WO2003087682A1 - Feststoff-sorptionswärmepumpe - Google Patents

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WO2003087682A1
WO2003087682A1 PCT/EP2003/003880 EP0303880W WO03087682A1 WO 2003087682 A1 WO2003087682 A1 WO 2003087682A1 EP 0303880 W EP0303880 W EP 0303880W WO 03087682 A1 WO03087682 A1 WO 03087682A1
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heat
adsorber
unit
condenser
heat pump
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PCT/EP2003/003880
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Martin Henning
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Sortech Ag
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    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/08—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/04—Heat pumps of the sorption type
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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the invention relates to a solid sorption heat pump and a heating system with a solid sorption heat pump.
  • Typical working material pairs - sorption material and adsorbate - are, for example, zeolite and water, the working gas water being operated in the low pressure range.
  • Adsorption heat pumps with such a working material pair are disclosed, for example, in DE 199 61 629 and DE 100 38 636.
  • ammonium salt ammonia as disclosed, for example, in US Pat. No. 4,694,659.
  • Sorptive conversion is understood to mean the release of the sorption heat generated during the adsorption of the working gas or the absorption of the sorption heat required for desorption, whereas the sensitive heat
  • Heat turnover describes the energy turnover that occurs when the entire system heats up or cools down.
  • the maximum possible heat ratio is achieved with a certain working material pair. For silica gel water, this is typically around 180% for a single-stage heat pump. This percentage is made up of 100 Percent useful heat, which is obtained from the drive heat, with complete desorption of the adsorbate. The second share of 80 percent can be given off in the form of useful heat, during the subsequent cooling of the adsorber and the adsorption of the adsorbate in the sorption material.
  • thermodynamically more and more sophisticated systems have been developed, in particular by arranging a large number of adsorbents or desorbents through which the heat transfer medium flows in succession and which are switched in a large number of cycles, the aim being to achieve the highest possible heat recovery, which Relationship between sorptive and sensitive sales improved.
  • Disadvantages of these systems are the considerable technical effort, the susceptibility to malfunction and the high manufacturing and maintenance costs.
  • the published patent application DE 199 02 695 A1 shows a sorption heat pump in which an adsorber / desorber heat exchanger together with an evaporator and a condenser, which are integrated to form an evaporator / condenser heat exchanger, are arranged in a common vacuum-tight container.
  • the invention has for its object to provide a solid sorption heat pump with a high heat ratio and a heating system, which are improved over the prior art.
  • the inventor has recognized that the conventional solid sorption pumps are improved in terms of the thermodynamic process by the cascade-like connection of several adsorbers or desorbers, but at the same time also by the necessary installation of pipes, valves and pumps for the internal heat exchange additional capacities and Heat losses are introduced into the overall apparatus, which in turn reduce the efficiency of the heat recovery.
  • the heat pump according to the invention is characterized by a particularly simple construction, which on the one hand reduces the manufacturing costs and significantly reduces the susceptibility to faults. On the other hand, the structure of the invention
  • Heat capacity of the entire apparatus can be kept extremely low, so that the sensitive heat conversion is correspondingly low.
  • an adsorber-desorber unit and a condenser-evaporator unit are arranged in a common housing and separated from one another by an adsorptive-permeable element.
  • the working substance is referred to as adsorptive and in the adsorbed, liquid phase as adsorbate.
  • the housing is sealed from the environment.
  • the adsorber-desorber unit comprises a heat exchanger for transferring heat from a heat transfer medium that flows through the heat exchanger to the solid sorbent material or from the solid sorbent material to the heat transfer medium.
  • Evaporator and condenser of the solid sorption heat pump according to the invention are designed as one component - condenser-evaporator unit.
  • the condenser-evaporator unit By means of the condenser-evaporator unit, the vaporous adsorptive can be condensed on the one hand and the heat of condensation reduced to one
  • Heat medium for transmission are transferred to a heating device and on the other hand heat from a low temperature source is supplied to the liquid working fluid for evaporation.
  • the condenser-evaporator unit is advantageously arranged in the common housing below the adsorber-desorber unit and the adsorptive-permeable element is designed as a vapor-permeable sponge, which has the function of a spacer with steam channels.
  • a ceramic sponge is suitable as an adsorptive permeable element.
  • the adsorber-desorber unit comprises a heat-conducting one
  • the receiving body which is in heat-conducting connection with the heat exchanger.
  • the receiving body fulfills two functions, namely on the one hand the heat transfer between the heat exchanger and sorption material and on the other hand the production of a stable structure of the adsorber-desorber unit.
  • This stable structure makes it possible to make the wall of the common housing particularly thin, since it no longer has to give the unit of the sorption heat pump any additional stability, but only for sealing the interior with the adsorber-desorber unit and the condenser-evaporator.
  • Unity serves the environment.
  • the outer wall can be designed, for example, as a sheet metal jacket with a wall thickness of 0.5 millimeters or less, in particular from 0.1 to 0.5 millimeters, which is placed or supported from the outside on the adsorber-desorber unit or condenser-evaporator unit ,
  • a wall thickness of 0.5 millimeters or less, in particular from 0.1 to 0.5 millimeters, which is placed or supported from the outside on the adsorber-desorber unit or condenser-evaporator unit .
  • larger wall thicknesses are also conceivable, for example for welding reasons.
  • the wall thickness for this can be 1.5 millimeters or less.
  • the condenser-evaporator unit also comprises a similar receptacle body with the double function of transferring heat between the working substance and the heat carrier supplied / removed and producing a stable structure.
  • the first embodiment comprises a lamella construction which is arranged around the heat exchanger of the adsorber-desorber unit.
  • the solid sorption material is introduced between the individual fins in such a way that the highest possible heat transfer from the heat exchanger to the
  • Sorption material is reached.
