DE8604148U1

DE8604148U1 - Wärmeübertragungselement für Verdampfer

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Publication number: DE8604148U1
Application number: DE19868604148
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-02-17
Filing date: 1986-02-17
Publication date: 1990-02-22

Description

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SAUMWEBERSTRASSE D-8OOO MÜNCHEN TELEFON (089)8 34 67

HEILMANNSTRASSE D-BOOO MÜNCHEN TELEFON (O89) 79 2697

Wärmeübertragungselement KML

16. Februar 1986

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Wärmeübertragungselement für Verdampfer

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungselement gemäß dem Oberbegriff des anspruchs 1.

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Das Handbuch ier Kältetechnik, Band 7, Springer-Verlag Berlin 1959, vermittelt einen exakten überblick über die verschiedenen Arten von Sorptionsapparaten. Sorptionsapparate sind sowohl als Wärmepumpen als auch als K^lte- erzeuger einsatzfähig. Besonders einfach gebaute, dabei jedoch vielseitig verwendbare Systeme, arbeiten periodisch, d. h. im Verdampfer wird nur während einer Betriebsphase, der sogenannten Sorptionsphase Wärme aufgenommen bzw. Kälte erzeugt. Arbeitsmittel, welches in der Sorptionsphase aus dem Verdampfer verdampft, wird in der folgenden Phase, der Desorptionsphase, in einem Verflüssiger wieder kondensiert und in den Verdampfer zurückgeführt. Bei den einfachsten Sorptionsapparaten sind Verdampfer und Verflüssiger identisch. Bei ihnen muß aus dem Verdämpfer während der Desorptionsphase Kondensationswärme abgeführt werden. Das bedeutet, daß der Verdampfer in dieser Phase nicht nur keine Kälte liefert, sondern sogar heiß wird.

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Obwohl periodische Sorptionsapparate einfach aufgebaut, leicht zu fertigen und völlig lautlos arbeiten, konnten sie sich nicht durchsetzen. Eine nur periodisch nutzbare Kälteerzeugung ist nur für sehr seltene Anwendungsfälle befriedigend. In Fällen, wo eine kontinuierliche Kälteerzeugung gefordert wird, gibt es allerdings die Möglichkeit, zwei oder mehrere, einfache Sorptionsapparate so phasenverschoben zu betreiben, daß jeweils ein Verdampfer Kälte erzeugt.

Wenn der Kälteverbraucher mit allen Verdampfern gleichzeitig gekoppelt ist/ ist die einfachste Bauart (Verflüssiger = Verdampfer) nicht möglich. Jeder einzelne Sorptionsapparat benötigt dann getrennte Verflüssiger und Absperrsysteme, um in der jeweiligen Desorptionsphase eine Rückkondensation im Verdampfer auszuschliessen-

Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, den Kälteverbraucher nur während der jeweiligen Sorptionsphase an den Verdampfer zu koppeln. Am einfachsten gelingt dies, wenn die Verdampfer mit dem Kälteverbraucher über ein pumpbares Wärmeträgermedium in Verbindung stehen» Durch eine Ventilsteuerung läßt sich dann beispielsweise das Wärme tr ägerniedium mit dem jeweilig kalten Verdampfer in Kontakt bringen und von den heißen Verdampfern absperren. Bei beiden Lösungswegen sind aufwendige Absperrorgane und komplizierte Regelungen notwendig.

Obwohl die Arbeitsweise hier nur für den Anwendungsfall der Kälteerzeugung dargestellt wurde, bestehen im Fall der Wärmepumpenanwendung ähnliche Probleme. Hier muß versucht werden, möglichst viel Wärme i₄n Verdampfer aufzunehmen. Andererseits darf keine Kondensationswärme im Verdampfer verloren gehen. Auch hier bieten sich nur die beiden oben genannten Lösungsmöglichkeiten an.

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Aufgabe der Erfindung ist es, Kälteverbraucher so an die Verdampfer von Kälteerzeugern zu koppeln/ daß eine optimale Wärmeübertragung mit minimalem Regelungsaufwand erfolgen kann.

