DE60126282T2

DE60126282T2 - Adsorptionskältevorrichtung

Info

Publication number: DE60126282T2
Application number: DE60126282T
Authority: DE
Inventors: Pierre Jeuch
Original assignee: Thermagen SA
Current assignee: Thermagen SA
Priority date: 2000-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2021-07-07
Also published as: ATE352758T1; DE60126282D1; CA2412945A1; US20030159461A1; JP2004502128A; US7000426B2; EP1297287B1; AU2001287661B2; EP1297287A1; CN1222744C; AU8766101A; CN1440500A; WO2002002998A1; ES2281441T3

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen durch Verdampfung und Adsorption, deren Prinzip auf dem Verdampfen einer Flüssigkeit unter Wirkung einer Depression basiert, die durch Adsorption der Dämpfe der Flüssigkeit aufrechterhalten wird. Es ist die Verdampfung dieses Flüssigkältemittels, das in einem Verdampfer (einer Kammer, einem Hohlraum oder Ähnlichem) enthalten ist, das eine Kühlung in der Nähe des Verdampfers veranlasst. Eine andere Kammer, die adsorbierendes Material enthält, ist im Allgemeinen mit dem Verdampfer verbunden.
Beschreibung des Stands der Technik
Das Prinzip der Kühlung durch Verdampfung eines Flüssigkältemittels und Adsorption des Dampfes dieser Flüssigkeit hat zahlreiche Entwicklungen erfahren, sowohl für zyklische Systeme (mit Regeneration der Adsorbenzien durch Erwärmen) als auch für Einwegsysteme.
In all diesen Vorrichtungen wird die Adsorption von Wärmedissipation in dem Adsorbens begleitet, die zu einer Erhöhung der Temperatur führt, welche man durch Ableiten eines Teils dieser Wärme versucht zu begrenzen, wie beispielsweise aus dem Dokument US-A-4 367 079 ersichtlich.
Die zyklischen Vorrichtungen umfassen im Allgemeinen Adsorbenzien in Verbindung mit Wärmetauschern, die zuerst die Wärme ableiten, die durch die Adsorbenzien während der Adsorptionsreaktion der Dämpfe des Flüssigkältemittels dissipiert wird, und zweitens diese Adsorbenzien erwärmen, um sie zu regenerieren.
Das Prinzip der zyklischen Adsorption zur Kühlung ist in dem US-Patent 4 637 218 und in FR-A-1 029 877 beschrieben.
In den zyklischen Systemen wird ein Flüssigkältemittel durch Adsorption verdampft und anschließend kondensiert, wobei die Adsorbenzien durch Erwärmung regeneriert werden, nachdem sie ihre Adsorptionsfunktion erfüllt haben. Wärmetauscher sind erstens zum Kühlen der Adsorbenzien während ihrer Funktion der Adsorption und zweitens zum Erwärmen dieser Adsorbenzien für ihre Regeneration ausgebildet.
Eine der hauptsächlichen Schwierigkeiten von zyklischen Vorrichtungen liegt in der Effizienz der Wärmekopplung zwischen den Wärmetauschern und den Adsorbenzien. Zum Beispiel ist eine effiziente thermische Kopplung mit Zeolithen schwer zu erreichen, welche ansonsten sehr effiziente Adsorbenzien sind. In der Tat nehmen die Adsorbenzien gewöhnlich die Form von Körnern oder Stäben an, die eine sehr schlechte Wärmeleitung aufweisen. Das Ergebnis davon ist eine niedrige Effizienz von zyklischen Systemen.
Das US-Patent 5 535 817 hat diese Schwierigkeiten effizient analysiert, und schlägt ein Verfahren zum Bilden von Zeolithen durch Ablagerung auf einer Metalloberfläche vor, was eine wesentlich verbesserte Leistung ergibt. Die Zeolithen werden direkt auf der inneren Oberfläche von Metallrohren abgelagert, so dass eine innere Auskleidung gebildet wird. Das Verfahren der Ablagerung, das in diesem Patent vorgeschlagen wird, ist allerdings schwierig umzusetzen. Dadurch wird es im Fall von kostengünstiger Massenfertigung schwer anwendbar.
