EP2473811B1 - Flächige kältemittel-zufuhr und -verteilung für einen wärmetauscher in sorptionsmaschinen - Google Patents

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EP2473811B1
EP2473811B1 EP10770972.7A EP10770972A EP2473811B1 EP 2473811 B1 EP2473811 B1 EP 2473811B1 EP 10770972 A EP10770972 A EP 10770972A EP 2473811 B1 EP2473811 B1 EP 2473811B1
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EP
European Patent Office
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evaporator
refrigerant
heat exchanger
porous material
glass
Prior art date
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Revoked
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EP10770972.7A
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EP2473811A2 (de
Inventor
Niels Braunschweig
Sören PAULUSSEN
Andrej Laufer
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INVENSOR GmbH
Original Assignee
INVENSOR GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/003—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by using permeable mass, perforated or porous materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/026—Evaporators specially adapted for sorption type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/006—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of glass
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Definitions

  • the invention relates to an evaporator for sorption machines according to the preamble of claim 1. It also discloses the use of such evaporation, GB 654,396 discloses such evaporation.
  • Sorption machines usually consist of one or more sorbers, a condenser and an evaporator.
  • the evaporator the phase change of the refrigerant takes place between liquid and gaseous. In this case, the refrigerant heat is removed. Accordingly, this is actually the process of refrigeration.
  • the driving force for this process is the reduction of the vapor pressure by the sorption processes as well as the evaporation of the refrigerant by the thermal energy transferred from the heat carrier fluid.
  • the evaporator heat exchanger is usually supplied via a heat transfer fluid (eg., Air, water, brine, etc.) heat at a low temperature level.
  • a heat transfer fluid eg., Air, water, brine, etc.
  • Sorption machines are usually plants with the refrigerant water z.
  • the refrigerant water z For example, in the common substance combinations: lithium bromide - water (absorption) or silica gel - water (adsorption) or zeolite - water (adsorption). Water evaporates at low temperatures only in the vacuum range (eg at 10 ° C and 12.3 mbar absolute). Accordingly, sorption machines are generally vacuum reactors operated under reduced pressure. Due to the very low absolute pressure, there are certain peculiarities and boundary conditions with respect to the evaporator design, which usually lead to classic evaporator designs of z. B. compression refrigeration machines do not apply, because classic compression machines usually use refrigerant working in the pressure range.
  • the hydrostatic pressure of the liquid refrigerant must not be neglected and is an important design criteria. Depending on the filling level, this pressure can amount to a few mbar, which at a working pressure of only a few mbar_absolut has a significant effect on the evaporation process.
  • evaporators of sorption machines are generally not operated in the field of bubbling, as this would mean a driving minimum temperature difference, which are not desirable or acceptable for sorption usually.
  • a heat exchanger is flooded with the refrigerant.
  • the heat transfer fluid thus flows in the tubes or channels of the heat exchanger.
  • wolvesverierernde elements are mounted on the tubes of the heat exchanger, such as. B. fins or ribs.
  • the prior art describes methods and apparatus which attempt to improve the effectiveness of the evaporator.
  • the WO 2008/155543 A2 a heat pump, which consists of two adsorption tanks, in each of which a heat exchanger is integrated.
  • the refrigerant used is a gas which adsorbs on an adsorption material. By an energy input, the gas can be desorbed again from the adsorbent material.
  • thermally conductive materials can be incorporated into the adsorption material.
  • the materials are made of, for example, copper or aluminum, and may be incorporated into the adsorbent material in various forms. The forms include flakes, foams, fibers or braids.
  • the disclosed heat pump must use a compressor to recycle the refrigerant.
  • the disclosure US 2009/0249825 A1 a heat pump containing a condenser Nerdampfer.
  • the wall of the condenser Nerdampfers is coated with a thin matrix, which serves to receive an active substance (eg LiCl).
  • an active substance eg LiCl
  • the matrix is preferably made of an inert material, such as. B. alumina.
  • a disadvantage of the disclosed heat pump is that it must have a large surface area on which the matrix is applied. Consequently, in order to improve the efficiency, a large heat pump must be provided, which not only increases the weight but also the production cost.
  • the heat pump contains many components, including the active substance, the matrix and a refrigerant. As a result, the operation of the heat pump is very susceptible to interference.
  • the object of the invention was therefore to provide an evaporator for the evaporation process in the vacuum area, which does not have the disadvantages of the prior art.
  • an evaporator which does not have the disadvantages of the evaporators described in the prior art and comprises only a heat exchanger and the porous material, which is preferably introduced as a bed in the evaporator.
  • the porous material which is preferably introduced as a bed in the evaporator.
  • a bed refers in the context of the invention, in particular a mixture of the porous material, which is in pourable form.
  • a heat exchanger refers in particular to an apparatus which transfers thermal energy from one material stream to another.
  • a stream of material which is passed through the tubes of the heat exchanger for example, a heat carrier, preferably comprising water. This may be, for example, water combined with an antifreeze. Of course, other heat transfer possible, such. B. thermal oils. This gives off the thermal energy to another stream, such as a refrigerant.
  • the heat exchangers are preferably made of metal, for example stainless steel, copper, aluminum and / or steel. However, plastic, glass or ceramic can also be used as the material.
  • the heat exchanger is advantageously part of the evaporator.
  • the heat exchanger can be used in the context of the invention as an evaporator.
  • a porous material which is also referred to as material, in the context of the invention is a material which is provided with pores or permeable.
  • Advantageous properties of the porous material include greatly increased surface area, capillarity or transport phenomena.
  • the porous material may be in solid and / or liquid form in the evaporator. It is known to those skilled in the art that a solid material may be dissolved in liquids, for example, to produce a slurry.
  • a slurry refers in particular to a heterogeneous mixture of a liquid and solids distributed therein. It is known to those skilled in the art that a slurry may also be referred to as a slurry or slurry. It may also be preferable to cause an aggregate state change of the porous material from solid to liquid or vice versa.
  • a tube in the context of the invention describes an elongated hollow body whose length is generally much larger than its cross-section. It may also have a rectangular, oval or other cross-section.
  • a channel in the sense of the invention describes a free cross-section in a structure through which a medium can flow.
  • This free cross section can z. B. be open to other free cross-sections, as is the case in a plate heat exchanger. It is well known to those skilled in the art that pipes and channels may be equivalent means with regard to the passage of media.
  • the fluid which comprises, for example, water or another heat transfer medium, is passed through the tubes.
  • the tubes are made of metal, plastic and / or ceramic materials.
  • Preferred variants include steel, stainless steel, cast iron, copper, brass, nickel alloys, titanium alloys, aluminum alloys, plastic, combinations of plastic and metal (composite pipe), combinations of glass and metal (enamel) or ceramic.
  • Frictional connections include clamping rings, molded parts, bent pipe sections, screws or rivets. Bonded joints include gluing, welding, brazing or vulcanizing.
  • tubes made of plastic are particularly lightweight and flexible and can thus reduce the weight of the heat exchanger.
  • Ceramic materials including building ceramic materials, have a high stability and long durability. Combinations of the listed materials are particularly advantageous, since thus different material properties can be combined.
  • the preferred materials meet the high manufacturing requirements of a heat exchanger, since they are stable to high temperatures or varying pressures.
  • the heat exchanger has vidverierernde pipe appendages or structures, in particular plates, nets, ribs, bulges, 2- or 3-dimensional grid structures and / or fins.
  • the surface-enlarging pipe attachments or structures in the context of the invention comprise means which cause an increase in surface area of the pipes and / or channels and thus an enlargement of the heat exchange surface.
  • the means include, for example, plates, nets, ribs, bulges, 2- or 3-dimensional lattice structures and / or lamellae.
  • the means are preferably applied at regular or irregular intervals on the tubes.
  • the person skilled in the art can empirically determine an optimal arrangement of the surface-increasing attachments by means of routine tests.
  • the means are preferably made of metal, for example stainless steel, steel, copper or aluminum, since these have a high coefficient of thermal conductivity and guarantee optimal heat exchange or heat conduction. The skilled worker is aware that he can use a wide variety of materials.
  • a fluid is passed through the tubes and / or channels or the heat exchanger and transfers thermal energy to the material of the heat exchanger.
  • a refrigerant is passed through the machine, wherein the refrigerant undergoes a change in state of matter as it passes through.
  • the heat exchanger is preferably used as an evaporator, so that the refrigerant is preferably evaporated in this.
  • the liquid refrigerant is introduced into the heat exchanger and wets the surface of the heat exchanger tubes and / or the psychverierernden pipe attachments.
  • the refrigerant can also collect in shells or swamps, which are preferably arranged in the evaporator.
  • the refrigerant present in the trays or sumps is in contact with at least one surface of the heat exchanger.
  • the heat exchanger surface which includes in particular the heat exchanger tubes and / or the mecanicnverierernden pipe appendages, thermal energy is transferred from the pipes and / or pipe fittings on the refrigerant, which causes an aggregate state change of the refrigerant and converts the refrigerant into a vapor phase
  • the heat exchanger or the pipes and / or pipe attachments is in contact with a vapor-open, in particular porous, material.
  • the material is preferably introduced as a bed in the evaporator and advantageously completely fills the evaporator, so that the liquid refrigerant can be optimally distributed by the material in the evaporator.
  • the porous material preferably has high capillary forces, so that the refrigerant is distributed by capillary forces of the bed in the evaporator, as soon as it comes into contact with the material.
  • the refrigerant preferably so wets in a thin film, the heat exchange surface of the heat exchanger and evaporates, the steam can advantageously flow through the preferred open-vapor structure of the material.
  • an evaporator may be provided in which the heat exchanger surface need not be in direct contact with the refrigerant in the trays or sumps.
  • the preferred evaporators can be made smaller and can be manufactured, in particular, without shells or sumps, since the refrigerant from the porous material is distributed by capillary forces in the evaporator.
  • the refrigerant can be added at any point in the evaporator. In this way, it is also possible to use an evaporator, in which the porous material was introduced as a bed, in an inclined position or inclined position, which represents a considerable advantage over the evaporator disclosed in the prior art. That is, it is not necessary by the inventive features of the evaporator to position it horizontally.
  • the evaporator can be operated horizontally or in an inclined position.
  • An inclination referred to in the context of the invention, in particular a non-horizontal position of the evaporator. Since the porous material absorbs and stores the refrigerant irrespective of the respective position of the evaporator, an inventive evaporator functions in particular also in mobile use. There is no impairment of the evaporator performance, even with strong centrifugal forces or due to shaking movements, since the refrigerant is optimally distributed at all times on the evaporator or pipe appendages.
  • the porous material distributes the refrigerant substantially uniformly in the evaporator, in particular the heat exchanger, without blocking the steam formed in the evaporator in its flow path. Disadvantages such as the hydrostatic pressure of the refrigerant and a suboptimal refrigerant distribution after a standstill or during partial load operation are also avoided.
  • the refrigerant is introduced into the evaporator and preferably partially and / or completely absorbed by capillary forces of the material from the material and distributed therein.
  • the material absorbs the refrigerant and stores and / or transports it, resulting in essentially no pressure loss for the resulting steam flow.
  • the material is preferably at least partially in contact with the heat exchanger, whereby thermal energy is transferred to the material or to the refrigerant absorbed by the material.
  • the heat-conducting surface of the heat exchanger and / or the appendages is advantageously wetted by a thin film of refrigerant.