  • commercial finned heat exchangers can be used, the fins advantageously are arranged vertically and have holes for the vapor transport of the sorption material.
  • the solid sorption material is introduced as a bed between the lamellae of the lamella construction. If the fins are arranged vertically and are provided with holes, the steam flows essentially horizontally.
  • the channels which are formed by the bores represent a type of distributor in order to distribute the steam evenly into the sorption material (adsorption) or to collect the steam from the sorption material (desorption).
  • Flow resistance of the steam flow through the bores or through the channels formed by the bores is comparatively low compared to the flow resistance of the steam flow through the bed.
  • the steam path through the bed is therefore advantageously made as short as possible in order to keep the associated flow resistance as low as possible.
  • the bores are spaced from one another or from the pipes of the heat exchanger in such a way that the maximum steam path through the bed is approximately 20 millimeters. Details of the structural design are explained below in connection with the accompanying figures.
  • the second advantageous embodiment of the receiving body has a metal sponge, in the spaces between which the sorption material is introduced, and through which the pipes of the heat exchanger are guided.
  • steam channels can advantageously be introduced into the receiving body, in particular by stamping.
  • the steam channels are in turn advantageously arranged distributed in the receiving body in such a way that the maximum steam path when the sorption material is introduced as a bed through the bed is 20 millimeters.
  • the heat exchanger of the adsorber-desorber unit and / or the receptacle body thereof with the Coating sorbent material can take place alternatively or in addition to the introduction of the solid sorption material into the adsorber-desorber unit.
  • the common housing can be designed with two shells.
  • a heat-insulating material which can transmit compressive forces is advantageously inserted into the interior between the inner and the outer shell. This makes it possible to make both switches particularly thin-walled, for example as a thin sheet metal jacket.
  • Compressive forces can be derived from the outer shell via the heat-insulating material onto the inner shell and further onto the receiving body of the adsorber-desorber unit or the condenser-evaporator unit.
  • the intermediate space between the two shells can be evacuated, that is to say applied with a negative pressure, in order to further increase the insulation effect.
  • the adsorber-desorber unit and the condenser-evaporator unit are arranged in separate housings.
  • the interiors of both housings are connected to one another by at least one vapor-conducting connection, for example by one or more pipelines.
  • both the adsorber-desorber unit and the condenser-evaporator unit are designed as an independent component.
  • Each of these two components has a receiving body which advantageously fulfills two functions, namely on the one hand the heat transfer between the heat exchanger and sorption material (adsorber-desorber unit) or the function of the fins of the heat exchanger of the condenser (condenser-evaporator unit) and on the other hand the production of a stable structure of the individual structural units. Because of these stable structures, it is in turn possible to make the walls of the housings particularly thin, for example as sheet metal sheathing, since the necessary stability of the individual structural units is produced by the receptacle bodies only for sealing the interior towards the environment.
  • wall thicknesses of 1.5 millimeters or 0.5 millimeters or less, in particular 0.1 to 0.5 millimeters, can be provided.
  • the second design according to the invention can be designed in accordance with the first.
  • the heating system comprises a heating circuit through which a heat transfer medium flows and to which a high temperature source is connected, from which heat can be transferred to the heat transfer medium at a predetermined first temperature level.
  • Low temperature source connected to the heating circuit, for supplying heat to the heat transfer medium at a second temperature level, which is below the first temperature level.
  • a heating device that is used to remove heat from the heat transfer medium - for example for heating a room or building - is connected to the heating circuit, the heat being dissipated at a predetermined third temperature level, which lies between the first and the second temperature level.
  • a solid sorption heat pump is further connected to the heating circuit, which has the structure according to the invention described.
  • the flow path of the heat transfer medium through the heating circuit or through the connected elements can be set by means of a heating circuit distributor or by means of heating circuit valves which are arranged in the heating circuit.
  • the heating circuit distributor or the heating circuit valves are designed and arranged such that three switching phases can advantageously be set. The individual switching phases - desorption phase, adsorption phase and bypass phase - are described below in this document.
  • Figure 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 2 is a schematic representation of a heating circuit with a
  • FIG. 3 shows a first embodiment of a solid
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a solid
  • Figure 5 is a schematic representation of the heat flows in the various phases of an embodiment of a
  • Figure 6 shows a common housing for a solid sorption heat pump according to the present invention with a particularly good thermal insulation
  • FIG. 7 shows an embodiment according to the invention with an adsorber-desorber
  • FIG. 1 shows the basic components of an embodiment of a solid sorption heat pump 1 according to the present invention.
  • a common housing 5 an adsorber-desorber unit 2 and a condenser-evaporator unit 6 are arranged adjacent to one another.
  • the adsorber-desorber unit 2 is arranged above the condenser-evaporator unit 6, and the two units 5, 6 are separated from one another only by an adsorptive-permeable element 7.
  • the adsorber Desorber unit 2 is a heat exchanger 3 out.
  • the condenser-evaporator unit 6 also comprises a heat exchanger, which can also be referred to as a condensation-evaporation tube 11.
  • the interior of the condenser-evaporator unit 6 is by at least
  • the volume of the condenser-evaporator unit 6 is dimensioned such that the condensation-evaporation heat exchanger is not flooded when there is a maximum amount of condensate. In relation to the adsorber-desorber unit 2, the maximum required depends
  • the adsorptive-permeable element 7 is in the form of a poorly heat-conducting
  • Desorption heat pump In a first phase, 3 heat, for example from a burner of a heating system, is supplied to the adsorber-desorber unit 2 via the heat exchanger.
  • 3 heat for example from a burner of a heating system
  • the supply of heat expels water vapor from the sorption material under reduced pressure.
  • the vaporous working substance (adsorptive, for example water vapor) is condensed in the condenser-evaporator unit 6 and the heat of condensation formed is dissipated via the condensation-evaporation tube 11 and used for heating purposes. Due to the lower pressure occurring during the condensation, this becomes from the
  • Adsorptive driven out of sorption material into the condenser Evaporator unit 6 is sucked out of the adsorber-desorber unit 2 through the adsorptive-permeable element 7.