Im Fall von Einwegvorrichtungen schlägt das US-Patent 4 759 191 vor, die Erhöhung der Temperatur durch Hinzufügen von verschiedenen Materialien zu den Adsorbenzien zu begrenzen, vorzugsweise Materialien, die einen fest-flüssig Phasenübergang zwischen 30°C und 70°C aufweisen. Um einen erheblichen Effekt zu erhalten ist es allerdings nötig, eine große Menge von fest-flüssig phasenveränderlichen Materialen zu haben (typischerweise doppelt so viel wie die Adsorbenzien um einen erheblichen Effekt zu bekommen). Dieses US-Patent 4 759 191 erwähnt auch die Möglichkeit, ein flüssigkeitsgasphasenveränderliches Material zu verwenden als auch Adsorbenzientemperaturen von bis zu 100°C oder sogar 110°C. Allerdings sind die Grenzen bezüglich der Umsetzung einer solchen Vorrichtung nicht analysiert.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Zu diesem Zweck schlägt die vorliegende Erfindung eine Gestaltung der Adsorbenzien vor, die besonders gut geeignet ist, um die Wärme abzugeben, die während der Adsorption freigesetzt wird, und die ökonomisch vorteilhaft umzusetzen ist.
Gemäß der Erfindung werden die Adsorbenzien in der Form von starren Blöcken erstellt, die Hohlräume aufweisen, die in dem Adsorbensblock ausgestattet sind. Mindestens ein Teil dieser Hohlräume wird verwendet, um die Verteilung des Dampfes des Flüssigkältemittels für effiziente Adsorption zu verbessern, und ein anderer Teil kann zum Abgeben der Wärme verwendet werden, die während der Adsorption freigesetzt wird. Im Fall der Anwendung auf zyklische Vorrichtungen ist es mittels der Hohlräume, die zum Abgeben der Wärme bestimmt sind, auch möglich, die Adsorbenzien für ihre Regeneration zu erwärmen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Adsorptionskältevorrichtung, die eine Verdampferkammer, die ein Flüssigkältemittel mit seinen Dämpfen enthält, das unter Wirkung einer Depression verdampft, eine Verbindungsvorrichtung und eine Adsorptionskammer unter Vakuum aufweist, die ein Adsorbens enthält, das in der Lage ist die Dämpfe des Flüssigkältemittels zu binden, wobei das Adsorbens durch einen oder mehrere starre Blöcke gebildet wird, die mehrere Hohlräume umfassen, die innerhalb des Adsorbensblocks ausgeformt sind und an einem Ende oder an zwei Enden des Adsorbensblocks offen sind, wobei wenigstens einige der Hohlräume Zuführhohlräume sind, die in der Lage sind Dämpfe des Flüssigkältemittels auf dem Adsorbens zu diffundieren.
Gemäß einem Aspekt ist wenigstens ein weiterer Hohlraum ein Wärmetauscherhohlraum, der in der Lage ist, die Wärme, die während der Adsorption der Dämpfe des Flüssigkältemittels freigesetzt wird, abzugeben.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung hat der Block zwei Zonen, die durch eine wärmeleitfähige, hermetisch abgedichtete Ummantelung getrennt sind, wobei die erste Zone das Adsorbens umfasst und die Zuführhohlräume auf einer Seite des Blocks in der Adsorptionskammer offen sind und die zweite Zone den wenigstens einen Wärmetauscherhohlraum umfasst, der auf der gegenüberliegenden Seite des Blocks auf der Außenseite der Adsorptionskammer offen ist.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Ummantelung wenigstens ein Metallrohr, das den wenigstens einen Wärmetauscherhohlraum ummantelt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält die erste Zone des Blocks Metallrippen, die thermisch an die Ummantelung gebondet sind, vorteilhafterweise aus Aluminium.
Gemäß einer anderen Ausführungsform besteht die Ummantelung aus einem Kunststofffilm, der an den Wänden der zweiten Zone des Blocks ruht und an die Adsorptionskammer gebondet ist.
Gemäß einem Aspekt ist das Adsorbens Zeolith.
Abhängig von der Art der Umsetzung ist das Flüssigkältemittel Wasser und/oder ein Alkohol.
Gemäß einem Aspekt weist der Block des Weiteren eine Wärmeisolierung an seiner Peripherie auf, die vorteilhafterweise aus einem Gemisch aus Adsorbens und Harz besteht.
Gemäß einem Aspekt enthält der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum einen Wärmeableiter, der durch ein phasenveränderliches Material gebildet wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform geht das phasenveränderliche Material aus dem festen Zustand in den flüssigen Zustand über.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform geht das phasenveränderliche Material aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand über.
Gemäß einem Aspekt umfasst die zweite Zone des Adsorbensblocks eine Dampfdiffusionsvorrichtung, wobei die Dampfdiffusionsvorrichtung vorteilhafterweise aus einem hydrophoben porösen Material besteht.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst die zweite Zone des Blocks einen Deckel mit wenigstens einer Öffnung zur Außenatmosphäre, die durch wenigstens ein Loch gebildet wird, das die Strömungsrate des Dampfes des phasenveränderlichen Materials begrenzt.