Die Aufgabe wird nach dein kennzeichnenden Teil des S

P Patentanspruchs 1 gelöst. Ij

Zwischen Verdampfer und Kälteverbrauchsr wird ein Wärme- I

übertragungselement geschaltet, in welchem durch Wärme- f

aufnahme eine Flüssigkeit verdampft ^-.\nd unter Wärmeab- jf

gäbe am Verdampfer kondensiert und als Flüssigkeit f.

an die Stelle der Verdampfung zurückkehrt, um dort durch ■ erneute Wärmeaufnahme wieder zu verdampfen. . ;¹

Für bestimmte Anwendungsfälle eignen sich hierzu |;

sogenannte Wärme-Rohre, in denen die Flüssigkeit ^!

beispielsweise über Kapillarkräfte zum Ort der Verdampfung _i :

zurückgeführt werden. &Idigr;,

&eeacgr; Durch die Zwischenschaltung eines Wärmeübertragungs- |

elementes zwischen Verdampfer und Kälteverbraucher I

wird sichergestellt, daß nur Wärme vom Kälteverbraucher |

zum Verdampfer übertragen wird und nie umgekehrt. |l

Bei Sorptionsapparaten kann damit auf die einfachste |

Bauart zurückgegriffen werden, ohne daß aufwendige |

Absperrorgane und komplizierte Regelungen notwendig \

werden. I

f In Fällen, wo zwei und mehr Verdampfer an ein Wärmeüber- §

tragungselement gekoppelt sind/ wird die Wärme vom Kälteverbraucher immer auf den Verdampfer mit der niedrigsten Temperatur übertragen. Ohne Regelung wird

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damit sichergestellt/ daß dem Kälteverbraucher immer die kälteste Vefdampfertemperatur zur Verfügung steht.

Die Warmeübertragungselemente können mit zusätzlichen Wärmeabgabeflächen versehen sein. Über diese kann zum Beispiel Wärme an die Umgebungsluft abgeführt werden» ohne daft der Kälteerzeuger in Betrieb ist. Dies ist bei allen Kälteverbrauchern nützlich, deren Wärmeabgabe starke TemperaturSchwankungen aufweist oder die nur zeitweise unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden müssen, wie dies beispielsweise zur Kraftstoffkühlung bei Einspritzmotoren notwendig ist.

Die Verwendung von Wärmeübertragungselementen beschränkt sich aber nicht nur auf periodische Systeme. Auch bei den sogenannten kontinuierlichen Sorptionsapparaten ergeben sich Vorteile bei der Verschaltung mehrerer Apparate.

Besonders vorteilhaft sind Apparate mit dem Sorptionsstoff Zeolith und dem Arbeitsmittel Wasser oder Ammoniak. Zeolithe zeichnen sich durch eine gute Temperaturbeständigkeit und eine hohe Adsorptionstemperatur aus. Sie sind darüber hinaus preiswert und ungiftig. Die Gleichgewichtseinstellung erfolgt innerhalb wenigen Sekunden. Hierdurch eröffnen sich interessante Einsatzmöglichkeiten bei der Kühlung von Kühlschränken, elektronischen Bauteilen, Eisspeichern und Flüssigkeiten, wie Benzin oder Getränken.

Neben den verschiedenen Sorptionssystemen lassen sich aber auch alle bekannten Kälteerzeuger, wie Kompressionskältemaschinen, Peltierelemente, Eisspeicher oder Wärmepumpen mit dem Wärmeübertragungselement kombinieren.

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Als Wärmeverbraucher sind alle festen, flüssigen oder gasförmigen Medien zu verstehen, die Wärme an ein anderes Medium abgeben. Darunter fallen beispielsweise Solarkollektoren, die die Wärme an einen Wärmespeicher 5 oder eine Wärmepumpe abgeben, genauso wie Umgebungsluft, die über ein Wärmepumpensystem abgekühlt wird.

Als Kältemittel in den Wärmeübertragungselementen eignen sich alle bekannten Stoffe, wie sie beispielsweise auch in Wärme-Rohren zum Einsatz kommen.

Iri den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

Wärmeübertragungselementes, gekoppelt mit einem einfachen, periodisch arbeitenden Sorptionsapparat zur Kühlung eines elektronischen Bauelementes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragungselementes zur Kühlung eines fließenden Wärmeträgermediums, gekoppelt an zwei periodisch arbeitende Sorptionsapparate,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Warmeubertragungselementes zur Kühlung eines Kühlschrankes mit einem Kältespeicher.

Die Wärmeübertragungselemente WE enthalten das Kältemittel K, welches durch Verdampfen Wärme an den Verdampfer V eines Kälteerzeugers überträgt. Das an den Verdampfern V kondensierte Kältemittel K tropft von diesen in die Flüssigkeit

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zurück.

in F i g. 1 sind an die wärmeaufnehmenden Bereiche des Wärmeübertragungselementes WE elektronische Bauteile B gekoppelt. Das Warmeübertragungselement WE

besitzt zusätzliche Wärmeabgabeflächen WF/ über welche &igr;
Wärme von den elektronischen Bauelementen B an die Umgebungsluft abgeführt werden kann, falls der perio-^ Ii disch arbeitende Sorptionsapparat S im Verdampfer V 10 keine Kälte erzeugt. Der Sorptionsapparat S enthält eine Zeolithfüllung Z, die über eine elektrische Heizung H

periodisch erhitzt wird. Während der Desorptionsphasen wird aus der Zeolithfüllung Z Wasserdampf ausgetrieben, f der im Verflüssiger VE kondensiert und ir Verdampfer V