  • the first cycle - desorption cycle - has ended.
  • the adsorbate is ideally completely expelled from the sorption material and is in condensed form, that is to say in the liquid phase, in the condenser-evaporator unit 6.
  • a certain liquid level will set in the condenser-evaporator unit 6.
  • the operation of the solid sorption heat pumps shown is now transferred to the second phase - adsorption phase - by switching over the corresponding line routing in the heat transfer circuit.
  • the adsorber-desorber unit 2 that is to say the heat exchanger 3 thereof, is connected to a heating device, for example for heating a room or building.
  • the condensation-evaporation tube 11 of the condenser-evaporator unit 6 is connected to a low-temperature source.
  • the adsorber-desorber unit 2 is cooled by heat.
  • the working material is adsorbed again by the sorption material after it has previously been evaporated in the condenser-evaporator unit 6.
  • This second cycle can also last, for example, half an hour, but is in particular somewhat longer than the desorption phase.
  • the solid sorption heat pump is then back in the initial situation for the first phase, which means that the adsorbate is ideally completely adsorbed in the sorption material.
  • the adsorption phase and desorption phase thus run cyclically.
  • FIG. 2 shows the system integration of an embodiment of a solid sorption heat pump according to the invention in a heating system.
  • the heating system comprises a heating circuit 20 to which a solid sorption heat pump 1, a high temperature source 21 in
  • Any conventional burner for example with gas, oil or other fuels, can be used as the burner. Outdoor air heat exchangers, ground collectors or groundwater are particularly suitable as low temperature sources.
  • the bypass circuit allows bivalent operation of the burner and heat pump (phase 3 - bypass).
  • the system integration shown makes it possible to combine the heat pump with an oil or gas-operated burner in such a way that both the use of condensing energy through condensation of the exhaust gases and the use of the heat pump can be combined.
  • Heat exchangers are provided for extracting heat from the combustion chamber and condensing the exhaust gases.
  • the exhaust gas heat exchanger 23.1 can also be dispensed with if there is no need to use the thermal energy of the exhaust gases.
  • FIG. 2b shows the heating circuit distributor 24 and its connection options again in greater detail.
  • the arrangement of the various elements - high temperature source 21, low temperature source 22, heating device 23, adsorber-desorber unit 2 and condenser-evaporator unit 6 - is shown schematically and their interconnection in the heating circuit 20 by means of the
  • Heating circuit distributor 24 The heating circuit distributor 24 comprises three heating circuit valves 25, which are designed in particular as motor 3-way valves.
  • the distributor 24 shown is designed in such a way that the following connection options (phases) can be set: Phase 1 - Desorption: The high-temperature source 21 is connected to the adsorber-desorber unit 2 by means of a flow circuit from a heat carrier; the condenser-evaporator unit 6 is connected to the heating device 23 by means of a flow circuit from a heat exchanger; the low temperature source 22 is shut off from the rest of the heating circuit.
  • Phase 2 - adsorption the high temperature source 21 is blocked off from the rest of the heating circuit; the heating device 23 is connected to the adsorber-desorber unit 2 by means of a flow circuit from a heat transfer medium; the condenser-evaporator unit 6 is connected to the low-temperature source 22 by means of a flow circuit from a heat transfer medium.
  • Phase 3 - bypass the low-temperature source 22, the adsorber-desorber unit 2 and the condenser-evaporator unit 6 are blocked off from the rest of the heating circuit; the high temperature source 21 is connected to a flow circuit from a heat transfer medium to the heating device 23.
  • Valves it is also possible to provide a valve block in the heating circuit distributor.
  • phase duration of the sorption heat pump is adapted to the heat output from the heating device. Phases 1 and 2 (desorption and adsorption) are carried out alternately until the
  • Phase 3 is set when the heat ratio of the heat pump reaches one due to the operating conditions.
  • the high-temperature source 21 for example a burner, is coupled directly to the heating network, that is to say the heating device 23.
  • FIG. 5a shows phase 1 (desorption phase).
  • a heat flow flows from the high-temperature source 21 into the adsorber-desorber unit 2 of the solid sorption heat pump 1.
  • Sorbent material dissolved the adsorbate and flows in vapor form to the condenser-evaporator unit 6, where it is condensed.
  • the heat of condensation is conducted from the condenser-evaporator unit 6 in a heat flow to the heating device 23.
  • the low temperature source 22 is isolated from the heating circuit.
  • phase 5b shows the heat flows in phase 2 (desorption phase).
  • the high temperature source 21 is isolated from the rest of the system, that is, the heating circuit.
  • the low-temperature source 22 is connected to the condenser-evaporator unit 6 by means of the heating circuit distributor 24
  • Solid sorption heat pump 1 connected that a heat flow flows from the low temperature source 22 to the condenser-evaporator unit 6.
  • the liquid working fluid is evaporated in the condenser-evaporator unit 6 and flows in vapor form to the adsorber-desorber unit 2, where it accumulates on the sorption material.
  • Desorber unit 2 is conveyed to the heating device 23 in a heat flow. Heat conditions of over 100 percent can thus be achieved, that is to say ideally 100 percent of the heating energy of the high-temperature source 21 is transferred to the heating device 23 in phase 1 and a further 80 percent in phase 2 through the heat flow from the low-temperature source 22 and
  • Adsorption in the solid sorption heat pump 1. 5c shows phase 3 (bypass phase).
  • the high-temperature source 21 is connected directly to the heating device 23 by means of the heating circuit distributor 24, so that the heat flow flows from the high-temperature source 21 directly to the heating device 23.
  • the condenser-evaporator unit 6 and the low-temperature source 22 are isolated from the rest of the system.