Gemäß einer zweiten Anwendung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine zyklisch verwendbare Vorrichtung, die eine Adsorptionsphase und eine Adsorbensregenerationsphase umfasst, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum des Weiteren in der Lage ist, die Adsorbenzien für ihre Regeneration zu erwärmen.
Gemäß einem Aspekt enthält der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum ein wärmetransportierendes Fluid, das aus einem flüssigkeits-gasphasenveränderlichen Material besteht.
Gemäß einem anderen Aspekt ist der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum durch einen Dom verschlossen, dessen Außenfläche mit einem Fluid in Kontakt steht, das in einem Wärmekreislauf fließt.
Gemäß einem anderen Aspekt umfasst der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum wenigstens ein Rohr zum Zuführen von wärmetransportierendem Fluid.
Gemäß einem Merkmal ist die Siedetemperatur des wärmetransportierenden Fluids in den zwei voneinander verschiedenen Phasen der Adsorption und der Regeneration unterschiedlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die besonderen Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen anhand der folgenden Beschreibung klar werden, die mittels Veranschaulichungen gegeben wird, und mit Bezug auf die angehängten Zeichnungen, wobei:
1a und 1b schematische Querschnittsansichten eines Bereichs eines Adsorbensblocks der Vorrichtung gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung sind;
2a und 2b eine schematische Querschnittsansicht bzw. eine Längsansicht entlang AA eines Bereichs eines Adsorbensblocks der Vorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung sind;
3a eine Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Einweganwendung ist;
3b eine schematische Ansicht in einem Längsschnitt eines Bereichs A der in 3a gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
4a eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Einweganwendung ist;
4b eine schematische Ansicht in einem Längsschnitt eines Bereichs A' der in 4a gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist;
5a eine Zeichnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zyklischen Verwendung ist;
5b eine schematische Längsschnittansicht eines Bereichs B der in 5a gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
Genauere Beschreibung
Die Erfindung schlägt vor, eine besondere Gestaltung der Adsorbenzien zu schaffen, die erstens zu einer effizienten Adsorption und zweitens zu einer einfachen Abgabe der Wärme führt, die bei der Adsorptionsreaktion freigesetzt wird, und zu einer schnellen Regeneration der Adsorbenzien wenn nötig.
Mit Bezug auf die 1a–b und 2a–b zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung die allgemeine Form eines Blocks 200 auf, der aus Adsorbenzien 205 besteht, die ausgestaltet und in einer Adsorptionskammer angeordnet wurden, die eine Wärmeisolierung 350 an ihrer Peripherie umfasst. In diesen Figuren ist der Block 200 kreisförmig, aber man kann sich andere Formen vorstellen, insbesondere eine rechteckige Form.
Gemäß einem grundlegenden Aspekt der Erfindung weist der Block 200 von Adsorbenzien 205 eine Vielzahl von Hohlräumen 210, 220 auf, die während der Ausgestaltung der Adsorbenzien 205 in einen Block 200 erhalten wurden. Die Abschnitte dieser Hohlräume 210, 220 können identisch sein oder können abhängig von der erwünschten Anwendung variieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine Verdampferkammer, die ein Flüssigkältemittel L enthält, das in der Lage ist, unter Wirkung einer Depression zu verdampfen. Nach Öffnen der Verbindungsvorrichtung werden die Dämpfe V dieser Flüssigkeit L in der Adsorptionskammer durch das Adsorbens 205 adsorbiert, das erfindungsgemäß ausgestaltet ist. Diese Verbindung soll nachstehend mit Bezug auf die 3a und 4a vollständiger beschrieben werden.
Das Flüssigkältemittel L ist vorzugsweise Wasser, aber es kann auch Alkohol (Methanol, Ethanol) sein.
Das Adsorbens 205 ist vorzugsweise ein Zeolith. Zum Beispiel ein Zeolith 13X oder Zeolith 4A, das aus feinem Pulver (mit einer Korngröße von einigen Mikrometern bis einigen 10 Mikrometern), das mit einem Bindemittel (ein Ton, beispielsweise Kaolin oder andere Zusatzstoffe, die einem Fachmann bekannt sind) gemischt wird, und Wasser hergestellt wird, um eine dicke Paste zu ergeben, die in einen Block 200 ausgestaltet werden kann, der mit Hohlräumen 210, 220 versehen ist.
Die Wärmeisolierung 350 an der Peripherie des Blocks 200 wird vorteilhafterweise von Zeolithen bereitgestellt, die mit Harz imprägniert sind, um ihre Porosität zu blockieren, um zu verhindern, dass sie Wasserdampf adsorbieren. Die Wärmeisolierung 350 trägt darüber hinaus zu der Festigkeit und Robustheit des Blocks 200 bei, der dann vakuummontiert wird in der Adsorptionskammer 300, die beispielsweise aus Aluminium oder Stahl hergestellt wird.