15 gesammelt wird. An das elektronische Bauelement B wird ; dabei keine Wärme übertragen. Während der Sorptionsphasen wird die Zeolithfüllung Z über die Kühlrippen KR abgekühlt. Aus dem Verdampfer V verdampft Wasser. Die Verdampfungskälte wird durch das Wärmeübertragungselement WE auf die elektronischen Bauelemente B übertragen .

In F i g . 2 ist das Wärmeübertragungselement WE mit zwei periodisch arbeitenden Sorptionsapparaten S gekoppelt, die phasenverschoben betrieben werden. Durch diese Betriebsweise kann immer ein Verdampfer V vom Kältemittel K Wärme aufnehmen und das Wärmeträgermedium M kühlen. Der rechte Sorptionsapparat S enthält zwischen der Zeolithfüllung Z und dem Verdampfer V eine Absperrvorrichtung AV, die über einen Elektromagneten MA gesteuert wird. Durch die Absperrvorrichtung AV kann sichergestellt werden, daß auch nach Betriebsunterbrechungen sofort Kälte abrufbar ist und nicht erst der Zeitraum einer Desorptionsphase abgewartet werden muß.

Um dies sicherzustellen, wird am Ende der Betriebszeit

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der rechte Sorptionsapparat desorbiert. Die Absperrvorrichtung AV ist dabei geöffnet. Mit Abschalten der Heizung H wird auch der Strom durch den Elektromagneten MA unterbrochen. Die Absperrvorrichtung AV wird dadurch geschlossen und die Verdampfung aus dem Verdampfer verhindert. Das gesamte Kühlsystem kann somit ohne Stromanschluß beliebig lange stillgelegt werden. Zu Beginn der folgenden Betriebszeit wird die Absperrvorrichtung AV geöffnet und der linke Sorptionsapparat S desorbiert bis die Kühlwirkung des rechten Sorptionsapparates S verbraucht ist.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Kühlung eines Kühlschrankes. Der Verdampfer V ist auch hier

Bestandteil eines einfachen, periodisch arbeitenden

Sorptionsapparates mit den Bestandteilen Verflüssiger VE, Zeolithfüllung Z, Kühlrippen KR und Heizung H. An das Wärmeübertragungselement WE ist auf der wärmeaufnehmenden Seite ein Eisspeicher E angeschlossen. Dieser Eisspeicher übernimmt die Kühlleistung des Kühlschrankes während der Desorptionsphase, in denen die Temperatur im Verdampier V auf die Temperatur des Verflüssigers VE ansteigt. Durch die Kombination von Wärmeübertragungselementen WE mit einfachen Sorptionsapparaten ist der Betrieb von Kühlschränken möglich, die nur durch Wärme betrieben werden, erschütterungsunabhängig sind und dank der besonderen Eigenschaften der Zeolithfüllung auch bei hohen Umgebungstemperaturen funktionsfähig bleiben.

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Claims

DR. PETER MAIER-LjA^HUBER··" ··· ··**··' DIPL.-ING. FRITZ J. KAUBEK Aktenzeichen: G 86 04 148.7 seite Neue Ansprüche

1. Warmeübertragungselement zur Wärmeübertragung von einem Kälteverbraucher an einen Verdampfer eines Kälteerzeugers, dadurch gekennzeichnet daß das Wärmeübertragungselemei t aus einem geschlossenen Behältnis mit einer Wärmeaufnahmefläche zur Aufnahme zur Wärme und eine Wärmeabgabefläche zur Abgabe von Wärme besteht und ein Kältemittel enthält.

2. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement ein Wärme-Rohr ist.

3. Wärmeübertra-jungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement gleichzeitig an Verdampfer mehrerer Kälteerzeuger gekoppelt ist.

4. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Warmeübertragungselement eine v/eitere Wärmeabgabefläche enthält, über welche eine Wärmeabgabe an ein weiteres Medium möglich ist.

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DR. PETER MAIER-UÄWHkJBER··' ·'■

DlPL-ING. FRlTZ J KAUBEK Aktenzeichen: G 86 04 148.7_Seite

5. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteverbraucher ein Kältespeicher ist.

6. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kälteerzeuger ein Sorptionsapparat ist.

7. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionsapparat mit dem Stoffpaar Zeolith/Wasser arbeitet.

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