  • FIG. 3 shows a first preferred embodiment of the solid sorption heat pump according to the invention.
  • FIG. 3a shows an adsorber
  • Desorber unit with a receiving body 9 in a lamella form Desorber unit with a receiving body 9 in a lamella form.
  • the adsorber-desorber unit can also be called a lamellar adsorber.
  • FIG. 3a shows a side view of the lamella adsorber and
  • FIG. 3b shows a top view of an individual lamella sheet.
  • a commercially available finned heat exchanger can be used, which, as shown in FIGS. 5a and 5b, is adapted accordingly.
  • the solid sorbent material 4 is introduced between the fins of the receiving body 9 in such a way that the best possible heat transfer from the heat exchanger via the fins to the solid sorbent material 4 takes place.
  • the heat exchanger comprises horizontal pipe sections which are connected to one another via deflections 13, so that the heat carrier guided in the heat exchanger is guided from one horizontal section via a deflection 13 into the next, for example underlying, horizontal section.
  • the deflections 13 project laterally from the receiving body 9.
  • the lamellae of the receiving body 9 are aligned vertically in order to enable easy ventilation of the pipe loops, which are usually arranged horizontally.
  • the individual fins include openings for steam transport, which are not filled with pipes. Perforated tubes, sheets or wire nets can be placed in the openings to form steam channels.
  • FIG. 3b shows a single lamella leaf 17 with it inserted Heat transfer tubes 18 and steam channels 19 shown.
  • the heat transfer tube 18 is, for example, the aforementioned horizontal tube section of the heat exchanger 3, and water, for example, can be flowed through as the heat transfer medium.
  • the receiving body 9 is filled with the sorption material.
  • a wire mesh or a perforated sheet can be spanned.
  • the lamellae which are made, for example, of copper or aluminum sheet, can be coated with the sorption material.
  • the steam channels 19 shown in FIG. 3b which are formed by the openings in the individual fins which are not filled with pipes, work as distributors (adsorption) or as collectors (desorption) of the steam. In the adsorption phase, the steam flows horizontally into the outside
  • Steam channels 19 and is distributed from the steam channels 19 in the sorption material 4, which is introduced as a bed between the fins.
  • the flow resistance of the steam in the steam channels 19 is extremely low compared to the flow resistance of the steam flow through the bed. In order to keep the overall flow resistance low, it is therefore advantageous to limit the maximum steam path through the bed to a maximum of 20 millimeters. This can be achieved by a predefined distribution of the holes in the slats.
  • the maximum steam path through the bed results from the distance which the steam travels radially outwards from a bore in a lamella or from a steam channel 19.
  • the distance between a steam channel 19 and the adjacent pipes is 25 millimeters or less.
  • Commercially available lamellae are advantageously connected in such a way that only every second row of holes is filled with a tube and the free rows of holes with one inserted cylindrical wire mesh (alternatively also with perforated tubes or sheets) are provided to form the steam channels 19.
  • the inserted cylindrical wire mesh advantageously consists of the same material as the lamella in order to avoid contact corrosion.
  • the inserted cylindrical wire mesh keeps the steam channels 19 free of the bed of sorbent material 4 so as to keep the flow resistance of the steam in the steam channels 19 low.
  • the appropriately designed steam channels 19 collect the adsorptive dissolved from the sorption material, which in turn covers the maximum distance through the bed, which corresponds to a radius of the feed area around a single steam channel.
  • FIG. 3c shows the complete solid sorption heat pump 1 with a receiving body 9 according to FIGS. 3a and 3b.
  • the condenser-evaporator unit 6 also comprises an appropriately designed receiving body 10.
  • the condenser-evaporator unit could also be referred to as a lamella evaporator / condenser.
  • the adsorber-desorber unit 2 and the condenser-evaporator unit 6 are arranged in a common housing 5 and separated from one another by a ceramic sponge 8.
  • the common housing 5 consists of a thin sheet metal, which envelops both elements. The mechanical stability of the sheet is ensured by supporting the edges of the heat exchanger 3 in the area of the pipe deflections 13.
  • the distance between the adsorber-desorber unit and the condenser-evaporator unit is produced by the ceramic sponge 8, which has a low thermal conductivity, but sufficient vapor permeability and stability.
  • the vapor transport that is, the flow of the adsorptive, between
  • Adsorber-desorber unit 2 and condenser-evaporator unit 6 runs in Area of the pipe deflections 13 of the fin heat exchangers.
  • the sheet metal cladding is vacuum-tight from the surroundings.
  • FIG. 3 makes it possible to design the entire solid sorption heat pump with a low heat capacity, due to the simple construction with few pipes and small wall thickness, and thereby to achieve a particularly high heat ratio.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a solid sorption heat pump with a receiving body.
  • the receiving body 9 of the adsorber-desorber unit 2 shown in FIGS. 4a and 4b is designed as a metal sponge.
  • the metal sponge is used for heat transfer between the heat transfer medium guided in the heat exchanger 3 and the sorption material.
  • the metal sponge is open-pored and filled or coated with sorption material.
  • the metal sponge can with a
  • the pipes of the heat exchanger 3 are placed in the metal sponge.
  • the connection between the metal sponge and the pipeline is a good heat conductor, this can be achieved in particular by pouring or soldering the pipe.
  • the heat exchanger 3 can in turn be constructed from horizontal pipe sections 12 which are connected to one another by deflections 13. As shown in the top view in FIG. 4b, in this exemplary embodiment there is a heat exchanger comprising three vertically arranged one next to the other
  • the metal sponge can preferably be made from three cuboid sections with each have an inserted pipe section, which are arranged flush with one another in the common housing 5. As a result, it is particularly easy to introduce the steam channels 19 into the receiving body 9, that is to say the metal sponge.
  • the steam channels can be provided with perforated tubes, sheets or wire nets to prevent the solid sorption material 4 from trickling out.