Mindestens ein Teil der Hohlräume bestehen aus Zuführhohlräumen 210, die für die Diffusion der Dämpfe V des Flüssigkältemittels L verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsform ( 1a) werden alle Hohlräume 210 dieser Funktion des Diffundierens der Dämpfe V des Flüssigkältemittels L zugeordnet, ohne jeglichen Bedarf für ein Abgeben von Wärme. Es kann dann erwartet werden, dass die Effizienz des Adsorbens 205 pro Masseeinheit begrenzt sein wird, wenn die Temperatur steigt. Für bestimmte Vorrichtungen, in welchen eine große Menge von Adsorbens verwendet werden kann, kann dieser Aufbau bevorzugt werden aufgrund der Einfachheit seiner Herstellung.
Gemäß einer anderen Ausführungsform (1b) sind nur ein Teil der Hohlräume Zuführhohlräume 210, der andere Teil sind Wärmetauscherhohlräume 220, die ausgebildet sind, um die Wärme abzugeben, die durch die Adsorptionsreaktion und möglicherweise die Regeneration der Adsorbenzien im Fall einer zyklischen Vorrichtung freigesetzt wird. Vorteilhaft wird jeder zweite Hohlraum dieser Funktion zugeordnet.
Der Adsorbensblock 200 hat im Wesentlichen zwei Zonen, die durch eine Ummantelung 230 getrennt sind, die hermetisch abgedichtet ist, aber dennoch einen effizienten Wärmeaustausch aufweist (3b). Eine erste Zone 215 unter Vakuum enthält das Adsorbens 205, beispielsweise Zeolith, und Zuführhohlräume 210, und ist auf einer Seite des Blocks 200 in der Adsorbtionskammer 300 geöffnet. Eine zweite Zone 225 unter Druck umfasst den mindestens einen Wärmetauscherhohlraum 220, und ist an der gegenüberliegenden Seite des Blocks an der Außenseite der Adsorptionskammer geöffnet.
Vorteilhaft wird die Ummantelung 230 direkt an den Wänden der zweiten Zone 225 abgelagert und an die Adsorptionskammer 300 gebondet. Abhängig von den Ausführungsformen kann diese Ummantelung 230 aus hermetisch abgedichteten bzw. vakuumdichten Rohren, die beispielsweise aus Metall hergestellt sind, das die Wärmetauscherhohlräume 220 ummantelt, oder einem Film be stehen, der eine abgedichtete Auskleidung bildet, wie beispielsweise Kapton- oder Polyimidfilm.
Gemäß einer anderen Ausführungsform (2a und b) umfasst die erste Zone des Blocks 200 Metallrippen 235, die thermisch an die Ummantelung 230 gebondet sind, um den Wärmetausch zwischen dem Wärmetauscherhohlraum 220 und dem Adsorbensblock 205 zu verbessern. Auf diese Weise ist es möglich, nur einen Wärmetauscherhohlraum 220 mit einem Rohr 230 herzustellen, das Rippen 235 aufweist, die sich durch den ganzen Adsorbensblock 205 erstrecken. Vorteilhaft werden die Rippen 235 aus Aluminium hergestellt, wie auch das Rohr 230 der Ummantelung.
Die erste Zuführzone 215 ist mit der Verdampferkammer verbunden, und ihre Funktion ist es, die Vakuumadsorption der Dämpfe V des Flüssigkältemittels L zu erreichen. Die zweite Wärmetauscherzone 225 kann nach außen offen sein, um die Wärme abzugeben, oder sie kann an einem Kühlkreislauf abgedichtet oder geschlossen sein. Diese verschiedenen Anordnungen werden vollständiger mit Bezug auf die Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll mit Bezug auf die 3a–b und 4a–b im Rahmen einer Einmalverwendung beschrieben werden.
Wie aus 3a ersichtlich, ist die Adsorptionskammer 300 mit einer Verdampferkammer 2 verbunden, die aus einem luftdichten Hohlraum besteht, der ein Flüssigkkältemittel L enthält. Eine Verbindungsvorrichtung 50, die beispielsweise aus einer Entdeckelungsvorrichtung oder einem Ventil besteht, wird verwendet, um den Fluss der Dämpfe V des Flüssigkkälte mittels L zu aktivieren und dann aufrechtzuerhalten. Diese Verbindungsvorrichtung 50 ist mit der ersten Zone 215 des Blocks 200 verbunden, nämlich mit den Zuführhohlräumen 210, die den Dampf V auf die Adsorbenzien 205 diffundieren.
Das Detail der 3b ermöglicht eine klare Ansicht der Ummantelung 230 zwischen den beiden Zonen 215 und 225 des Blocks 200.