  • the refrigerant is vaporized by absorbing the thermal energy transferred from the heat exchanger and / or attachments. Due to the advantageous porous structure of the material, the vapor can escape and flow through the heat exchanger, wherein preferably no pressure loss for the steam flow within the heat exchanger is formed.
  • no pump or other actively moving parts is necessary for the circulation of the refrigerant and for its introduction into the evaporator.
  • the refrigerant is distributed substantially evenly throughout the evaporator by the porous material. It is an effective operation of the evaporator and the sorption without a large amount of equipment required. In addition, the maintenance of the evaporator is much easier and the cost of the evaporator are reduced because the material is a compact and lightweight evaporator can be produced.
  • the advantageous evaporator meets the requirements placed on vacuum-used materials. It has a surprisingly high chemical, long-term thermal stability, which is necessary in particular for different modes of operation of sorption.
  • the porous material is selected from the group consisting of sand, glass beads, glass fibers, clay, mineral wool, foam glass, cellulose, hard foam, glass wool, metal wool or shavings, fibers, structures, fine structures, threads, Rock wool, slag wool, expanded glass, perlite, calcium silicate, Naturbims, ceramic fibers, ceramic foam, silicate foam, gypsum foam, fumed silica, flax, polyester fibers, phenolic rigid foam, felt or a mixture of these.
  • Sand referred to in the context of the invention clastic rocks, the loose accumulations of rounded or angular, in particular 0.06-2 mm grains. Sand has particularly high capillary forces and a high water binding capacity.
  • Clay in the context of the invention, denotes a granular, unconsolidated sedimentary rock attributed to the cohesive loose rocks, which consists essentially of mineral particles. Clay preferably has a soap-like consistency in the wet state and has a high water-binding capacity, a high swellability and a high adsorption capacity compared to many inorganic and organic substances. It may also be preferred that a slurry of an initially porous material is introduced into the evaporator, the slurry being a porous material in the sense of the invention.
  • the preferred porous materials could be used in an evaporator. It is known to the person skilled in the art that the preferred porous materials are in part not or only poorly heat-conducting, whereby a person skilled in the art would not use them in a heat-conducting process, such as in an evaporator. However, experiments have shown that when the preferred porous material is introduced in particular as a bed in the evaporator, the efficiency of the evaporator is significantly improved.
  • the advantageous materials are porous and consist of a refrigerant attracting material, wherein the refrigerant is also transported within the porous material or in interstices of the porous material. The materials advantageously have many cavities, with a low weight.
  • the vapor produced by the evaporation of the refrigerant may advantageously flow through the cavities, ensuring a continuous operation of the evaporator.
  • the materials are inexpensive to manufacture, and waste products can be used, which are particularly favorable from an ecological point of view.
  • the preferred porous materials have high capillary forces and optimally distribute the refrigerant in the evaporator
  • a preferred embodiment is the use of glass fiber as the porous material.
  • Glass fibers are preferably thin threads which are made of glass and have high tensile and compressive strength.
  • the glass fiber preferably has an amorphous structure and isotropic mechanical properties.
  • the glass fibers can be present in different thicknesses, for example 0.1-3 ⁇ m (thin glass fibers), 3-12 ⁇ m (weak glass fibers), 12-35 ⁇ m (strong glass fibers), 35-100 ⁇ m (elastic glass fibers) and / or 100 -300 ⁇ m (thick glass fibers).
  • advantageously different structures and shapes can be produced from the glass fibers, whereby they can be adapted to different heat exchanger or evaporator shapes and sizes.
  • the glass fibers can be made of special glasses, for example fiberglass or glass comprising quartz glass, soda-lime glass, float glass, lead crystal glass and / or borosilicate glass.
  • the glass fibers are preferably designed as glass fiber chips, cords, roving, mats, fabric and / or beads.
  • Glass fiber chips are in particular short 3 mm long sections of glass fibers, preferably with and / or without a silane coating. However, they can also be coated with polyester or epoxy resin.
  • fiberglass chips are particularly inexpensive to produce.
  • the structure of the chips creates a highly porous filling.
  • the glass fibers can also be processed as glass fiber cords with virtually unlimited length or limited length.
  • structures such as yarn, spun threads, twine or cords can be inserted into the evaporator.
  • the structures have high capillary forces, whereby the refrigerant is evenly distributed in elongated evaporators.
  • Fiberglass roving is preferably a certain number of fiberglass filaments bundled in parallel to a strand, which can hold a large amount of refrigerant.
  • glass fiber roving can preferably be used in evaporators that are required to perform well.
  • the glass fiber beads preferably have a round shape. However, it is known to those skilled in the art that even oval or essentially round structures are referred to as beads. It is also preferred that the different glass fiber structures be combined together. For example, glass fiber beads can be attached to a glass fiber cords. Through these combinations, the field of application of the glass fiber as a porous material in an evaporator is substantially increased and it can be filled with the structures substantially all evaporator forms. In addition, it is advantageous that the glass fiber is easy to work, that is, the material can be easily and quickly adapted to different modes of operation of the sorption.
  • the material is applied to the tube, in particular by the material at least partially sheathed or coated the tubes of the heat exchanger.
  • the material may advantageously completely encase or coat the tubes of the heat exchanger.
  • the material is operatively connected, for example, with at least one tube.
  • the material may be attached to the pipe by integral connections such as gluing or others.
  • the refrigerant absorbed by the material is brought into direct contact with the pipe, that is, the heat exchange surface.
  • the material may also be arranged only in close proximity to the tube without being in direct contact with it. It may also be advantageous to use the material only partially with one or more tubes connect. As a result, areas - pipes that have no material - arise that can be used for other apparatus devices, such as partitions or valves.
  • another preferred embodiment comprises an evaporator, in which the porous material is applied to the pipe extensions of the heat exchanger.
  • the pipe attachments are for example plates, nets, ribs, bulges and / or fins.
  • the heat carrier passed through the pipes transfers thermal energy to the pipes and to the Rohan slopes.
  • the refrigerant is evenly distributed in the heat exchanger by the capillary forces of the porous material and at least partially fogging the pipes and the pipe attachments, thereby advantageously forming a thin film of refrigerant or droplets thereon.
  • the refrigerant is vaporized by the thermal energy transferred from the heat transfer fluid and flows through the porous material. Due to the arrangement of the material in the evaporator and the shape of the material itself, there is essentially no pressure loss for the steam flow.
  • the preferred embodiment allows the vaporizers to be offered as a unit for sale, and the material does not fall out of it during transport of the vaporizer.
  • the pipe attachments are made of metal. It may also be preferred to provide an evaporator in which the vidverierernde pipe appendages and / or structures are porous.
  • the porous pipe appendages and / or structures which include plates, nets, ribs, bulges and / or fins, in particular have a porous surface which distribute the refrigerant by capillary forces and transmit thermal energy to the refrigerant.
  • only the surface of the pipe attachments can be made porous. This can be achieved for example by the application of a porous layer on the pipe attachments.
  • the pipe attachments can preferably also be embodied as metal fibers, wherein the refrigerant is transported by voids formed between the fibers.
  • the pipe attachments can be designed as finned tubes, in which the refrigerant is distributed by the ribs by means of capillary forces.
  • a hydrophilic layer is applied to the heat exchanger and / or surface-increasing pipe attachments and / or structures.
  • the hydrophilic layer may be applied to the surface of the evaporator, in particular the heat exchanger and / or surface-increasing pipe attachments.
  • Hydrophilicity in the context of the invention means that the applied layer is hydrophilic and / or distributes water over a thin area. These may be, for example, polymers or gels, which cause the refrigerant to be distributed at the layer or the surface to a thin film of refrigerant.
  • a fluid which comprises, for example, water or another heat carrier, is passed through the tubes and the tubes are arranged such that tube packages form in one plane.
  • Pipe packages describe in the context of the invention a collection of pipes, wherein preferably the pipe packages are arranged in particular as a raw coil in a plane.
  • the layer can be in a vertical, horizontal, or other position.
  • pipe attachments can be attached on the pipes in a plane.
  • Gaps in the context of the invention designate a cavity in the heat exchanger, which has no functional components.
  • an alternating arrangement of the stacked tube packages with the interstices, that is, between two stacked tube packages creates a gap.
  • a distance, ie the gap between two tube packages 0.2 to 1.0 cm, more preferably 0.5 cm.
  • the pipe pacts can be arranged one above the other at different angles.
  • a substantially parallel arrangement of the tube packages is advantageous.
  • a substantially parallel arrangement also includes an arrangement of the tube packages that deviates from idealized parallelism by 5-10 degrees.
  • the preferred arrangement of the tubes in the heat exchanger allows, for example, the introduction of drip trays in the interstices, in which preferably accumulates refrigerant.
  • the refrigerant present in the drip pans is preferably in direct contact with the pipes and / or pipe fittings. Through the gaps is further ensured that the refrigerant flows through the heat exchanger optimally, whereby preferably all pipes and Rohan von be used as a heat exchange surface. As a result, the effectiveness of the heat exchanger is improved.
  • the material is at least partially positioned on the tubes and positioned in the interstices.
  • the material can be easily introduced into the evaporator and is advantageously in contact with the tubes and / or the pipe extensions of the heat exchanger.
  • the material may be applied, for example, on the pipes by means of material connections.
  • the material can substantially completely fill the interspaces of the evaporator or heat exchanger. This guarantees that the refrigerant is optimally distributed in the evaporator.
  • the refrigerant is distributed by the capillary forces of the material in this and can thus also bridge the gaps in which no tubes are arranged.
  • the glass fiber chips at least partially have a greater length than the distance between two lamellae or ribs.
  • This preferred embodiment allows for easy filling of the evaporator to the material.
  • the preferred length results in a preferred orientation of the material, that is to say that the material is preferably present in a specific orientation in the evaporator and heat exchanger. This causes the refrigerant to be well absorbed by the material.
  • the contact surface between the material and pipe or pipe attachments is particularly large and the refrigerant is brought into direct contact with the pipes and / or pipe attachments, which in turn causes optimum heat transfer.
  • the invention also relates to the use of a porous material as a filling in an evaporator. It may also be preferred that a material, in particular a Fiber material is poured as a filling in the evaporator.
  • a fiber is in the context of the invention, a thin and flexible structure, which consists of synthetic and / or natural components.
  • the material, in particular the fiber material may be applied to the pipes and / or pipe attachments of the evaporator, in particular the heat exchanger. However, it may also be preferred that the material, in particular fiber material is not applied to this, but is arranged only in spatial proximity to the pipes and / or pipe attachments.
  • the evaporator comprises a heat exchanger having at least one fluid-flow pipe, channel and / or a combination of both, which are at least partially acted upon by a refrigerant, wherein the material substantially completely fills the evaporator and with the Pipe, channel and / or combination is brought into contact.
  • the refrigerant is preferably absorbed by the porous material and distributed by capillary forces in the evaporator.
  • the material which is preferably used as a fiber material, distributes the refrigerant optimally in the evaporator, in particular on the heat exchanger surfaces of the heat exchanger, without blocking the refrigerant vapor formed there in its further flow path.
  • the efficiency of the evaporator or the heat exchanger can be significantly improved.
  • no apparatus components are required, which circulate the refrigerant, so as to achieve a distribution of the refrigerant in the evaporator. It is surprisingly ensured an optimal refrigerant distribution after a standstill or partial load operation of the evaporator.