  • FIG. 4c shows a complete solid sorpiton heat pump 1 with an adsorber-desorber unit 2, comprising a receiving body 9, which is designed as a metal sponge, and a condenser-evaporator unit 6 with a receiving body 10, which is likewise designed as a metal sponge , shown in a common housing 5.
  • the two units 2, 6 are arranged adjacent to one another and separated from one another exclusively by a ceramic sponge 8.
  • the common housing 5 consists of a thin sheet, preferably with a wall thickness of 0.1 to 0.5 mm, which is placed on the edges of the receiving bodies 9 and 10 and the intermediate ceramic sponge 8.
  • the mechanical stability of the sheet is produced by placing it on the metal sponges or the ceramic sponge, so that the sheet itself can be made statically unstable. As a result, particularly small wall thicknesses are possible, which in turn result in a particularly small one
  • the steam transport between the adsorber-desorber unit 2 and the condenser-evaporator unit 6 runs through the ceramic sponge and in the steam channels 19 which are introduced into the adsorber-desorber unit 2.
  • the condenser-evaporator unit 6 is designed below the adsorber-desorber unit 2 and has at least a height that is as large as the maximum fill level with condensate.
  • FIG. 5 A preferred embodiment of the common housing 5 is shown in FIG. In the interior, the solid sorption heat pump 1 is switched, which is itself not shown in this view.
  • the housing 5 is designed with two shells, comprising an inner shell, which is preferably made of a thin metal sheet, and an outer shell, which is preferably also made of a thin metal sheet.
  • a granulate bed 14 is preferably introduced, which has such a mechanical stability that it transfers compressive forces between the two sheet metal claddings 26, 27. This makes it possible to transfer these forces inwards to, for example, receptacles or heat exchanger tubes shown in the previous figures.
  • the sheet metal cladding 26 and 27 can thus also be made with a particularly small wall thickness in order to keep the capacity of the solid sorption heat pump low.
  • An evacuation connection 28 is connected to the housing shown, which is preferably made in two parts by interconnecting an inner tube into an outer tube. Of course, it is also possible to arrange separate nozzles. By means of the evacuation connection 28, both the
  • the evacuation of the interior of the solid sorption heat pump 1 serves to set a predetermined pressure according to the requirements of the working couple used.
  • the evacuation of the space in the housing 5 serves for optimal thermal insulation.
  • the pipe bushings 29 for the heat exchangers of the adsorber-desorber unit and the condenser-evaporator unit are shown on the side in the housing 5.
  • silica gel, pearlite or foam glass beads can be used as the insulation material which is introduced between the two shells of the housing 5.
  • FIG. 1 A second embodiment of the present invention is shown in FIG.
  • the adsorber-desorber unit 2 and the condenser-evaporator unit 6 are arranged in separate housings 5.1 and 5.2.
  • each of the housings 5.1 and 5.2 is designed as a thin sheet metal jacket, which is placed on the receiving bodies 9 and 10, with the exception of the areas in which the deflections 13 are provided, on which the sheet metal jackets are placed there.
  • the two structural units that is to say the adsorber-desorber unit 2 and the condenser-evaporator unit 6, as desired, as long as suitable connecting lines ensure the steam flow between the two structural units.

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Abstract

Eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe umfasst eine Adsorber-Desorber-Einheit (2) mit einem Wärmetauscher (3) und einem Feststoff-Sorptionsmaterial (4). Die Adsorber-Desorber-Einheit (2) ist in einem gemeinsamen, zur Umgebung abgedichteten Gehäuse (5) zusammen mit einer Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) angeordnet, wobei die Adsorber-Desorber-Einheit (2) und die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) durch ein adsorptivdurchlässiges Element (7) voneinander getrennt sind. Die Adsorber-Desorber-Einheit (2) umfasst einen wärmeleitenden Aufnahmekörper (9), der in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmetauscher (3) angeordnet ist. Der Aufnahmekörper (9) nimmt das Sorptionsmaterial (4) auf und verleiht der Adsorber Desorber-Einheit (2) ihre Stabilität. Der Innenraum des gemeinsamen Gehäuses ist mit einem Unterdruck beaufschlagt. Das gemeinsame Gehäuse (5) ist als dünnwandige Blechummantelung ausgeführt, die derart auf den Aufnahmekörper (9) aufgelegt ist, dass die durch den Unterdruck erzeugten Kollabierungskräfte auf den Aufnahmekörper (9) und/oder den Wärmetauscher (3) und die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) abgeleitet werden.

Description

Feststoff-Sorptionswärmepumpe
Die Erfindung betrifft eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe und ein Heizungssystem mit einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe.
Es ist bekannt, thermisch angetriebene Wärmepumpen auf der Basis von Feststoffadsorption für Heizungs- und Kühlungszwecke zu verwenden. Übliche Arbeitsstoffpaare - Sorptionsmaterial und Adsorbat - sind beispielsweise Zeolith und Wasser, wobei das Arbeitsgas Wasser im Niederdruckbereich betrieben wird. Adsorptionswärmepumpen mit einem solchen Arbeitsstoffpaar sind beispielsweise in der DE 199 61 629 und DE 100 38 636 offenbart.
Es sind jedoch auch Arbeitsstoffpaare, die im Hochdruckbereich betrieben werden, bekannt. Beispielsweise seien Salzammoniakate-Ammoniak genannt, wie sie zum Beispiel in der US 4.694.659 offenbart sind.