In der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Einmalverwendung enthält der Wärmetauscherhohlraum 220 einen Wärmeableiter, der aus einem phasenveränderlichen Material (fest-flüssig oder flüssig-gasförmig, abhängig von der Ausführungsform) besteht.
Das phasenveränderliche Material kann Natriumacetat sein, welches von der festen Phase in die flüssige Phase übergeht. Die zweite Zone 225 (Wärmetauscherzone) muss dann abgedichtet werden, um einen Fluss von Flüssigkeit zu verhindern. Ein vollständig geschlossener Block 200 kann Vorteile haben, aber die Menge an phasenveränderlichem Material ist groß, aufgrund der latenten Wärme von Natriumacetat. Dies ist ein Nachteil für kostengünstige Vorrichtungen.
Das phasenveränderliche Material kann auch Wasser sein, welches von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase V' übergeht. Der effizienteste Weg, um den Anstieg der Temperatur des Adsorbens zu begrenzen, ist, die Kalorien durch Wasserverdampfung zu entfernen, da die latente Wärme von Wasser sehr hoch ist (45 kJ pro Mol, nämlich 18 Gramm Wasser).
Gemäß einer in 3a–b gezeigten ersten Ausführungsform kann eine Diffusionsvorrichtung 270 der heißen Dämpfe V' des phasenveränderlichen Materials in der zweiten Zone 225 an der Seite des Blocks 200 gegenüber dem Einlass der Dämpfe V des Flüssigkkältemittels L eingeplant werden. Diese Diffusionsvorrichtung 270 kann aus einer hydrophobischen porösen Schicht bestehen, die heiße Dämpfe V' hindurchlässt, aber keine Flüssigkeit des phasenveränderlichen Materials. Somit stellt die Diffusionsvorrichtung 270 trotz einer Öffnung an der Außenseite mechanischen Schutz für den Adsorbensblock 200 und einer Abdichtung des phasenveränderlichen Materials bereit.
Auf diese Weise ist die zweite Zone 225 nach außen geöffnet, um den Dampf V' entweichen zu lassen und um die Wärme, die während der Adsorptionsreaktion freigesetzt wird, zu entfernen. Allerdings sollte für eine schnelle Verdampfung das Wasser an den Siedepunkt gebracht werden. Das bringt ein potenzielles Risiko von Verbrennungsverletzungen mit sich. Um dieses Risiko abzuwenden schlägt die vorliegende Erfindung vor, Mittel mit dem Absorbens zu verbinden, um die Temperatur des entlassenen Dampfes zu erniedrigen.
Gemäß einer in 4a–b gezeigten zweiten Ausführungsform enthält der mindestens eine Wärmetauscherhohlraum 220 eine Kühlflüssigkeit (vorzugsweise flüssiges Wasser) und ist in thermischem Kontakt mit dem Adsorbens angeordnet. Dieser Wärmetauscherhohlraum 220 hat mindestens eine Öffnung 275 zu der äußeren Atmosphäre, die aus einem oder mehreren kleinen Löchern besteht, die die Flussrate des Wasserdampfes V' begrenzen, der entweichen könnte.
Gemäß einer Art der Umsetzung ist es möglich, einen Zusatz zu dem flüssig-dampfförmig-phasenveränderlichen Material vorzusehen, der ein künstliches Aroma zu den heißen Dämpfen V' hinzufügt, die auf die Außenseite des Blocks 200 entlassen werden. Dieser künstliche Geruch, der beispielsweise auf Eukalyptus oder Wassermelone basiert, erzeugt vorteilhaft einen Eindruck von Frische.
Wie in 4b mit mehr Detail gezeigt, weist der Wärmetauscherhohlraum 220 mindestens eine Öffnung 275 in die äußere Atmosphäre auf, die von einem oder mehreren kleinen Löchern gebildet wird, die die Flussrate des Dampfes V', der entweichen kann, begrenzen. Dieses Loch oder diese Löcher 275 veranlassen darüber hinaus eine adiabatische Expansion des Dampfes V' unter Druck, so dass die Temperatur erniedrigt wird, wenn er nach außen entweicht.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist der Aufbau, der von dem Adsorbens 205 und dem mindestens einen Wärmetauscherhohlraum 220 gebildet wird, bei einem Deckel 271 (aus Metall wie beispielsweise Aluminium hergestellt) abgeschlossen. Dieser Deckel 271 kann eines oder mehrere Löcher 275 aufweisen, deren Durchmesser begrenzt ist, um eine adiabatische Expansion des Dampfes V' der Kühlflüssigkeit (des phasenveränderlichen Materials) bereitzustellen.