  • the refrigerant can be attracted, transported and preferably stored for a short time, without causing a pressure loss for the resulting vapor flow.
  • the efficiency of the evaporator can be improved without the use of circulating pumps or other actively moving parts in a vacuum.
  • compact evaporators can be provided which can be used in various fields.
  • the porous material has a high chemical and thermal long-term stability and compatibility with the materials used in the evaporator or a sorption machine.
  • the porous material is inert and does not undergo chemical reaction with the refrigerant or is not chemically altered.
  • the porous material can advantageously save manufacturing costs and reduce the weight of the evaporator.
  • the evaporators can be made individually for a specific process, wherein the material can be filled as a filling preferably after the completion of the evaporator in these.
  • the material can advantageously also to components of the heat exchanger, comprising z. As pipes or channels are immobilized. Immobilization preferably takes place by adhesion and / or introduction into crosslinked structures.
  • the heat exchanger surface increasing pipe attachments or structures selected from the group comprising plates, nets, ribs, bulges, 2- or 3-dimensional grid structures and / or lamellae, to which the material preferably attachable or attached is. Due to the surface enlarging components, the heat exchange surface is significantly increased, so that the efficiency and efficiency of the heat exchanger is improved.
  • the material can be poured into the heat exchanger and / or attached to the components.
  • For fastening adhesives may preferably be used which produce a permanent connection between the component and material. The material distributes the refrigerant, in particular by capillary forces evenly in the heat exchanger, in particular the evaporator.
  • the fiber material is preferably selected from the group comprising metal fibers, gypsum fibers, anhydrite fibers, felt fibers, tobermorite fibers, wollastonite fibers, xonotlite fibers, rockwool fibers, cotton fibers, cellulose fibers, polyester fibers, polyamide fibers, methacrylic acid ester fibers, polyacrylic fibers, nitrile fibers, polyethylene fibers, polypropylene fibers and / or silicate fibers, in particular glass fibers.
  • the different fiber materials can be used for different evaporators depending on their mode of operation and location.
  • the fiber materials may also be advantageous to mix the fiber materials or to insert, for example, metallic chips or wool, which cause an increase in the vapor permeability and / or the thermal conductivity.
  • slurries of the fibers can be used, which are filled in the evaporator. Experiments have shown that especially felt sponges are advantageous and have high capillary forces.
  • the refrigerant can be optimally distributed in the evaporator, wherein the Aufschissemmisme allow escape and flow through the refrigerant vapor.
  • the refrigerant is distributed through the capillary forces of the fibrous material and through diffusion forces in it and in the evaporator, which in turn produces optimum contact between the heat transfer surface - the tubes and / or the pipe appendages - and the refrigerant.
  • the effectiveness of the evaporator is thus improved. In addition, it can be produced by an improved efficiency, a smaller and more compact evaporator.
  • the fiber material is introduced as a slurry in the evaporator.
  • the fiber material can be comminuted by means of mechanical devices known to those skilled in the art for comminuting a wide variety of materials become.
  • the fiber material can be shredded or shredded.
  • the crushed material is preferably mixed with a liquid, such as water, to form a slurry.
  • the slurry may be dried and introduced into the evaporator as a dried, porous and vapor-open slurry. It has surprisingly been found that the dried slurry can be quickly and easily introduced into the evaporator.
  • the dried porous slurry can be shaken into the evaporator.
  • the evaporator is preferably placed on a vibrator. By shaking the porous slurry is shaken into the evaporator and distributed in this.
  • the dried slurry substantially completely fills the evaporator and forms vapor channels for the refrigerant during operation of the evaporator.
  • the introduction can also be achieved by means of a vibrator.
  • the liquid used to make the slurry can be used as a refrigerant in the evaporator.
  • the wet slurry is introduced into the evaporator and the liquid is vaporized by thermal energy, the slurry forming vapor channels that allow the flow of the resulting vapor. It was surprising that the incorporated slurry improves the efficiency of the evaporator by optimally distributing the refrigerant through the slurry in the evaporator and evaporating faster by contact with the heat exchange surfaces.
  • Fig.1 shows an example of a heat exchanger described in the prior art.
  • the heat exchanger 1 is flooded with refrigerant 2 and the refrigerant 2 completely covers the tube 3. Also, the fins 4 are almost completely surrounded by the refrigerant 2.
  • the flooded heat exchanger 1 disclosed in the prior art shows that the flooded heat exchanger surface, that is to say the surface below the refrigerant surface 5, is not or only limitedly available for effective heat transfer 7.
  • the introduction of surface-increasing attachments (slats 4) is not effective because they are possibly flooded by the refrigerant 2 and hardly evaporates refrigerant 2.
  • the phase change of the refrigerant takes place exclusively on the horizontal refrigerant surface 5.
  • Fig. 2 shows an example of a heat exchanger according to the invention.
  • a porous material 6 is filled, which may for example consist of glass fiber. Different structures or shapes of the glass fiber can be used. Examples of this are glass chips or glass fiber cords.
  • the heat exchanger 1 is preferably completely filled with the material 6. However, it may also be preferable to fill the heat exchanger 1 only partially.
  • the material 6 may be directly connected to the pipe 3 and / or the pipe extensions, for example, the slats 4. However, it may also be preferred that the material 6 is in contact with the tube 3 and / or tube appendages 4, without being connected to them by means of a cohesive connection.
  • a refrigerant 2 introduced into the heat exchanger 1 is taken up by the material 6 and distributed by capillary forces in the heat exchanger 1.
  • an optimal distribution of the refrigerant 2 is achieved in the heat exchanger 1 and the heat exchange surface is increased. This improves the efficiency of the heat exchanger 1.
  • the heat exchanger consists of tube packages which are arranged in planes. Between the planes are preferably created spaces that can also be filled with the porous material.
  • Fig. 3 A) and B sketch a tilting operation of an evaporator described in the prior art.
  • a disadvantage of the evaporator 1 described in the prior art is that they must be positioned horizontally. When tilting the evaporator / heat exchanger 1 occurs refrigerant from the evaporator 1, whereby this refrigerant is the evaporator 1 initially lost, can not evaporate and may need to be re-supplied.
  • the use of the heat exchange surface of the tubes 3 or pipe attachments 4 is reduced by tilting, which may also be caused by centrifugal forces.
  • the evaporator according to the invention can be advantageously used in an inclined position.
  • Fig. 4 A) -E represent a preferred evaporator with fiber material.
  • Fig. 4 A) shows an evaporator with fiber material 6, in which the fiber material 6 completely fills the evaporator 1 and is arranged between the pipe appendages 4. In the dry state, the fiber material 6 is in particular completely vapor-permeable (see Fig. 4C) ).
  • Fig. 4B) shows an enlargement of the trapped between the pipe appendages 4 fiber material.
  • 6 Fig. 4 E) represents a preferred fiber material 6 in the dry state in the evaporator 1. The fiber material 6 is vapor-permeable in the dry state.
  • Fig. 4 A) shows an evaporator with fiber material 6, in which the fiber material 6 completely fills the evaporator 1 and is arranged between the pipe appendages 4. In the dry state, the fiber material 6 is in particular completely vapor-permeable (see Fig. 4C) ).
  • Fig. 4B) shows an enlargement of the trapped between the
  • FIG. 4 D shows that by absorbing the refrigerant and / or by forming a slurry or slurry, through which, if necessary, an improved filling of the fiber material 6 can be achieved, there is an almost complete closure of possible vapor paths or channels.
  • Fig. 4 E) shows that by drying the slurry and / or at a first steam discharge / vapor evolution of the refrigerant steam channels 8 are formed, which make the entire structure again permeable to vapor.
  • the refrigerant vapor may flow through the slurry.
  • Fig. 5 outlines transport mechanisms that can take place in a preferred evaporator.
  • the liquid refrigerant 9 (block arrows) is distributed in the evaporator 1 by the capillary forces of the porous material 6, for example glass fibers, and wets a heat exchanger surface comprising tubes 3 and / or tube appendages 4 in a thin liquid film 11.
  • the porous material 6 transports continuously liquid refrigerant 9 to the pipes 3 and / or pipe attachments, whereby a particular constant wetting of the heat exchange surface with liquid refrigerant 9 is achieved.
  • the thin refrigerant film 11 can evaporate quickly.
  • the resulting vaporous refrigerant 10 can escape through the porous vapor-open structure of the material 6 from the evaporator 1.
  • Fig. 6 shows fluid flows in a preferred evaporator.
  • the refrigerant can be introduced at different locations in the evaporator 1.
  • Fig. 6 shows preferred feeds for the refrigerant 12.
  • the refrigerant may, for example, bottom, top or center are introduced into the evaporator 1.
  • the porous material present in the evaporator 1 distributes the refrigerant optimally in the evaporator 1 by means of capillary forces.
  • the liquid refrigerant 9 is transported by the porous material in the evaporator, whereby a refrigerant film is formed on the heat exchanger surfaces. The film is vaporized by the input of thermal energy, whereby the vaporous refrigerant 10 can escape through the porous vapor-open material.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für Sorptionsmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es offenbart ferner auch die Verwendung eines Solchen Verdampfen, GB 654,396 offenbart einen solchen Verdampfen.
  • Sorptionsmaschinen bestehen in der Regel aus einem oder mehreren Sorbern, einem Kondensator und einem Verdampfer. Im Verdampfer findet der Phasenwechsel des Kältemittels zwischen flüssig und gasförmig statt. Dabei wird dem Kältemittel Wärme entzogen. Dementsprechend ist dies der eigentlich Prozess der Kälteerzeugung. Treibende Kraft für diesen Vorgang ist die Dampfdruckabsenkung durch die Sorptionsvorgänge sowie das Verdampfen des Kältemittels durch die aus dem Wärmeträgerfluid übertragene thermische Energie.
  • Dem Verdampfer-Wärmetauscher wird in der Regel über ein Wärmeträgerfluid (z. B.: Luft, Wasser, Sole etc.) Wärme auf niedrigem Temperaturniveau zugeführt. Je geringer die Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmeträgerfluid und dem Kältemittel, desto effektiver ist der Verdampfer-Wärmetauscher und damit auch die Sorptionsmaschine selbst.
  • Bei Sorptionsmaschinen handelt es sich in der Regel um Anlagen mit dem Kältemittel Wasser z. B. bei den verbreiteten Stoffpaarungen: Lithiumbromid - Wasser (Absorption) oder Silikagel - Wasser (Adsorption) bzw. Zeolith - Wasser (Adsorption). Wasser verdampft bei niedrigen Temperaturen nur im Unterdruckbereich (z. B. bei 10°C und 12,3 mbar absolut). Dementsprechend handelt es sich in der Regel bei Sorptionsmaschinen um Vakuumreaktoren, die im Unterdruck betrieben werden. Aufgrund des sehr niedrigen Absolutdruckes ergeben sich bestimmte Eigenarten und Randbedingungen bzgl. des Verdampfer-Design, die in der Regel dazu führen, dass klassische Verdampfer-Bauformen aus z. B. Kompressionskältemaschinen keine Anwendung finden, denn klassische Kompressionsmaschinen benutzen in der Regel Kältemittel die im Überdruckbereich arbeiten. Der Betrieb im Unterdruckbereich führt beispielsweise zu sehr geringen Dichten bzw. großen spez. Volumina des Kältemittels. Dies führt beispielsweise zu unüblichen hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Kältemitteldämpfe, so dass auf eine großzügige Dimensionierung der Dampfstromwege innerhalb der Anlage großes Augenmerk gelegt werden muss. Trotzdem kommt es nicht selten in Sorptionsmaschinen zu Dampfstromgeschwindigkeiten von >50m/s oder 100m/s.