An Feststoff-Sorptionswärmepumpen werden verschiedene technische Anforderungen gestellt. Besonders wesentlich sind die Forderungen nach einem hohen Wärmeverhältnis, einer hohen Leistungsdichte und einer einfachen Regelbarkeit der Wärmeabgabe. Das Wärmeverhältnis der Nutzwärme zur
Antriebswärme (auch COP: Coefficent of Perfomance) hängt im wesentlichen von den Anteilen des sorptiven und des sensiblen Wärmeumsatzes während eines Wärmepumpenzyklus ab. Unter sorptivem Umsatz versteht man die Freisetzung der bei der Adsorption des Arbeitsgases entstehende beziehungsweise die Aufnahme der zur Desorption benötigte Sorptionswärme, wohingegen der sensible
Wärmeumsatz den Energieumsatz beschreibt, der bei der Aufheizung beziehungsweise Abkühlung des gesamten Systems auftritt.
Nimmt man idealerweise an, dass die sensible Wärme vernachlässigbar klein ist, wird das maximal mögliche Wärmeverhältnis mit einem bestimmten Arbeitsstoffpaar erreicht. Für Silikagel-Wasser liegt dieses für eine einstufige Wärmepumpe typischerweise bei ca_ 180%. Diese Prozentzahl setzt sich zusammen aus 100 Prozent Nutzwärme, die aus der Antriebswärme gewonnen wird, bei gleichzeitiger vollständiger Desorption des Adsorbats. Der zweite Anteil von 80 Prozent kann in Form von Nutzwärme abgegeben werden, bei der anschließenden Abkühlung des Adsorbers und der Adsorption des Adsorbats im Sorptionsmaterial.
Um besonders hohe Wärmeverhältnisse zu erreichen, wurden thermodynamisch immer ausgereiftere Systeme entwickelt, wobei insbesondere durch die Anordnung einer Vielzahl von Adsorbem beziehungsweise Desorbem, welche nacheinander vom Wärmeträger durchströmt werden und in einer Vielzahl von Zyklen geschaltet werden, eine möglichst hohe Wärmerückgewinnung angestrebt wird, die das Verhältnis zwischen sorptivem und sensiblem Umsatz verbessert. Nachteilig an diesen Systemen sind jedoch der erhebliche technische Aufwand, die Störanfälligkeit und die hohen Herstellungs- und Wartungskosten.
Die Offenlegungsschrift DE 199 02 695 A1 zeigt eine Sorptionswärmepume, bei der ein Ad-/Desorber-Wärmetauscher zusammen mit einem Verdampfer und einem Kondensator, die zu einem Verdampfer/Kondensator-Wärmetauscher integriert sind, in einem gemeinsamen vakuumdichten Behälter angeordnet sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe mit einem hohen Wärmeverhältnis und ein Heizungssystem anzugeben, welche gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe beziehungsweise ein Heizungssystem gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen
Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der Erfinder hat erkannt, dass die herkömmlichen Feststoff-Sorptionspumpen zwar hinsichtlich des thermodynamischen Prozesses durch die kaskadenförmige Verschaltung mehrere Adsorber beziehungsweise Desorber verbessert sind, gleichzeitig aber auch durch den notwendigen Einbau von Rohren, Ventilen und Pumpen für den inneren Wärmeaustausch zusätzliche Kapazitäten und Wärmeverluste in den Gesamtapparat eingebracht werden, welche wiederum die Effizienz der Wärmerückgewinnung reduzieren. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, der zum einen die Herstellungskosten reduziert und die Störanfälligkeit deutlich verringert. Zum anderen kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau die
Wärmekapazität des gesamten Apparates außerordentlich gering gehalten werden, so dass der sensible Wärmeumsatz entsprechend gering ausfällt.
Bei einer erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe ist eine Adsorber- Desorber-Einheit und eine Kondensator-Verdampfer-Einheit in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und durch ein adsorptivdurchlässiges Element voneinander getrennt. In der Gasphase wird der Arbeitsstoff als Adsorptiv bezeichnet und in der adsorbierten, flüssigen Phase als Adsorbat. Man könnte daher auch allgemein von einem dampfdurchlässigen Element sprechen. Das Gehäuse ist gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Die Adsorber-Desorber-Einheit umfasst einen Wärmetauscher, zum Übertragen von Wärme von einem Wärmeträger, der durch den Wärmetauscher strömt, auf das Feststoff-Sorptionsmaterial beziehungsweise vom Feststoff-Sorptionsmaterial auf den Wärmeträger.
Verdampfer und Kondensator der erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe sind als ein Bauteil - Kondensator-Verdampfer-Einheit - ausgeführt. Mittels der Kondensator-Verdampfer-Einheit kann einerseits das dampfförmige Adsorptiv kondensiert werden und dabei die Kondensationswärme auf ein
Wärmemedium zur Weiterleitung in eine Heizeinrichtung übertragen werden und andererseits Wärme aus einer Niedertemperaturquelle dem flüssigen Arbeitsstoff zur Verdampfung zugeführt werden. Die Kondensator-Verdampfer-Einheit ist vorteilhaft im gemeinsamen Gehäuse unterhalb der Adsorber-Desorber-Einheit angeordnet und das adsorptivdurchlässige Element als ein dampfdurchlässiger Schwamm ausgebildet, welcher die Funktion eines Abstandshalters mit Dampfkanälen hat. Insbesondere ist die Verwendung eines Kera ik-Schwammes als adsorptivdurchlässiges Element geeignet.