Während dem Betrieb der Vorrichtung veranlasst die Wärme, die von dem Absorbens 205 freigesetzt wird, die Verdampfung der Kühlflüssigkeit und eine Erhöhung des Drucks des Dampfes V' im Inneren des Wärmetauscherhohlraums 220. Wenn der unter Druck stehende Dampf V' durch das Loch oder die Löcher 275 mit kleinen Durchmessern entweicht, erfährt er adiabatische Expansion oder Druckverminderung, was seine Temperatur erniedrigt. Das Ausmaß der Temperaturabnahme des Dampfes V', der nach außen entweicht, ist umso größer je höher die Flussrate des Dampfes V' ist. Das liegt daran, dass in diesem Fall der Druck in dem Tauscher 220 groß ist und die Expansion groß ist.
Die nachstehende numerische Tabelle veranschaulicht die Absenkung der Temperatur des Dampfes V', der in die äußere Atmosphäre während dem Betrieb der Vorrichtung abgegeben wird.
Somit erhöht sich beispielsweise für einen Überdruck von einem bar die Temperatur des Dampfes V' in dem Tauscher 220 auf 120°C, aber nach Druckverminderung durch das Loch oder die Löcher 275 beträgt die Temperatur des ausgegebenen Dampfes nicht mehr als 55°C. Dieser Überdruck kann beispielsweise durch eine Flussrate des Dampfes V' von 0,1 g/s durch ein Loch mit einem Querschnitt von 0,4 mm² erreicht werden.
Die Kühlung durch adiabatische Expansion oder Druckreduktion ist durch das folgende physikalische Gesetz bestimmt:
wobei die Paare (T₁, P₁) und (T₂, P₂) die Temperaturen und Drücke vor und nach der Druckreduktion sind.
Und wobei γ die isentropische Konstante ist, γ = 1,35 für H₂O bei 100°C, (γ – 1)/γ = 0,259
Die folgende Tabelle veranschaulicht das Kühlvermögen, das als eine Funktion des verursachten Überdrucks erhalten wurde. Der Dampfdruck als eine Funktion der Temperatur ist aus dem Handbuch für Chemie und Physik, 80. Auflage, entnommen worden. Die Flussraten der Tabelle entsprechen einem Loch mit einem Durchmesser von 1mm (0,8 mm²) (Flowmaster-Code). Die Flussrate des Dampfes V' ist proportional zu der Oberfläche des Lochs, und das Kühlvermögen ist proportional zu der Flussrate (latente Verdampfungswärme von Wasser).
Eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll nun mit Bezug auf die 5a und 5b im Rahmen einer zyklischen Verwendung beschrieben werden.
Eine Vorrichtung dieser Art weist zwei Sätze von Adsorbenzien 200 und 201 auf, die nacheinander und abwechselnd in Adsorptions- und Regenerationsphasen arbeiten.
Ein erster Adsorptionskreislauf 400 verbindet die Adsorbensblöcke 200, 201 mit einem Verdampfer 2 und einem Kondensator 4, wobei ein Ventil 60 mit zwei Positionen verwendet wird für eine abwechselnde Verbindung von jedem Block 200, 201 mit einer dieser Vorrichtungen. Der Dampf V des Flüssigkältemittels L fließt in diesem ersten Kreislauf 400.
Ein zweiter Regenerierungskreislauf 410 verbindet die Adsorbensblöcke 200, 201 mit einem Heizer 5 und einem Kühler 6. Eine reversible Pumpe 8 veranlasst eine zweite Flüssigkeit Vr in diesem Kreislauf 410 zu fließen. Die Pumpe 8 erhöht den Druck der zweiten Flüssigkeit Vr in dem Kreislaufbereich 410 neben dem Block 200 während der Regeneration und ein Druckreduzierer 9, der zwischen den beiden Blöcken 200, 201 angeordnet ist, reduziert den Druck dieser Flüssigkeit Vr in dem Kreislaufbereich 410 in der Nähe des Blocks 201 während der Adsorption.
Die externen Austauschkreisläufe sind in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik:

– Die Kälte wird in dem Verdampfer 2 hergestellt,
– der Kondensor 4 und der Kühler 6, welche in dieser Reihenfolge in Reihe angebracht werden können, gewinnen die extrahierten Kalorien zurück,
– der Heizer 5 stellt zusätzliche Energie für den Betrieb der Vorrichtung bereit.

Die detaillierte Ansicht B in 5b ermöglicht eine bessere Beschreibung der besonderen Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und ihrer Anwendung auf zyklische Verwendung.