  • Auf Grund des niedrigen Absolutdrucks darf der hydrostatische Druck des flüssigen Kältemittels nicht vernachlässigt werden und ist ein wichtiges Auslegungskriterien. Je nach Füllstandshöhe kann dieser Druck einige mbar betragen, was bei einem Betriebsdruck von nur wenigen mbar_absolut erhebliche Auswirkung auf den Verdampfungsprozess hat.
  • Des Weiteren werden Verdampfer von Sorptionsmaschinen in der Regel nicht im Bereich des Blasensiedens betrieben, da dies eine treibende Mindesttemperaturdifferenz bedeuten würde, welche für Sorptionsmaschinen in der Regel nicht wünschenswert bzw. akzeptabel sind.
  • Eine im Bereich der Absorptionsmaschinen (Flüssig-Sorption) sehr verbreitete Verdampfer-Bauformen ist der Rieselfilmverdampfer. Dabei wird mittels einer Umwälzpumpe das Kältemittel umgepumpt und mittels geeigneter Verteilsysteme in einem dünnen Film über die Wärmeaustauschflächen geleitet. Diese führt zu sehr hohen Wärmeübergangskoeffizienten, da sich beispielsweise die Turbulenz im Film als auch die sehr geringen Dicke des Films positiv auf den Verdampfungsprozess auswirken.
  • Im Bereich der Adsorptionswärmepumpen gibt es darüber hinaus auch den Ansatz des überfluteten Verdampfers. Hier wird ein Wärmetauscher mit dem Kältemittel geflutet. Das Wärmeträgerfluid strömt somit in den Rohren oder Kanälen des Wärmetauschers. In der Regel sind auf den Rohren des Wärmetauscher flächenvergrößernde Elemente angebracht, wie z. B. Lamellen oder Rippen.
  • Da es sich bei Sorptionsmaschinen häufig um Vakuumreaktoren handelt, ist der Einsatz von aktiv bewegten Komponenten wie z. B. Ventile oder Umwälzpumpen als nachteilig anzusehen, da diese Komponenten hinsichtlich der Vakuumdichtigkeit und Wartbarkeit große Probleme darstellen. Grundsätzlich ist der Vermeidung von Pumpen oder Ventilen natürlich auch aus Kostengründen und wegen des Stromverbrauchs angebracht. Deshalb bietet es sich insbesondere für Adsorptionsmaschinen an, auf einen Rieselfilmverdampfer zu verzichtet, um somit den Einsatz von Umwälzpumpen zu umgehen.
  • Setzt man stattdessen einen überfluteten Verdampfer ein, zeigt sich, dass die überflutete Wärmetauscherfläche, also die Fläche unterhalb der Wasseroberfläche nur begrenzt für einen effektiven Wärmeübergang zur Verfügung steht. Insbesondere wirken sich flächenvergrößerende Elemente nicht sehr effektiv auf den Wärmeübergang aus, da diese ggf. von dem Kältemittel überflutet sind. Dies kann u.a. mit dem hydrostatischen Druck des Kältemittels aber auch mit dem blockiertem Dampfweg erklärt werden, welche bei einer Verdampfung unterhalb der Kältemitteloberfläche durch das flüssige Kältemittel führen würde.
  • Um diese Nachteile zu umgehen wurden beispielsweise apparativ sehr aufwändige Verdampfer gebaut, die das Kältemittel in mehreren flachen Ebenen verdampfen. Neben dem apparativen Aufwand - wie beispielsweise Kältemittelüberlauf, Auffangwannen für das Kältemittel in jeder Ebene - kommt es hier auch zu dem Problem, dass sich das Kältemittel zwar im Betrieb bei geschickter Auslegung der Wannengrößen und der Überläufe relativ gut auf die Ebenen verteilt, jedoch bei einem Stillstand ohne kontinuierliche Kältemittelzufuhr oder bei verminderter Leistung mit verminderter Kältemittelzufuhr, die Wärmetauscherflächen nicht mehr gut benetzt werden. Hierbei kommt es zu einer verminderten Effektivität des Verdampfers, insbesondere bei einer spontanen Erhöhung der Verdampferleistung.
  • Allen beschriebenen Verdampfern der Stand der Technik ist zusätzlich der Nachteil gemein, dass diese Apparate sehr empfindlich auf Schrägstellungen der Apparate, auf Fliehkräfte die auf das Kältemittel wirken oder sonstige Randbedingungen, die die Kältemittelaufbringung oder -verteilung stören können, reagieren. In der Regel müssen die Verdampfer des Standes der Technik am Aufstellort aufwendig justiert werden und eignen sich auch nicht für mobile Anwendungen.
  • Im Stand der Technik sind Methoden und Apparate beschrieben, die versuchen, die Effektivität des Verdampfers zu verbessern.
  • So offenbart beispielsweise die WO 2008/155543 A2 eine Wärmepumpe, die aus zwei Adsorptionsbehältern besteht, in die jeweils ein Wärmetauscher integriert ist. Als Kältemittel wird ein Gas verwendet, welches an einem Adsorptionsmaterial adsorbiert. Durch einen Energieeintrag kann das Gas wieder von dem Adsorptionsmaterial desorbiert werden. Zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit, können in das Adsorptionsmaterial wärmeleitende Materialien eingefügt werden. Die Materialien sind beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium hergestellt und können in unterschiedlichen Formen in das Adsorptionsmaterial eingefügt sein. Die Formen umfassen Flakes, Schäume, Fasern oder Geflechte. Die offenbarte Wärmepumpe muss einen Kompressor verwenden, um das Kältemittel umzupumpen. Hierdurch müssen bewegliche Teile in der Wärmepumpe eingesetzt werden, die beispielsweise regelmäßige Wartungskosten anfallen lassen. Außerdem ist die Verwendung von Pumpen oder Ventilen aus Kostengründen und wegen des Stromverbrauchs zu vermeiden. Die WO 2008/155543 A2 beschreibt mithin nicht, wie die Leistung des Verdampfers verbessert werden kann.
  • Weiterhin offenbart die US 2009/0249825 A1 eine Wärmepumpe, die einen KondensatorNerdampfer enthält. Die Wand des KondensatorsNerdampfers ist mit einer dünnen Matrix beschichtet, die der Aufnahme einer aktiven Substanz (z. B. LiCl) dient. Die aktive Substanz vollzieht in Abhängigkeit von der Betriebsweise der Wärmepumpe eine Aggregatzustandsänderung von flüssig nach fest und umgekehrt. Die Matrix besteht vorzugsweise aus einem inertem Material, wie z. B. Aluminiumoxid. Nachteilig bei der offenbarten Wärmepumpe ist, dass diese eine große Oberfläche aufweisen muss, auf der die Matrix aufgebracht ist. Um den Wirkungsgrad zu verbessern, muss folglich eine große Wärmepumpe bereitgestellt werden, wodurch nicht nur das Gewicht sondern auch die Produktionskosten erhöht werden. Außerdem enthält die Wärmepumpe viele Bestandteile, umfassend die aktive Substanz, die Matrix und ein Kältemittel. Hierdurch ist der Betrieb der Wärmepumpe sehr störanfällig.
  • Aufgabe der Erfindung war es demgemäß, einen Verdampfer für den Verdampfungsvorgang im Unterdruckbereich bereitzustellen, der nicht die Nachteile des Stands der Technik aufweist.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß wurde im Verdampfer nach Anspruch 1 bereitgestellt. Es war völlig überraschend, dass ein Verdampfer bereitgestellt wird, der nicht die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Verdampfer aufweist und lediglich einen Wärmetauscher und das poröse Material umfasst, welches bevorzugt als Schüttung in den Verdampfer eingebracht wird. Es sind vorteilhafterweise keine weiteren Bestandteile, wie eine aktive Substanz oder aktives Medium oder eine Matrix in dem Verdampfer nötig, das heißt, der erfindungsgemäße Verdampfer weist keine aktive Substanz (oder Medium) wie z. B. LiCl auf, welche eine Aggregatzustandsänderung vollzieht. Eine Schüttung bezeichnet im Sinne der Erfindung insbesondere ein Gemenge des porösen Materials, das in schüttfähiger Form vorliegt.
  • Im Sinne der Erfindung bezeichnet ein Wärmetauscher insbesondere einen Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Ein Stoffstrom, der durch die Rohre des Wärmetauschers geleitet wird, ist beispielsweise ein Wärmeträger, bevorzugt umfassend Wasser. Hierbei kann es sich beispielsweise um Wasser mit Kombination mit einem Frostschutzmittel handeln. Selbstverständlich sind auch andere Wärmeträger möglich, wie z. B. Thermoöle. Dieser gibt die thermische Energie an einen weiteren Stoffstrom beispielsweise ein Kältemittel ab. Die Wärmetauscher bestehen bevorzugt aus Metall, beispielsweise Edelstahl, Kupfer, Aluminium und/oder Stahl. Es können jedoch auch Kunststoff, Glas oder Keramik als Material verwendet werden. Der Wärmetauscher ist vorteilhafterweise ein Bestandteil des Verdampfers. Der Wärmetauscher kann im Sinne der Erfindung auch als Verdampfer genutzt werden.
  • Ein poröses Material, welches auch als Material bezeichnet wird, ist im Sinne der Erfindung eine Material, welches mit Poren versehen oder durchlässig ist. Im Sinne der Erfindung kann zwischen Fein-Porösität und Grob-Porösität sowie offener (scheinbarer) Porösität und geschlossener Porösität unterschieden werden. Vorteilhafte Eigenschaften des porösen Materials umfassen stark vergrößerte Oberfläche, Kapillarität oder Transportphänomene. Vorteilhafterweise kann das poröse Material in fester und/oder flüssiger Form in dem Verdampfer vorliegen. Dem Fachmann ist bekannt, dass ein festes Material beispielsweise in Flüssigkeiten aufgelöst werden kann, um so eine Aufschlämmung herzustellen. Eine Aufschlämmung bezeichnet im Sinne der Erfindung insbesondere ein heterogenes Stoffgemisch aus einer Flüssigkeit und darin verteilten Feststoffen. Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Aufschlämmung ebenfalls als Suspension oder Brei bezeichnet werden kann. Es kann auch bevorzugt sein, eine Aggregatzustandsänderung des porösen Materials von fest nach flüssig oder umgekehrt hervorzurufen.
  • Ein Rohr beschreibt im Sinne der Erfindung einen länglicher Hohlkörper, dessen Länge in der Regel wesentlich größer als sein Querschnitt ist. Es kann auch einen rechteckigen, ovalen oder anderen Querschnitt aufweisen.
  • Ein Kanal beschreibt im Sinne der Erfindung einen freien Querschnitt in einer Struktur, durch den ein Medium fließen kann. Dieser freie Querschnitt kann z. B. offen sein zu anderen freien Querschnitten, wie es in einem Plattenwärmetauscher der Fall ist. Dem Fachmann ist bekannt, dass Rohre und Kanäle im Hinblick auf das Durchleiten von Medien äquivatente Mittel darstellen können.
