oder Klimaanlage zu verbinden.
Legende zu Bild 1
B 1 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher gefüllt mit porösem Feststoff als Granulat oder Pulver
B 2 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher überflutet mit leichtflüchtiger Flüssigkeit
V Luft- oder wassergekühlter Verflüssiger für leichtflüchtige Flüssigkeit
MV 1 Magnetventil
MV 2 Magnetventil
MV 3 Magnetventil
MVT1 Thermostatisch gesteuertes Magnetventil
Legende zu Bild 2
B 1 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher gefüllt mit porösem Feststoff als Granulat oder Pulver
B 2 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher, überflutet mit leichtflüchtiger Flüssigkeit
B 3 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher gefüllt mit porösem Feststoff als Granulat oder Pulver
B 4 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher, überflutet mit leichtflüchtiger Flüssigkeit
V 1 Luft- oder wassergekühlter Verflüssiger für Kältemittel
V 2 Luft- oder wassergekühlter Verflüssiger für leichtflüchtige Flüssigkeit
MV 1 Magnetventil
MV 2 Magnetventil
MV 3 Magnetventil
MV 4 Magnetventil
MV 5 Magnetventil
MV 6 Magnetventil
MV 7 Magnetventil
MV 8 Magnetventil
MV 9 Magnetventil
MV 10 Magnetventil
S Flüssigkeitssammler für Kältemittel
G Schauglas
Legende zu Bild 2
Fortsetzung
E Thermostatisch oder automatisch gesteuertes Expansionsventil
K Kältekompressor
T Wassertank
RV Rohrschlangenverdampfer
M Muffenschieber
P Pumpe
WV Kaltwasservorlauf
WR Kaltwasserrücklauf
Legende zu Bild 3
B 1 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher gefüllt mit porösem Feststoff als Granulat
B 2 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher überflutet mit leichtflüchtiger Flüssigkeit
B 3 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher gefüllt mit porösem Feststoff als Granulat
B 4 Behälter mit innenliegendem Wärmetauscher überflutet mit leichtflüchtiger Flüssigkeit
V 1 Luft- oder wassergekühlter Verflüssiger für Kältemittel
V 2 Luft- oder wassergekühlter Verflüssiger für leichtflüchtige Flüssigkeit
MV 1
bis
MV 10 Magnetventil
S Flüssigkeitssammler für Kältemittel
G Schauglas
E Thermostatisch oder automatisch gesteuertes Expansionsventil
K Kältekompressor
KV Klima-Verdampfer
R 1 Rückschlagventil
R 2 Rückschlagventil

Claims (13)

1. Moduleinheit, dadurch gekennzeichnet, daß eine kompressorbetriebene Kühlanlage, die nach dem Carnot'schen Kreisprozeß arbeitet, direkt über das Kältemittel oder indirekt über ein Wärmeträgermedium wie z. B. Wasser mit einer speziellen Adsorptionsanlage verknüpft ist, um so die Abwärme der kompressorbetriebenen Kälteanlage zu nutzen und diese Wärme in zusätzliche Kälteleistung umzusetzen, ohne daß weitere Energie zugeführt wird.
2. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie als eigenständiges System zur Kälteerzeugung verwendet werden kann unter Umsetzung von Wärmeenergie im Temperaturbereich ab +50°C, wobei diese Wärmeenergie nach einem speziellen Adsorptionsprozeß in Kälteenergie umgewandelt wird.
3. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Komponenten in eine zu fertigende Kühl-, Kälte- oder Klimaanlage eingebaut werden können, um so bei gleichem elektrischen Energieeinsatz für den Antriebsmotor eine bis ca. doppelte Kälteleistung zu bewirken.
4. Moduleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die komplette Einheit vormontiert mit Ventilen und elektrischer Steuerung als "black-box" in eine kompressorbetriebene Kühl-, Kälte- oder Klimaanlage eingebaut werden kann bzw. Nachrüstsatz für bestehende Anlagen zwecks Verbesserung des Wirkungsgrades verwendet wird.
5. Moduleinheit nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Adsorbens Granulate verwendet werden können wie z. B.
  • - Zeolithe in verschiedener Ausführung
  • - Molekularsiebe,
  • - Silikate,
  • - Silikate und deren Verbindungen,
  • - poröse Keramikmassen,
  • - poröse Feststoffe auf Natur- und Kunststoffbasis,
  • - Aktivkohle.
6. Moduleinheit nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösemittel Wasser oder eine andere chemische Verbindung verwendet wird.
7. Moduleinheit nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß Adsorbens und Lösemittel exakt aufeinander abgestimmt sind, um Verdampfungstemperaturen auch im Minus-Bereich zu erzielen. Hierfür muß der Adsorbens eine hohe Aufnahmefähigkeit für den Dampf besitzen. Gleichzeitig muß der Adsorbens sich bei niedrigen Temperaturen (50°C bis 80°C) desorbieren lassen, um so die Kondensationswärme im entsprechenden Temperaturbereich zu nutzen oder als autarke Einheit, Solarenergie.
8. Moduleinheit nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Verdampfer und ein Adsorber verwendet wird, wodurch eine diskontinuierliche Kälteerzeugung und damit Kältespeicherung bewirkt wird. Einsatzgebiete ergeben sich in der Industrie, im Klimabereich und in der Transportkälte.
9. Moduleinheit nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 Adsorber und 2 Verdampfer (oder mehr) verwendet werden, die wechselseitig arbeiten, um so einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten.
10. Moduleinheit nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von einem Adsorber bzw. Verdampfer auf den anderen temperaturabhängig, druckabhängig oder zeitabhängig erfolgen kann.
11. Moduleinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einheit in einen Kühlschrank oder an eine Kühlzelle ein- bzw. angebaut werden kann unter Verwendung eines Wärmetauschers als Kälteübertragungseinheit. Die Wärmemenge für den Desorptionsvorgang kann über Sonnenenergie erzeugt werden, in dem Wasser oder eine andere Wärmeüberträgerflüssigkeit erwärmt wird und über den Wärmetauscher im Adsorber geführt wird. Die Integration von Solarzellen in den Solarkollektor ist hier durchführbar, um so elektrische Energie für die Umsteuerung der Ventile und Pumpen zu liefern, wodurch eine netzunabhängige Lagerung von verderblichen Lebensmitteln gegeben ist.
12. Moduleinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmemenge, die gasförmig oder flüssig im Temperaturbereich oberhalb 50°C zur Verfügung steht, zum Betrieb herangezogen werden kann.
13. Moduleinheit nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das ganze System umkehrbar ist und als Wärmepumpe verwendet werden kann.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015203235A1 (de) * 2015-02-24 2016-08-25 Vaillant Gmbh Adsorptions-Wärmepumpe
DE102018109577B3 (de) 2018-04-20 2019-05-09 Karlsruher Institut für Technologie Hybrid-Wärmepumpe mit Kompressions- und Adsorptionskreislauf, sowie Verfahren zumBetrieb und Verwendung
DE102013014238B4 (de) 2013-08-27 2019-07-18 Audi Ag Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Adsorptionsspeicher

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