Die Wärmetauscherhohlräume 220 umfassen ein wärmetransportierendes Fluid L', das aus einem flüssigkeits-gasphasenveränderlichem Material besteht, wie beispielsweise Wasser oder Alkohol, und ein Versorgungsrohr 240 des wäremtransportierenden Fluids L'.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung sind diese Wärmetauscherhohlräume 220 durch einen Dom-förmigen Deckel 250 geschlossen, der einen Wärmeaustausch mit dem Fluid Vr des zweiten Kreislaufs 410, das über diese Oberfläche 250 fließt, bereitstellt. Die zweite Zone 225 des Blocks 200 umfasst darum die Wärmeaustauschhohlräume 220 und ihre Dome 250 in der abgedichteten Ummantelung 230.
Der Temperaturunterschied zwischen dem wärmetransportierenden Fluid L' am Boden der Wärmetauscherhohlräume 220 und dem Fluid Vr des zweiten Kreislaufs 410 ist sehr gering (einige Grad).
Während der Adsorptionsphase verursacht die Wärme, die zu den Wärmetauscherhohlräumen 220 übertragen wird und von dem Adsorbens 205 freigesetzt wird, das wärmetransportierende Fluid L' vom Boden des Hohlraums 220 in den Dom 250 in der Form von heißen Dämpfen V' unter Druck zu verdampfen, welche das wärmetransportiertende Fluid L', das in dem Dom 250 vorhanden ist, in Richtung des Bodens des Versorgungsrohrs 240 heraus drücken. Diese heißen Dämpfe V' werden dann in dem Dom 250, der in Kontakt mit dem Fluid Vr des zweiten Kreislaufs 410 steht, welches kälter ist, kondensiert.
Umgekehrt ist während der Regenerationsphase das Fluid Vr des zweiten Kreislaufs 410 heißer (durch gemeinsame Einwirkung des Heizers und der reversiblen Pumpe 8) und veranlasst ein Erwärmen des Doms 250, das zu der Verdampfung des wärmetransportierenden Fluids L' führt, welches in dem Hohlraum 220 kondensiert wird, wobei somit Wärme zu den zu regenerierenden Adsorbenzien 205 gebracht wird. Das kondensierte Fluid L' kommt aus dem Hohlraum 220 durch das Versorgungsrohr 240 zu dem Dom 250.
Nach einem vorteilhaften speziellen Kennzeichen der Ausführung der Erfindung ist die Siedetemperatur des wärmetransportierenden Fluids L' in den zwei verschiedenen Phasen der Adsorption und Regeneration verschieden, wobei diese Differenz in der Siedetemperatur durch die Differenz in dem Druck des Fluids Vr reguliert wird, das in dem zweiten Kreislauf 410 in Kontakt mit dem Dom 350 fließt, welcher flexibel ist und den Druck überträgt.
Eine Methode, den Adsorbensblock 200 herzustellen, soll nun genauer angegeben werden.
Vorzugsweise kann das Ausgestalten des Adsorbensblocks 200 mit seinen Hohlräumen 210, 220 durch Gießen, Spritzen oder Pressen einer Paste, die aus Adsorbenspulver gemischt mit Wasser und einem Binder besteht, in eine Form erreicht werden.
Das Ausgestalten des Adsorbensblocks 200 kann auch durch kontinuierliche Extrusion durch eine Matrize gefolgt von einer Schneideoperation, beispielsweise mittels eines Drahts, erreicht werden. In dem Fall, dass die Ummantelung 230 aus mindestens einem Metallrohr mit Rippen 235 besteht, kann der Block 200 vorteilhaft durch kontinuierliche Koextrusion von dem Metallrohr mit Rippen und dem Adsorbens erhalten werden.
Der Block 200 wird getrocknet, beispielsweise bei 100°C in trockener Luft, und dann vollständig dehydriert durch Brennen bei beispielsweise 450°C in einem Vakuum von 0,1 Pa. Die Peripherie des Blocks 200 wird dann mit Harz imprägniert, um eine Wärmeisolierung 350 zu erzeugen, und der Block 200 wird in einer Adsorptionskammer 300 angeordnet und vakuumversiegelt.
Das Ausgestalten des Blocks 300 durch Formgeben ermöglicht es, eine direkte abgedichtete Trennung 230 zwischen den beiden Zonen 215 und 225 zu erhalten, indem Hohlräume 210 und 220, die sich jeweils nur auf eine Seite des Blocks 200 öffnen, hergestellt werden. Beispielsweise kann die Adsorbenspaste 205 direkt auf die Metallrohre oder einen abgedichteten Kunststofffilm 230 gepresst werden und kann auf eine der Seiten der Form positioniert werden. Die kegelförmige Form der Hohlräume 210, 220 kann verwendet werden, um im Wesentlichen das Ablösen von der Form zu vereinfachen.