  • Das Fluid, welches beispielsweise Wasser oder einen sonstigen Wärmeträger umfasst, wird durch die Rohre geleitet. Es ist bevorzugt, dass die Rohre aus Metall, Kunststoff und/oder keramischen Werkstoffen bestehen. Vorzugsvarianten umfassen Stahl, rostfreier Stahl, Gusseisen, Kupfer, Messing, Nickel-Legierungen, Titan-Legierungen, AluminiumLegierungen, Kunststoff, Kombinationen aus Kunststoff und Metall (Verbundrohr), Kombinationen aus Glas und Metall (Email) oder Keramik. Mehrere Rohre können kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Kraftschlüssige Verbindungen umfassen Spannringe, Formteile, verbogene Rohrstücke, Schrauben oder Nieten. Stoffschlüssige Verbindungen umfassen Kleben, Schweißen, Löten oder Vulkanisieren. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit wird vorteilhafterweise Kupfer oder Aluminium als Material für die Rohre eingesetzt, wobei auch die Verwendung von Edelstahl vorteilhaft sein kann, da dieser hohe statische und dynamische Festigkeitswerte und eine hohe Korrsosionsbeständigkeit aufweist. Rohre aus Kunststoff, beispielsweise Polyvinylchlorid, sind besonders leicht und flexibel und können somit das Gewicht des Wärmetauschers reduzieren. Keramische Werkstoffe, umfassend baukeramische Werkstoffe, weisen eine hohe Stabilität und lange Haltbarkeit auf. Besonders vorteilhaft sind Kombinationen der aufgeführten Materialien, da somit unterschiedliche Stoffeigenschaften kombiniert werden können. Die bevorzugten Materialien genügen den hohen fertigungstechnischen Ansprüchen eines Wärmetauschers, da sie stabil gegenüber hohen Temperaturen oder variierenden Drücken sind.
  • Vorteilhafterweise weist der Wärmetauscher flächenvergrößernde Rohranhänge oder Strukturen, insbesondere Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen, 2- oder 3-dimensionale Gitterstrukturen und/oder Lamellen auf. Die flächenvergrößernden Rohranhänge oder Strukturen umfassen im Sinne der Erfindung Mittel, die eine Oberflächenvergrößerung der Rohre und/oder Kanäle und so eine Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche bewirken. Die Mittel umfassen beispielsweise Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen, 2- oder 3-dimensionale Gitterstrukturen und/oder Lamellen. Die Mittel sind bevorzugt in einem regelmäßigen oder unregelmäßigen Abstand auf den Rohren aufgebracht. Der Fachmann kann eine optimale Anordnung der flächenvergrößernden Anhänge mittels Routineversuchen empirisch ermitteln. Bevorzugt sind die Mittel aus Metall, beispielsweise Edelstahl, Stahl, Kupfer oder Aluminium gefertigt, da diese einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweisen und einen optimalen Wärmeaustausch, beziehungsweise Wärmeleitung garantieren. Dem Fachmann ist bekannt, dass er verschiedenste Materialien einsetzen kann.
  • Ein Fluid wird durch die Rohre und/oder Kanäle beziehungsweise den Wärmetauscher geleitet und überträgt thermische Energie auf das Material des Wärmetauschers. Im Betrieb einer Sorptionsmaschine, beispielsweise einer Adsorptionskältemaschine wird ein Kältemittel durch die Maschine geleitet, wobei das Kältemittel beim Durchleiten Aggregatzustandsänderung erfährt. Der Wärmetauscher wird bevorzugt als Verdampfer genutzt, so dass das Kältemittel bevorzugt in diesem verdampft wird. Hierzu wird das flüssige Kältemittel in den Wärmetauscher eingetragen und benetzt die Oberfläche der Wärmetauscherrohre und/oder der flächenvergrößernden Rohranhänge. Das Kältemittel kann sich auch in Schalen oder Sümpfen sammeln, die bevorzugt im Verdampfer angeordnet sind. Vorteilhafterweise ist das in den Schalen oder Sümpfen vorliegende Kältemittel in Kontakt mit wenigstens einer Oberfläche des Wärmetauschers. Bei dem direkten Kontakt zwischen Kältemittel und Wärmetauscheroberfläche, die insbesondere die Wärmetauscherrohre und/oder die flächenvergrößernden Rohranhänge umfasst, wird thermische Energie von den Rohren und/oder den Rohranhängen auf das Kältemittel übertragen, was eine Aggregatzustandsänderung des Kältemittels bewirkt und das Kältemittel in eine Dampfphase überführt. Vorteilhafterweise steht der Wärmetauscher beziehungsweise die Rohre und/oder Rohranhänge mit einem dampfoffenen insbesondere porösen Material in Kontakt. Das Material wird vorzugsweise als Schüttung in den Verdampfer eingebracht und füllt vorteilhafterweise den Verdampfer vollständig aus, so dass das flüssige Kältemittel durch das Material optimal in dem Verdampfer verteilt werden kann. Das poröse Material weist bevorzugt hohe Kapillarkräfte auf, so dass das Kältemittel durch Kapillarkräfte der Schüttung in dem Verdampfer verteilt wird, sobald es mit dem Material in Kontakt kommt. Das Kältemittel benetzt so bevorzugt in einem dünnen Film die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers und verdampft, wobei der Dampf vorteilhafterweise durch die bevorzugt dampfoffene Struktur des Materials strömen kann. Experimente haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad des Verdampfers durch die Einbringung des dampfoffenen porösen Materials in diesen, verbessert wird. Vorteilhafterweise kann ein Verdampfer bereitgestellt werden, bei dem sich die Wärmetauscheroberfläche nicht mit dem Kältemittel in den Schalen oder Sümpfen in direktem Kontakt befinden muss. Die bevorzugten Verdampfer können kleiner dimensioniert werden und sind insbesondere ohne Schalen oder Sümpfe herstellbar, da das Kältemittel von dem porösen Material durch Kapillarkräfte in dem Verdampfer verteilt wird. Vorteilhafterweise kann das Kältemittel an jeder beliebigen Stelle in den Verdampfer eingetragen werden. Hierdurch ist es weiterhin möglich, einen Verdampfer, in den das poröse Material als Schüttung eingebracht wurde, in Schräglage oder Schrägstellung zu vewenden, was einen erheblichen Vorteil gegenüber dem im Stand der Technik offenbarten Verdampfer darstellt. Das heißt, es ist durch die erfindungsgemäßen Merkmale des Verdampfers nicht notwendig, diesen horizontal zu positionieren. Der Verdampfer kann horizontal oder in Schrägstellung betrieben werden. Eine Schrägstellung bezeichnet im Sinne der Erfindung insbesondere eine nicht-horizontale Lage des Verdampfers. Da das poröse Material unabhängig von der jeweiligen Lage des Verdampfers das Kältemittel aufsaugt und speichert, funktioniert ein erfindungsgemäßer Verdampfer insbesondere auch im mobilen Einsatz. Dort kommt es auch bei starken Fliehkräften oder aufgrund von Rüttelbewegungen zu keiner Beeinträchtigung der Verdampferleistung, da das Kältemittel jederzeit optimal auf dem Verdampfer bzw. Rohranhängen verteilt wird.
  • Das poröse Material verteilt das Kältemittel im Wesentlichen gleichmäßig in dem Verdampfer, insbesondere dem Wärmetauscher, ohne den im Verdampfer entstehenden Dampf in seinem Strömungsweg zu blockieren. Nachteile wie der hydrostatische Druck des Kältemittels sowie eine suboptimale Kältemittelverteilung nach einem Stillstand oder im Teillastbetrieb werden ebenfalls vermieden. Das Kältemittel wird in den Verdampfer eingeführt und durch Kapillarkräfte des Materials von dem Material bevorzugt teilweise und/oder vollständig aufgenommen und in diesem verteilt. Das Material saugt das Kältemittel auf und speichert und/oder transportiert es, woraus im Wesentlichen kein Druckverlust für die entstehende Dampfströmung entsteht.
  • Das Material steht bevorzugt zumindest teilweise in Kontakt mit dem Wärmetauscher, wodurch thermische Energie auf das Material beziehungsweise auf das von dem Material aufgenommene Kältemittel übertragen wird.
  • Ebenfalls wird die wärmeleitende Oberfläche des Wärmetauschers und/oder der Anhänge vorteilhafterweise von einem dünnen Kältemittelfilm benetzt. Das Kältemittel wird durch die Aufnahme der thermischen Energie, die von dem Wärmetauscher und/oder den Anhängen übertragen wird, verdampft. Durch die vorteilhafte poröse Struktur des Materials, kann der Dampf entweichen und den Wärmetauscher durchströmen, wobei bevorzugt kein Druckverlust für die Dampfströmung innerhalb des Wärmetauschers entsteht.
  • Bei einem vorteilhaften Verdampfer ist für die Umwälzung des Kältemittels und für dessen Einfuhr in den Verdampfer keine Pumpe oder sonstige aktiv bewegten Teile notwendig. Das Kältemittel wird durch das poröse Material im Wesentlichen gleichmäßig in dem Verdampfer verteilt. Es ist ein effektiver Betrieb des Verdampfers und der Sorptionsmaschine ohne einen großen apparativen Aufwand möglich. Außerdem ist die Wartung des Verdampfer wesentlich vereinfacht und die Kosten für den Verdampfer sind reduziert, da durch das Material ein kompakter und leichter Verdampfer herstellbar ist. Der vorteilhafte Verdampfer erfüllt die Anforderungen, die an im Vakuum eingesetzte Materialien gestellt werden. Er weist eine überraschend hohe chemische, thermische Langzeitstabilität auf, die insbesondere bei unterschiedlichen Betriebsweisen der Sorptionsmaschinen notwendig ist.
  • Es ist bevorzugt, wenn das poröse Material ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend, Sand, Glaskugeln, Glasfasern, Ton, Mineralwolle, Schaumglas, Zellulose, Hartschaum, Glaswolle, Metallwolle oder -späne, -fasern, -strukturen, -feinstrukturen, -fäden, Steinwolle, Schlackenwolle, Blähglas, Perlit, Kalziumsilikat, Naturbims, Keramikfasern, Keramikschaum, Silikatschaum, Gipsschaum, pyrogene Kieselsäure, Flachs, Polyesterfasern, Phenolharz-Hartschaum, Filz oder eine Mischung dieser. Sand bezeichnet im Sinne der Erfindung klastische Gesteine, die lockere Anhäufungen von abgerundeten oder eckigen, insbesondere 0,06-2 mm großen Körnchen darstellen. Sand weist besonders hohe Kapillarkräfte und ein großes Wasserbindevermögen auf. Ton bezeichnet im Sinne der Erfindung ein körniges, den bindigen Lockergesteinen zugerechnetes unverfestigtes Sedimentgestein, das im Wesentlichen aus Mineralpartikeln besteht. Ton weist bevorzugt eine seifenartige Konsistenz im feuchten Zustand auf und hat ein hohes Wasserbindevermögen, eine hohe Quellbarkeit und eine hohe Adsorptionskapazität gegenüber vielen anorganischen und organischen Stoffen. Es kann auch bevorzugt sein, dass eine Aufschlämmung eines ursprünglich porösen Materials in den Verdampfer eingefüllt wird, wobei die Aufschlämmung ein poröses Material im Sinne der Erfindung ist.
  • Es war völlig überraschend, dass die bevorzugten porösen Materialien in einem Verdampfer verwendet werden können. Dem Fachmann ist bekannt, dass die bevorzugten porösen Materialien teilweise nicht oder nur schlecht wärmeleitend sind, wodurch ein Fachmann sie nicht in einem Wärmeleitprozess, wie in einem Verdampfer, einsetzen würde. Experimente haben aber gezeigt, dass wenn das bevorzugte poröse Material insbesondere als Schüttung in den Verdampfer eingebracht wird, der Wirkungsgrad des Verdampfers erheblich verbessert wird. Die vorteilhaften Materialien sind porös und bestehen aus einem Kältemittel anziehendem Material, wobei das Kältemittel auch innerhalb des porösen Materials oder in Zwischenräumen des porösen Materials transportiert wird. Die Materialien weisen vorteilhafterweise viele Hohlräume, bei einem geringen Gewicht auf. Der Dampf, der durch die Verdampfung des Kältemittels entsteht, kann vorteilhafterweise durch die Hohlräume strömen, was eine kontinuierliche Betriebsweise des Verdampfers sicherstellt. Die Materialien sind kostengünstig herzustellen, wobei auch Abfallprodukte nutzbar sind, die insbesondere unter ökologischen Gesichtspunkten günstig sind. Die bevorzugten porösen Materialien weisen hohe Kapillarkräfte auf und verteilen das Kältemittel optimal in dem Verdampfer
  • Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Verwendung von Glasfaser als poröses Material. Glasfasern sind bevorzugt dünne Fäden, die aus Glas hergestellt sind und eine hohe Zug- und Druckfestigkeit aufweisen. Die Glasfaser hat bevorzugt eine amorphe Struktur und isotrope mechanische Eigenschaften. Die Glasfaser können in unterschiedlichen Stärken vorliegen, beispielsweise 0,1-3 µm (dünne Glasfasern), 3-12 µm (schwache Glasfasern), 12-35 µm (starke Glasfasern), 35-100 µm (elastische Glasfasern) und/oder 100-300 µm (dicke Glasfasern). Hierdurch sind vorteilhafterweise unterschiedliche Strukturen und Formen aus den Glasfasern herstellbar, wodurch sie an unterschiedliche Wärmetauscher- oder Verdampferformen und -rößen anpassbar sind. Weiterhin können die Glasfasern aus Spezialgläsern hergestellt sein, beispielsweise Faserglas oder Glas umfassend Quarzglas, Kalk-Natron-Glas, Floatglas, Bleikristallglas und/oder Borosilikatglas. Die Glasfasern sind bevorzugt als Glasfaserschnitzel, -schnüre, -roving, -matten, -gewebe und/oder -perlen ausgebildet. Glasfaserschnitzel sind insbesondere kurze 3 mm lange Abschnitte aus Glasfasern, bevorzugt mit und/oder ohne einer Silanebeschichtung. Sie können jedoch auch mit Polyester- oder Epoxidharz beschichtet werden. Vorteilhafterweise sind Glasfaserschnitzel besonders günstig herstellbar. Außerdem entsteht durch die Struktur der Schnitzel überraschenderweise eine hoch poröse Füllung.
  • Die Glasfasern können auch als Glasfaserschnüren mit praktisch unbegrenzter Länge oder begrenzter Länge verarbeitet werden. Hierbei sind Strukturen wie beispielsweise Garn, Spinnfäden, Zwirn oder Kordeln in den Verdampfer einführbar. Die Strukturen weisen hohe Kapillarkräfte auf, wodurch das Kältemittel auch in länglich ausgestalteten Verdampfern gleichmäßig verteilt wird. Glasfaserroving sind bevorzugt eine bestimmte Anzahl parallel zu einem Strang zusammengefasster Glasfaser-Spinnfäden, die eine große Menge an Kältemittel aufnehmen können. Ebenfalls wie die Glasfasermatten oder Glasfasergewebe, können die Glasfaserroving bevorzugt in Verdampfern verwendet werden, die eine hohe Leistung erbringen müssen.
  • Die Glasfaserperlen weisen bevorzugt eine runde Form auf. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, dass auch ovale oder im Wesentlichen runde Strukturen als Perlen bezeichnet werden. Es ist auch bevorzugt, dass die unterschiedlichen Glasfaserstrukturen miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können Glasfaserperlen an einer Glasfaserschnüre befestigt werden. Durch diese Kombinationen ist das Einsatzgebiet der Glasfaser als poröses Material in einem Verdampfer wesentlich vergrößert und es können im Wesentlichen alle Verdampferformen mit den Strukturen befüllt werden. Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Glasfaser leicht bearbeitbar ist, das heißt das Material kann einfach und schnell an unterschiedliche Betriebsweisen der Sorptionsmaschinen angepasst werden.
  • Es ist in einer weiteren Ausführungsform bevorzugt, dass das Material auf dem Rohr aufgebracht ist, insbesondere indem das Material die Rohre des Wärmetauschers zumindest teilweise ummantelt oder beschichtet. Das Material kann vorteilhafterweise die Rohre des Wärmetauschers vollständig ummanteln oder beschichten. Hierbei ist das Material beispielsweise mit mindestens einem Rohr wirkverbunden. Das Material kann durch stoffschlüssige Verbindungen, wie beispielsweise Kleben oder andere an dem Rohr angebracht sein. Durch diese Anordnung wird das durch das Material aufgenommene Kältemittel in direkten Kontakt mit dem Rohr, das heißt der Wärmeaustauschfläche gebracht. So ist eine effiziente Wirkungsweise des Wärmetauschers garantiert und das Kältemittel kann schnell in die Dampfphase überführt werden. Das Material kann jedoch auch nur in räumlicher Nähe zu dem Rohr angeordnet sein, ohne direkt mit diesem in Kontakt zu stehen. Es kann auch vorteilhaft sein, das Material nur teilweise mit einem oder mehreren Rohren zu verbinden. Hierdurch können Bereiche - Rohre die keine Material aufweisen - entstehen, die für sonstige apparative Vorrichtungen, wie beispielsweise Trennwände oder Ventile verwendet werden können.
  • Weiterhin umfasst eine andere bevorzugte Ausführungsform einen Verdampfer, bei dem das poröse Material auf den Rohranhängen des Wärmetauschers aufgebracht ist. Die Rohranhänge sind beispielsweise Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen und/oder Lamellen. Durch diese Anhänge, die vorteilhafterweise mit den Rohren des Wärmetauschers in wärmeleitenden Kontakt stehen, wird die effektive Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers erhöht. Folglich kann es bevorzugt sein, dass das Material ebenfalls oder ausschließlich an die Anhänge angebracht ist oder sich zumindest in räumlicher Nähe zu diesen befindet. Das Material kann ebenfalls stoffschlüssig mit den Anhängen verbunden sein. Jedoch kann es auch vorteilhaft sein, wenn das Material die Anhänge und/oder die Rohre kontaktiert. Durch das variable Einbringen des Materials wird eine Flexibilität bewahrt, die einen einfachen und schnellen Austausch des Materials ermöglicht. Der durch die Rohre geleitete Wärmeträger überträgt thermische Energie auf die Rohre und auf die Rohanhänge. Das Kältemittel wird durch die Kapillarkräfte des porösen Materials gleichmäßig in dem Wärmetauscher verteilt und beschlägt mindestens teilweise die Rohre und die Rohranhänge, wodurch vorteilhafterweise ein dünner Kältemittelfilm oder Tropfen bzw. eine Tropfenstruktur auf diesen entsteht. Das Kältemittel wird durch die aus dem Wärmeträgerfluid übertragenen thermischen Energie verdampft und strömt durch das poröse Material. Bedingt durch die Anordnung des Materials in dem Verdampfer und die Form des Materials an sich, erfolgt im Wesentlichen kein Druckverlust für die Dampfströmung. Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht, dass die Verdampfer als Einheit zum Kauf angeboten werden können und das Material beim Transport des Verdampfers nicht aus diesem herausfällt.
  • Vorteilhafterweise sind die Rohranhänge aus Metall gefertigt. Es kann auch bevorzugt sein, einen Verdampfer bereitzustellen, bei dem die flächenvergrößernde Rohranhänge und/oder Strukturen porös sind. Die porösen Rohranhänge und/oder Strukturen, die Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen und/oder Lamellen umfassen, weisen insbesondere eine poröse Oberfläche auf, die das Kältemittel durch Kapillarkräfte verteilen und thermische Energie auf das Kältemittel übertragen. Hierfür kann lediglich die Oberfläche der Rohranhänge porös gefertigt sein. Dies kann beispielsweise durch die Aufbringung einer porösen Schicht auf die Rohranhänge erreicht werden. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Rohranhänge an sich porös zu gestalten, indem beispielsweise das Material, insbesondere die Oberfläche oxidiert wird. Dem Fachmann ist bekannt, dass durch eine gezielte Oxidation, Oberflächen aufgeraut und porös werden. Die aufgeraute Oberfläche weist eine vergrößerte und bevorzugt poröse Oberfläche auf, die das Kältemittel mittels Kapillarkräften verteilt, wodurch sich ein dünner Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche bildet, der durch thermische Energie schnell in den Dampfzustand überführt werden kann. Die Rohranhänge können bevorzugt auch als Metallfasern ausgeführt sein, wobei das Kältemittel durch zwischen den Fasern gebildtete Hohlräume transportiert wird. Vorteilhafterweise können die Rohranhänge als Rippenrohre gestaltet sein, bei denen das Kältemittel durch die Rippen mittels Kapillarkräften verteilt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine hydrophile Schicht auf den Wärmeaustauscher und/oder flächenvergrößernde Rohranhänge und/oder Strukturen aufgetragen. Die hydrophile Schicht kann auf die Oberfläche des Verdampfers, insbesondere des Wärmetauschers und/oder flächenvergrößernde Rohranhänge aufgebracht sein. Hydrophilie bezeichnet im Sinne der Erfindung, dass die aufgetragene Schicht wasseranziehend ist und/oder Wasser dünnflächig verteilt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Polymere oder Gele handeln, die bewirken, dass das Kältemittel an der Schicht, beziehungsweise der Oberfläche zu einem dünnen Kältemittelfilm verteilt wird. Durch die Übertragung von thermischer Energie von der Wärmetauscheroberfläche und/oder den flächenvergrößernden Rohranhängen und/oder Strukturen auf den dünnen Film, wird dieser in die Dampfphase überführt.
  • Ein Fluid, welches beispielsweise Wasser oder einen sonstigen Wärmeträger umfasst, wird durch die Rohre geleitet und die Rohre sind derart angeordnet, dass sich Rohrpakete in einer Ebene bilden. Rohrpakete beschreiben im Sinne der Erfindung eine Ansammlung von Rohren, wobei vorzugsweise die Rohrpakete insbesondere als eine Rohschlange in einer Ebene angeordnet sind. Die Ebene kann sich in einer vertikalen oder horizontal oder in einer sonstigen Position befinden. An den Rohren in einer Ebene können Rohranhänge angebracht werden.
  • Zwischenräume bezeichnen im Sinne der Erfindung einen Hohlraum in dem Wärmetauscher, der keine funktionellen Bauteile aufweist. Vorteilhaft ist eine alternierende Anordnung der übereinander angeordneten Rohrpakete mit den Zwischenräumen, das heißt zwischen zwei übereinander angeordneten Rohrpaketen entsteht ein Zwischenraum. Bevorzugt beträgt ein Abstand, d. h. der Zwischenraum, zwischen zwei Rohrpaketen 0,2 bis 1,0 cm, besonders bevorzugt 0,5 cm. Es können aber auch kleinere oder größere Abstände bevorzugt sein. Die Rohrpakte können in unterschiedlichen Winkeln zueinander übereinander angeordnet werden. Hierbei ist eine im Wesentlichen parallele Anordnung der Rohrpakete vorteilhaft. Jedoch weiß der Fachmann, dass eine im Wesentlichen parallele Anordnung auch eine Anordnung der Rohrpakete umfasst, die von einer idealisierten Parallelität um 5-10 Grad abweicht.