In dem Fall des Ausgestaltens des Blocks 200 durch Extrusion sind die Hohlräume 210, 220 auf beiden Seiten des Blocks 200 geöffnet. Durchlöcherte Metallgitter können auf beide Seiten des Blocks 200 gebondet werden, um eine von jeweils zwei Öffnungen der Hohlräume auf jeder Seite zu verschließen, und ein abdichtender Film 230 kann beispielsweise durch Sprühen an den Hohlräumen 220 aufgebracht werden, die für den Wärmetausch ausgestaltet sind.

Claims

Adsorptionskältevorrichtung, umfassend eine Verdampferkammer (2), die ein Flüssigkältemittel (L) mit ihrem Dampf (V) enthält, das unter der Wirkung einer Depression verdampft, eine Verbindungsvorrichtung (50) und eine Adsorptionskammer (300) unter Vakuum, die ein Adsorbens enthält, das in der Lage ist, die Dämpfe des Flüssigkältemittels zu binden, wobei das Adsorbens durch einen oder mehrere starre Blöcke (200) gebildet wird, die mehrere Hohlräume (210, 220) umfassen, die innerhalb des Adsorbensblocks ausgeformt sind und an einem Ende oder an zwei Enden des Adsorbensblocks offen sind, wobei wenigstens einige der Hohlräume Zuführhohlräume (210) sind, die in der Lage sind, Dämpfe des Flüssigkältemittels auf dem Adsorbens zu diffundieren.
Kältevorrichtung nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein weiterer Hohlraum ein Wärmetauscherhohlraum (220) ist, der in der Lage ist, die Wärme, die während der Adsorption der Dämpfe des Flüssigkältemittels freigesetzt wird, abzugeben.
Kältevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Block zwei Zonen hat, die durch eine wärmeleitfähige, hermetisch abgedichtete Ummantelung (230) getrennt sind, wobei die erste Zone (215) das Adsorbens umfasst und die Zuführhohlräume auf einer Seite des Blocks in der Adsorptionskammer offen sind und die zweite Zone (225) den wenigstens einen Wärmetauscherhohlraum umfasst, der auf der gegenüberliegenden Seite des Blocks auf der Außenseite der Adsorptionskammer offen ist.
Kältevorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ummantelung wenigstens ein Metallrohr umfasst, das den wenigstens einen Wärmetauscherhohlraum ummantelt.
Kältevorrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Zone des Blocks Metallrippen (235) enthält, die thermisch an die Ummantelung gebondet sind.
Kältevorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Rippen aus Aluminium bestehen.
Kältevorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Ummantelung aus einem Kunststofffilm besteht, der an den Wänden der zweiten Zone des Blocks ruht und an die Adsorptionskammer gebondet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Adsorbens Zeolith ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Flüssigkältemittel Wasser und/oder ein Alkohol ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Block des Weiteren eine Wärmeisolierung (350) an seiner Peripherie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Wärmeisolierung aus einem Gemisch aus Adsorbens und Harz besteht.
Kältevorrichtung nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum einen Wärmeableiter enthält, der durch ein phasenveränderliches Material gebildet wird.
Kältevorrichtung nach Anspruch 12, wobei das phasenveränderliche Material aus dem festen Zustand in den flüssigen Zustand übergeht.
Kältevorrichtung nach Anspruch 12, wobei das phasenveränderliche Material aus dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand.
Kältevorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Material Wasser ist.
Kältevorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 14, wobei die zweite Zone des Adsorbensblocks eine Dampfdiffusionsvorrichtung (270) umfasst.
Kältevorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Dampfdiffusionsvorrichtung aus einem hydrophoben porösen Material besteht.
Kältevorrichtung nach den Ansprüchen 3 und 14, wobei die zweite Zone des Blocks einen Deckel (271) mit wenigstens einer Öffnung (275) zur Außenatmosphäre umfasst, die durch wenigstens ein Loch gebildet wird, das die Strömungsrate des Dampfes des phasenveränderlichen Materials begrenzt.
Kältevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10 mit zyklischem Betrieb, umfassend eine Adsorptionsphase und eine Adsorbensregenerationsphase, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum des Weiteren in der Lage ist, die Adsorbenzien für ihre Regeneration zu erwärmen.
Kältevorrichtung nach Anspruch 19, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum ein wärmetransportierendes Fluid enthält, das aus einem flüssigkeits-gasphasenveränderlichen Material besteht.
Kältevorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum durch einen Dom verschlossen ist, dessen Außenfläche mit einem Fluid in Kontakt steht, das in einem Wärmekreislauf fließt.
Kältevorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 20, wobei der wenigstens eine Wärmetauscherhohlraum wenigstens ein Rohr zum Zuführen von wärmetransportierendem Fluid umfasst.
Kältevorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Siedetemperatur des wärmetransportierenden Fluids in den zwei voneinander verschiedenen Phasen der Adsorption und der Regeneration unterschiedlich ist.