  • Die bevorzugte Anordnung der Rohre im Wärmetauscher ermöglicht beispielsweise das Einbringen von Auffangschalen in die Zwischenräume, in denen sich bevorzugt Kältemittel ansammelt. Das in den Auffangschalen vorliegende Kältemittel steht bevorzugt in direktem Kontakt mit den Rohren und/oder den Rohranhängen. Durch die Zwischenräume wird weiterhin sichergestellt, dass das Kältemittel den Wärmetauscher optimal durchströmt, wodurch bevorzugt alle Rohre und Rohanhänge als Wärmeaustauschfläche genutzt werden. Hierdurch wird die Effektivität des Wärmetauschers verbessert.
  • Erfindungsgemäß liegt das Material zumindest teilweise auf den Rohren und in den Zwischenräumen positioniert vor. Das Material kann in einfacher Weise in den Verdampfer eingeführt werden und steht vorteilhafterweise in Kontakt mit den Rohren und/oder den Rohranhängen des Wärmetauschers. Hierbei kann das Material beispielsweise auf den Rohren mittels stoffschlüssiger Verbindungen aufgebracht sein. Auch kann das Material die Zwischenräume des Verdampfers oder Wärmetauschers im Wesentlichen vollständig befüllen. Hierdurch wird garantiert, dass das Kältemittel optimal in dem Verdampfer verteilt wird. Das Kältemittel wird durch die Kapillarkräfte des Materials in diesem verteilt und kann so ebenfalls die Zwischenräume, in denen keine Rohre angeordnet sind, überbrücken. Es sind so kompakte und leichte Verdampfer herstellbar, in denen durch das Material das Kältemittel in Kontakt mit den Rohren und/oder Rohranhängen kommt und ein Energietransfer stattfindet, wodurch die Verdampfung des Kältemittels bewirkt wird. Bedingt durch die offene Struktur - gekennzeichnet durch die Zwischenräume und das poröse Material - des Verdampfers kann das Kältemittel den Verdampfer und/oder den Wärmetauscher durchströmen. Es entsteht bevorzugt kein Druckverlust für die Dampfströmung und die Effektivität des Verdampfers wird wesentlich verbessert.
  • Weiterhin ist bevorzugt, dass die Glasfaserschnitzel zumindest teilweise eine größere Länge aufweisen als der Abstand zwischen zwei Lamellen oder Rippen. Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht ein einfaches Befüllen des Verdampfers dem Material. Außerdem ergibt sich durch die bevorzugte Länge eine Vorzugsorientierung des Materials, das heißt, das Material liegt bevorzugt in einer bestimmten Orientierung in dem Verdampfer und Wärmetauscher vor. Hierdurch wird bewirkt, dass das Kältemittel gut von dem Material aufgenommen wird. Außerdem ist so die Kontaktfläche zwischen Material und Rohr beziehungsweise Rohranhänge besonders groß und das Kältemittel wird in direkten Kontakt mit den Rohren und/oder Rohranhängen gebracht, was wiederum eine optimale Wärmeübertragung bewirkt.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung eines porösen Materials als Füllung in einem Verdampfer. Es kann auch bevorzugt sein, dass ein Material, insbesondere ein Fasermaterial als Füllung in den Verdampfer eingeschüttet wird. Eine Faser ist im Sinne der Erfindung ein dünnes und flexibles Gebilde, was aus synthetischen und/oder natürlichen Bestandteilen besteht. Das Material, insbesondere das Fasermaterial kann auf die Rohre und/oder Rohranhänge des Verdampfers, insbesondere des Wärmetauschers aufgebracht sein. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass das Material, insbesondere Fasermaterial nicht auf diese aufgebracht ist, sondern nur in räumlicher Nähe zu den Rohren und/oder Rohranhängen angeordnet ist.
  • Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Verdampfer einen Wärmetauscher aufweisend mindestens ein mit einem Fluid durchströmtes Rohr, Kanal und/oder eine Kombination aus beiden umfasst, welche zumindest teilweise mit einem Kältemittel beaufschlagt werden, wobei das Material den Verdampfer im Wesentlichen vollständig ausfüllt und mit dem Rohr, Kanal und/oder Kombination in Kontakt gebracht vorliegt. Das Kältemittel wird bevorzugt von dem porösen Material aufgesaugt und durch Kapillarkräfte in dem Verdampfer verteilt. Das Material, das bevorzugt als Fasermaterial verwendet wird, verteilt das Kältemittel optimal in dem Verdampfer insbesondere auf die Wärmetauscherflächen des Wärmetauschers, ohne den dort entstehenden Kältemitteldampf in seinem weiteren Strömungsweg zu blockieren. Hierdurch kann der Wirkungsgrad des Verdampfers beziehungsweise des Wärmetauschers erheblich verbessert werden. Außerdem werden keine apparativen Bauteile benötigt, die das Kältemittel umwälzen, um so eine Verteilung des Kältemittels in dem Verdampfer zu erreichen. Es wird überraschenderweise auch eine optimale Kältemittelverteilung nach einem Stillstand oder im Teillastbetrieb des Verdampfers sichergestellt.
  • Insbesondere durch die vorteilhaften physikalischen und chemischen Eigenschaften des porösen Materials, kann das Kältemittel angezogen, transportiert und bevorzugt kurzzeitig gespeichert werden, ohne dass ein Druckverlust für die entstehende Dampfströmung entsteht. Weitere Vorteile sind, dass der Wirkungsgrad des Verdampfers ohne den Einsatz von Umwälzpumpen oder sonstigen aktiv bewegten Teilen im Vakuum verbessert werden kann. Außerdem können kompakte Verdampfer bereitgestellt werden, die in verschiedenen Bereichen einsetzbar sind. Das poröse Material weist eine hohe chemische und thermische Langzeitstabilität und Verträglichkeit mit den in dem Verdampfer oder einer Sorptionsmaschine eingesetzten Materialien auf. Weiterhin ist bevorzugt, dass das poröse Material inert ist und keine chemische Reaktion mit dem Kältemittel eingeht oder auch nicht chemisch verändert wird.
  • Durch das poröse Material können vorteilhafterweise Herstellungskosten eingespart und das Gewicht des Verdampfers reduziert werden. Die Verdampfer können individuell für einen spezifischen Prozess angefertigt werden, wobei das Material als Füllung bevorzugt nach der Fertigstellung des Verdampfers in diesen eingefüllt werden kann. Das Material kann vorteilhafterweise auch an Bauteile des Wärmetauschers, umfassend z. B. Rohre oder Kanäle immobilisiert werden. Bevorzugt erfolgt die Immobilisierung durch Kleben und/oder Einbringen in vernetzte Strukturen.
  • Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass der Wärmetauscher flächenvergrößernde Rohranhänge oder Strukturen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen, 2- oder 3-dimensionale Gitterstrukturen und/oder Lamellen, aufweist, an die das Material bevorzugt anbringbar oder angebracht ist. Durch die flächenvergrößernde Bauteile wird die Wärmeaustauschfläche maßgeblich vergrößert, so dass der Wirkungsgrad und die Effizienz des Wärmetauschers verbessert wird. Das Material kann in den Wärmetauscher eingeschüttet werden und/oder an den Bauteilen befestigt werden. Zur Befestigung können bevorzugt Klebstoffe verwendet werden, die eine permanente Verbindung zwischen Bauteil und Material herstellen. Das Material verteilt das Kältemittel insbesondere durch Kapillarkräfte gleichmäßig in dem Wärmetauscher, insbesondere dem Verdampfer.
  • Das Fasermaterial ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe umfassend Metallfasern, Gipsfasern, Anhydritfasern, Filzfasern, Tobermoritfasern, Wollastonitfasern, Xonotlitfasern, Steinwollfasern, Baumwollfasern, Zellulosefasern, Polyesterfasern, Polyamidfasern, Metacrylsäureesterfasern, Polyacrylfasern, Nitrilfasern, Polyethylenfasern, Polypropylenfasern und/oder Silikatfasern, insbesondere Glasfasern. Vorteilhafterweise können die unterschiedlichen Fasermaterialien für unterschiedliche Verdampfer in Abhängigkeit von derer Betriebsweise und Einsatzort eingesetzt werden. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Fasermaterialien zu mischen oder beispielsweise metallische Späne oder Wolle einzufügen, die eine Erhöhung der Dampfdurchlässigkeit und/oder der Wärmeleitfähigkeit bewirken. Auch können Aufschlämmungen der Fasern genutzt werden, die in den Verdampfer eingefüllt werden. Experimente haben gezeigt, dass insbesondere Filzaufschwämmungen vorteilhaft sind und hohe Kapillarkräfte aufweisen. Das Kältemittel kann so optimal in dem Verdampfer verteilt werden, wobei die Aufschwämmungen ein Entweichen und Durchströmen des Kältemitteldampfes ermöglichen. Das Kältemittel wird durch die Kapillarkräfte des Fasermaterials und durch Diffusionskräfte in diesem und in dem Verdampfer verteilt, wodurch wiederum ein optimaler Kontakt zwischen der Wärmeübertragungsfläche - den Rohren und/oder den Rohranhängen - und dem Kältemittel hergestellt wird. Die Effektivität des Verdampfers wird somit verbessert. Außerdem ist durch einen verbesserten Wirkungsgrad, ein kleinerer und kompakterer Verdampfer herstellbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fasermaterial als Aufschlämmung in den Verdampfer eingebracht. Das Fasermaterial kann mittels dem Fachmann bekannten mechanischen Geräten zum Zerkleinern von unterschiedlichsten Materialien, zerkleinert werden. Beispielsweise kann das Fasermaterial zerhäckselt oder geschreddert werden. Das zerkleinerte Material wird bevorzugt mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser vermischt, wodurch eine Aufschlämmung entsteht. Die Aufschlämmung kann getrocknet und als getrocknete, poröse und dampfoffene Aufschlämmung in den Verdampfer eingebracht werden. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die getrocknete Aufschlämmung schnell und einfach in den Verdampfer eingebracht werden kann. Vorteilhafterweise kann die getrocknete poröse Aufschlämmung in den Verdampfer eingerüttelt werden. Hierbei wird der Verdampfer bevorzugt auf einer Rüttelvorrichtung platziert. Durch die Rüttelbewegung wird die poröse Aufschlämmung in den Verdampfer gerüttelt und in diesem verteilt. Die getrocknete Aufschlämmung füllt den Verdampfer im Wesentlichen vollständig aus und bildet während dem Betrieb des Verdampfers Dampfkanäle für das Kältemittel. Es kann aber auch bevorzugt sein, die Aufschlämmung nicht zu trocknen, sondern in nassen Zustand in den Verdampfer einzubringen. Die Einbringung kann ebenfalls mittels einer Rüttelvorrichtung erreicht werden. Vorteilhafterweise kann die zur Herstellung der Aufschlämmung verwendete Flüssigkeit als Kältemittel in dem Verdampfer genutzt werden. Die nasse Aufschlämmung wird in den Verdampfer eingebracht und die Flüssigkeit wird durch thermische Energie verdampft, wobei die Aufschlämmung Dampfkanäle bildet, die die Strömung des entstehenden Dampfes ermöglichen. Es war überraschend, dass die eingebrachte Aufschlämmung den Wlrkungsgrad des Verdampfers verbessert, indem das Kältemittel durch die Aufschlämmung in dem Verdampfer optimal verteilt wird und durch den Kontakt mit den Wärmeaustauschflächen schneller verdampft.
  • Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert werden, ohne jedoch auf diese beschränkt zu sein.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    Beispiel eines im Stand der Technik beschriebenen Wärmetauschers
    Fig. 2
    Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers
    Fig. 3 A) und B)
    Kippvorgang eines im Stand der Technik beschriebenen Verdampfers
    Fig. 4 A)-E)
    Bevorzugter Verdampfer mit Fasermaterial
    Fig. 5
    Transportmechanismen in einem bevorzugten Verdampfer
    Fig. 6
    Fluidströmungen in einem bevorzugten Verdampfer
  • Fig.1 zeigt ein Beispiel eines im Stand der Technik beschriebenen Wärmetauschers. Der Wärmetauscher 1 ist mit Kältemittel 2 überflutet und das Kältemittel 2 bedeckt das Rohr 3 vollständig. Ebenfalls sind die Lamellen 4 fast vollständig von dem Kältemittel 2 umgeben. Bei dem im Stand der Technik offenbarten überfluteten Wärmetauscher 1 zeigt sich, dass die überflutete Wärmetauscherfläche, also die Fläche unterhalb der Kältemitteloberfläche 5 nicht oder nur begrenzt für einen effektiven Wärmeübergang 7 zur Verfügung steht. Außerdem ist das Einbringen von flächenvergrößernden Anhängen (Lamellen 4) nicht effektiv, da diese ggf. von dem Kältemittel 2 überflutet sind und kaum Kältemittel 2 verdampft. Der Phasenwechsel des Kältemittels findet ausschließlich an der horizontalen Kältemitteloberfläche 5 statt.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers. In dem Wärmetauscher 1 ist ein poröses Material 6 eingefüllt, das beispielsweise aus Glasfaser bestehen kann. Es können unterschiedliche Strukturen oder Formen der Glasfaser verwendet werden. Beispiele hierfür sind Glasschnitzel oder Glasfaserschnüre. Der Wärmeaustauscher 1 ist bevorzugt vollständig mit dem Material 6 befüllt. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, den Wärmetauscher 1 nur partiell zu füllen. Das Material 6 kann direkt mit dem Rohr 3 und/oder den Rohranhängen, beispielsweise den Lamellen 4 verbunden sein. Es kann jedoch auch bevorzugt sein, dass das Material 6 in Kontakt mit dem Rohr 3 und/oder Rohranhängen 4 steht, ohne mit diesen mittels einer stoffschlüssigen Verbindung verbunden zu sein. Ein in den Wärmetauscher 1 eingebrachtes Kältemittel 2 wird von dem Material 6 aufgenommen und durch Kapillarkräfte in dem Wärmetauscher 1 verteilt. Hierdurch wird eine optimale Verteilung des Kältemittels 2 in dem Wärmetauscher 1 erreicht und die Wärmeaustauschfläche wird vergrößert. Hierdurch verbessert sich die Effizienz des Wärmetauschers 1. Vorteilhafterweise besteht der Wärmetauscher aus Rohrpaketen, die in Ebenen angeordnet sind. Zwischen den Ebenen entstehen bevorzugt Zwischenräume, die ebenfalls mit dem porösen Material befüllt sein können.
  • Fig. 3 A) und B) skizzieren einen Kippvorgang eines im Stand der Technik beschriebenen Verdampfers. Ein Nachteil der im Stand der Technik beschriebenen Verdampfer 1 ist, dass diese horizontal positioniert werden müssen. Beim Kippen des Verdampfers/Wärmetauschers 1 tritt Kältemittel aus dem Verdampfer 1, wodurch dieses Kältemittel dem Verdampfer 1 zunächst verloren geht, nicht verdampfen kann und ggf. nochmals zugeführt werden muss. Außerdem wird durch das Kippen, was auch durch Fliehkräfte verursacht sein kann, die Nutzung der Wärmeaustauschfläche der Rohre 3 oder Rohranhänge 4 reduziert. Der erfindungsgemäße Verdampfer kann vorteilhafterweise auch in Schräglage genutzt werden.
  • Fig. 4 A)-E) stellen einen bevorzugten Verdampfer mit Fasermaterial dar. Fig. 4 A) zeigt einen Verdampfer mit Fasermaterial 6, bei dem das Fasermaterial 6 den Verdampfer 1 vollständig ausfüllt und zwischen den Rohranhängen 4 angeordnet ist. In trockenen Zustand ist das Fasermaterial 6 insbesondere vollständig dampfdurchlässig (siehe Fig. 4 C)). Fig. 4B) zeigt eine Vergrößerung des zwischen den Rohranhängen 4 eingeschlossenen Fasermaterials 6. Fig. 4 E) stellt ein bevorzugtes Fasermaterial 6 im trockenen Zustand im Verdampfer 1 dar. Das Fasermaterial 6 ist im trockenen Zustand dampfdurchlässig. Fig. 4 D) zeigt, dass durch Aufnahme des Kältemittels und/oder durch Bildung einer Aufschlämmung oder Brei, durch die ggf. eine verbesserte Einfüllung des Fasermaterials 6 erreicht werden kann, es zu einer fast vollständigen Verschließung möglicher Dampfwege oder -kanäle kommt. Fig. 4 E) zeigt, dass durch eine Trocknung der Aufschlämmung und/oder bei einer ersten Dampfabfuhr/ Dampfentwicklung des Kältemittels Dampfkanäle 8 entstehen, die die Gesamtstruktur wieder dampfdurchlässig machen. Der Kältemitteldampf kann die Aufschlämmung durchströmen.
  • Fig. 5 skizziert Transportmechanismen, die in einem bevorzugten Verdampfer stattfinden können. Das flüssige Kältemittel 9 (Blockpfeile) wird durch die Kapillarkräfte des porösen Materials 6, beispielsweise Glasfasern, in dem Verdampfer 1 verteilt und benetzt eine Wärmetauscherfläche, umfassend Rohre 3 und/oder Rohranhänge 4 in einem dünnen Flüssigkeitsfilm 11. Vorteilhafterweise transportiert das poröse Material 6 kontinuierlich flüssiges Kältemittel 9 an die Rohre 3 und/oder Rohranhänge, wodurch eine insbesondere konstante Benetzung der Wärmeaustauschfläche mit flüssigen Kältemittel 9 erreicht wird. Durch den Eintrag thermischer Energie von der Wärmetauscherfläche her, kann der dünne Kältemittelfilm 11 schnell verdampfen. Das entstandene dampfförmige Kältemittel 10 kann durch die poröse dampfoffene Struktur des Materials 6 aus dem Verdampfer 1 entweichen.
  • Fig. 6 zeigt Fluidströmungen in einem bevorzugten Verdampfer. Das Kältemittel kann an verschiedenen Stellen in den Verdampfer 1 eingebracht werden. Fig. 6 zeigt bevorzugte Zuläufe für das Kältemittel 12. Das Kältemittel kann beispielsweise unten, oben oder mittig in den Verdampfer 1 eingeleitet werden. Das in dem Verdampfer 1 vorliegende poröse Material verteilt das Kältemittel mittels Kapillarkräften optimal in dem Verdampfer 1. Das flüssige Kältemittel 9 wird von dem porösen Material in dem Verdampfer transportiert, wodurch sich ein Kältemittelfilm auf den Wärmetauscherflächen bilden. Der Film wird durch den Eintrag thermischer Energie verdampft, wobei das dampfförmige Kältemittel 10 durch das poröse dampfoffene Material entweichen kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmetauscher/Verdampfer
    2
    Kältemittel
    3
    Rohr
    4
    Rohranhänge, beispielsweise Lamellen
    5
    Kältemitteloberfläche
    6
    poröses Material
    7
    Wärmeübergang
    8
    Dampfkanäle
    9
    flüssiges Kältemittel
    10
    dampfförmiges Kältemittel
    11
    dünner Kältemittelfilm
    12
    Zuläufe Kältemittel

Claims (13)

  1. Verdampfer für eine Sorptionsmaschine, umfassend einen Wärmetauscher aufweisend mindestens ein mit einem Fluid durchströmtes Rohr, Kanal und/oder eine Kombination aus beiden, welche zumindest teilweise mit einem Kältemittel beaufschlagt werden,
    wobei
    der Verdampfer mit einem dampfoffenen insbesondere porösen Material gefüllt ist und mit dem Rohr, dem Kanal und/oder der Kombination zumindest teilweise in Kontakt gebracht vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wärmetauscher mehrere Rohre oder Kanäle im Wesentlichen parallel angeordnet sind, wodurch Zwischenräume zwischen diesen gebildet werden, wobei das poröse Material zumindest teilweise auf den Rohren und in den Zwischenräumen vorliegt.
  2. Verdampfer nach dem vorhergehenden Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmetauscher flächenvergrößernde Rohranhänge oder Strukturen, insbesondere Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen, 2- oder 3-dimensionale Gitterstrukturen und/oder Lamellen aufweist.
  3. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das poröse Material ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Sand, Glaskugeln, Glasfasern, Ton, Mineralwolle, Schaumglas, Zellulose, Hartschaum, Glaswolle, Metallwolle oder -späne, Steinwolle, Schlackenwolle, Blähglas, Perlit, Kalziumsilikat, Naturbims, Keramikfasern, Keramikschaum, Silikatschaum, Gipsschaum, pyrogene Kieselsäure, Flachs, Polyesterfasern, Phenolharz-Hartschaum, Filz oder eine Mischung dieser.
  4. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Glasfasern als Glasfaserschnitzel, -schnüre, -fäden, -roving, -matten, -gewebe und/oder -perlen ausgebildet sind.
  5. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das poröse Material in fester und/oder flüssiger Form in dem Verdampfer vorliegt.
  6. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das poröse Material auf dem Rohr aufgebracht ist, insbesondere indem das Material die Rohre des Wärmetauschers zumindest teilweise ummantelt oder beschichtet.
  7. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das poröse Material auf den Rohranhängen oder auf Strukturen des Wärmetauschers, die die Wärmeaustauschflächen vergrößern, aufgebracht ist.
  8. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Glasfaserschnitzel zumindest teilweise eine größere Länge aufweisen als der Abstand zwischen zwei Lamellen oder Rippen.
  9. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die flächenvergrößernde Rohranhänge und/oder Strukturen porös sind.
  10. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das poröse Material Kapillarkräfte aufweist.
  11. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine hydrophile Schicht auf den Wärmeaustauscher und/oder flächenvergrößernde Rohranhänge und/oder Strukturen aufgetragen ist.
  12. Verwendung eines porösen Materials als Füllung in einem Verdampfer, nach Anspruch 1.
  13. Verwendung nach dem vorherigen Anspruch,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Wärmetauscher flächenvergrößernde Rohranhänge oder Strukturen, ausgewählt aus der Gruppe umfassend Platten, Netze, Rippen, Ausbuchtungen, 2- oder 3-dimensionale Gitterstrukturen und/oder Lamellen, aufweist.
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27W Patent revoked

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