Um erfindungsgemäß einen Aufbau mit einer besonders geringen Wärmekapazität zu erreichen, umfasst die Adsorber-Desorber-Einheit einen wärmeleitenden
Aufnahmekörper, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmetauscher steht. Der Aufnahmekörper erfüllt zwei Funktionen, nämlich einerseits die Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Sorptionsmaterial und andererseits die Herstellung einer stabilen Struktur der Adsorber-Desorber- Einheit. Mit dieser stabilen Struktur ist es nämlich möglich, die Wandung des gemeinsamen Gehäuses besonders dünn auszuführen, da diese der Baueinheit der Sorptionswärmepumpe keine zusätzliche Stabilität mehr verleihen muss, sondern lediglich zur Abdichtung des Innenraumes mit der Adsorber-Desorber- Einheit und der Kondensator-Verdampfer-Einheit gegenüber der Umgebung dient. Die Außenwand kann beispielsweise als Blechummantelung ausgeführt sein mit einer Wandstärke von 0,5 Millimetern oder weniger, insbesondere von 0,1 bis 0,5 Millimetern, die von außen auf die Adsorber-Desorber-Einheit beziehungsweise Kondensator-Verdampfer-Einheit aufgelegt oder abgestützt ist. Es sind aber auch aus beispielsweise schweißtechnischen Gründen größere Wandstärken denkbar. Beispielsweise kann die Wandstärke dafür 1 ,5 Millimeter oder weniger betragen.
Besonders vorteilhaft umfasst auch die Kondensator-Verdampfer-Einheit einen gleichartigen Aufnahmekörper mit der Doppelfunktion des Übertragens von Wärme zwischen Arbeitsstoff und zugeführtem/abgeführtem Wärmeträger und des Hersteilens einer stabilen Struktur.
Für den Aufbau des Aufnahmekörpers sind insbesondere zwei Ausführungen geeignet. Die erste Ausführung umfasst eine Lamellenkonstruktion, die um den Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit angeordnet ist. Zwischen die einzelnen Lamellen ist das Feststoff-Sorptionsmaterial eingebracht, derart, dass ein möglichst hoher Wärmeübergang vom Wärmetauscher auf das
Sorptionsmaterial erreicht wird. Insbesondere sind handelsübliche Lamellenwärmetauscher verwendbar, wobei vorteilhafterweise die Lamellen senkrecht angeordnet sind und Bohrungen für den Dampftransport des Sorptionsmaterials aufweisen.
Das Feststoff-Sorptionsmaterial ist in einer Ausführung als Schüttung zwischen die Lamellen der Lamellenkonstruktion eingebracht. Sofern die Lamellen senkrecht angeordnet sind und mit Bohrungen versehen sind, strömt der Dampf im wesentlichen waagerecht. Die Kanäle, welche durch die Bohrungen ausgebildet werden, stellen eine Art Verteiler dar, um den Dampf gleichmäßig in das Sorptionsmaterial zu verteilen (Adsorption) beziehungsweise um den Dampf aus dem Sorptionsmaterial zu sammeln (Desorption). Dabei ist der
Strömungswiderstand der Dampfströmung durch die Bohrungen beziehungsweise durch die von den Bohrungen ausgebildeten Kanäle verglichen zu dem Strömungswiderstand der Dampfströmung durch die Schüttung vergleichsweise gering. Vorteilhaft wird daher der Dampfweg durch die Schüttung möglichst kurz ausgeführt, um den damit verbundenen Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten. Gemäß einer vorteilhaften Ausführung sind die Bohrungen derart zueinander beziehungsweise zu den Rohrleitungen des Wärmetauschers beabstandet, dass der maximale Dampfweg durch die Schüttung ca. 20 Millimeter beträgt. Einzelheiten zu der konstruktiven Gestaltung werden im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren nachfolgend erläutert.
Die zweite vorteilhafte Ausführung des Aufnahmekörpers weist einen Metall- Schwamm auf, in dessen Zwischenräume das Sorptionsmaterial eingebracht ist, und durch welchen die Rohrleitungen des Wärmetauschers geführt sind. Auch bei dieser Ausführungsform können vorteilhaft Dampfkanäle in den Aufnahmekörper insbesondere durch Einstanzen eingebracht sein. Dabei sind die Dampfkanäle wiederum vorteilhaft derart im Aufnahmekörper verteilt angeordnet, dass der maximale Dampfweg bei Einbringung des Sorptionsmaterials als Schüttung durch die Schüttung 20 Millimeter beträgt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, den Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit und/oder den Aufnahmekörper derselben mit dem Sorptionsmaterial zu beschichten. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu der Einbringung des Feststoff-Sorptionsmateriales in die Adsorber-Desorber-Einheit erfolgen.
Um eine besonders gute Isolierung der Feststoff-Sorptionswärmepumpe gegenüber der Umgebung zu erreichen, kann das gemeinsame Gehäuse zweischalig ausgeführt sein. In den Innenraum zwischen die innere und die äußere Schale ist vorteilhaft ein wärmedämmendes Material eingefügt, welches Druckkräfte übertragen kann. Dadurch ist es möglich, beide Schalten besonders dünnwandig auszuführen, beispielsweise als dünne Blechummantelung.
Druckkräfte können von der äußeren Schale über das wärmedämmende Material auf die innere Schale und weiter auf den Aufnahmekörper der Adsorber-Desorber- Einheit beziehungsweise der Kondensator-Verdampfer-Einheit abgeleitet werden. Der Zwischenraum zwischen den beiden Schalen kann evakuiert, das heißt mit einem .Unterdruck beaufschlagt sein, um die Isolationswirkung noch zu steigern.
Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe sind die Adsorber-Desorber-Einheit und die Kondensator-Verdampfereinheit in getrennten Gehäusen angeordnet. Die Innenräume beider Gehäuse" sind durch mindestens eine dampfleitende Verbindung miteinander verbunden, beispielsweise durch eine oder mehrere Rohrleitungen. Somit ist sowohl die Adsorber-Desorber-Einheit als auch die Kondensator-Verdampfer-Einheit als selbständiges Bauteil ausgeführt. Jedes dieser beiden Bauteile weist einen Aufnahmekörper auf, der vorteilhaft zwei Funktionen erfüllt, nämlich einerseits die Wärmeübertragung zwischen Wärmetauscher und Sorptionsmaterial (Adsorber-Desorber-Einheit) beziehungsweise die Funktion von Rippen des Wärmetauschers des Kondensators (Kondensator-Verdampfer-Einheit) und andererseits die Herstellung einer stabilen Struktur der einzelnen Baueinheiten. Aufgrund dieser stabilen Strukturen ist es nämlich wiederum möglich, die Wandungen der Gehäuse besonders dünn auszuführen, beispielsweise als Blechummantelung, da die notwendige Stabilität der einzelnen Baueinheiten durch die Aufnahmekörper hergestellt wird. Die Wandungen dienen lediglich zur Abdichtung der Innenräume gegenüber der Umgebung. Auch hier können wiederum Wandstärken von 1 ,5 Millimeter beziehungsweise 0,5 Millimeter oder weniger, insbesondere von 0,1 bis 0,5 Millimeter vorgesehen sein. Bis auf die getrennte Gehäuseausführung kann die zweite erfindungsgemäße Ausführung entsprechend der ersten ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Heizungssystem umfasst einen Heizkreislauf, der von einem Wärmeträger durchströmt wird und an den eine Hochtemperaturquelle angeschlossen ist, von der Wärme auf den Wärmeträger bei einem vorgegebenen ersten Temperaturniveau überführt werden kann. Zudem ist eine
Niedertemperaturquelle an den Heizkreislauf angeschlossen, zum Zuführen von Wärme auf den Wärmeträger auf einem zweiten Temperaturniveau, welches unterhalb des ersten Temperaturniveaus liegt. Eine Heizeinrichtung, die zum Abführen von Wärme aus dem Wärmeträger dient - beispielsweise für die Aufheizung eines Raumes oder Gebäudes - ist an den Heizkreislauf angeschlossen, wobei die Wärme auf einem vorgegebenen dritten Temperaturniveau abgeführt wird, welches zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau liegt. An den Heizkreislauf ist weiterhin eine Feststoff- Sorptionswärmepumpe angeschlossen, welche den beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau aufweist. Mittels eines Heizkreisverteilers beziehungsweise mittels Heizkreislaufventilen, die im Heizkreislauf angeordnet sind, kann der Strömungsweg des Wärmeträgers durch den Heizkreislauf beziehungsweise durch die angeschlossenen Elemente eingestellt werden. Dabei ist der Heizkreisverteiler beziehungsweise sind die Heizkreislaufventile derart ausgeführt und angeordnet, dass vorteilhaft drei Schaltphasen eingestellt werden können. Die einzelnen Schaltphasen - Desorptionsphase, Adsorptionsphase und Bypassphase - werden nachfolgend in diesem Dokument beschrieben.
Die Erfindung soll anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer
Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Heizkreislaufes mit einer
Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß eines Ausführungsbeispieles der vorliegenden Erfindung;
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Feststoff-
Sorptionswärmepumpe mit einem Aufnahmekörper;
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Feststoff-
Sorptionswärmepumpe mit einem Aufnahmekörper;
Figur 5 eine schematische Darstellung der Wärmeströmungen in den verschiedenen Phasen eines Ausführungsbeispieles eines
Heizu ngssystemes ;
Figur 6 ein gemeinsames Gehäuse für eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer besonders guten Wärmedämmung;
Figur 7 eine erfindungsgemäße Ausführung mit einer Adsorber-Desorber-
Einheit und einer Kondensator-Verdampfer-Einheit in getrennten Gehäusen.
In Figur 1 erkennt man die Grundkomponenten eines Ausführungsbeispieles einer Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. In einem gemeinsamen Gehäuse 5 sind eine Adsorber-Desorber-Einheit 2 und eine Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 benachbart zueinander angeordnet. Die Adsorber-Desorber-Einheit 2 ist oberhalb der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 angeordnet, und beide Einheiten 5, 6 sind ausschließlich durch ein adsorptivdurchlässiges Element 7 voneinander getrennt. Durch die Adsorber- Desorber-Einheit 2 ist ein Wärmetauscher 3 geführt. Die Kondensator- Verdampfer-Einheit 6 umfasst ebenfalls einen Wärmetauscher, welcher auch als Kondensations-Verdampfungs-Rohr 11 bezeichnet werden kann.
Der Innenraum der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 wird durch bei der
Kondensation des Arbeitsstoffes (Adsorptiv) anfallenden Kondensats in einen Dampfraum 15 und einen Kondensatraum 16 aufgeteilt. Das Volumen der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 ist derart bemessen, dass der Kondensations- Verdampfungs-Wärmetauscher bei maximalem Kondensatanfall nicht überflutet wird. Im Verhältnis zur Adsorber-Desorber-Einheit 2 hängt das maximal benötigte
Kondensatvolumen von der erreichbaren Beladungsbreite der Wärmepumpe ab und beträgt typischerweise 15 bis 25 Prozent des Volumens des Sorptionsmateriales.
Das adsorptivdurchlässige Element 7 ist in Form eines schlecht wärmeleitenden
Abstandshalters mit Dampfkanälen ausgeführt. Dadurch kann ein vorgegebener Abstand zwischen den beiden Einheiten 2, 6 eingestellt werden und diese weitgehend thermisch gegeneinander isoliert werden.
Nachfolgend soll kurz die Funktionsweise der dargestellten Feststoff-
Sorptionswärmepumpe beschrieben werden: In einer ersten Phase wird über den Wärmetauscher 3 Heizwärme - beispielsweise aus einem Brenner einer Heizungsanlage - der Adsorber-Desorber-Einheit 2 zugeführt. Durch die Wärmezufuhr wird bei der Verwendung beispielsweise eines Silikagel/Wasser- Arbeitspaares Wasserdampf bei Unterdruck aus dem Sorptionsmaterial ausgetrieben. Der dampfförmige Arbeitsstoff (Adsorptiv, beispielsweise Wasserdampf) wird in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 kondensiert und die dabei entstehende Kondensationswärme über das Kondensations-Verdampfungs- Rohr 11 abgeleitet und zu Heizzwecken genutzt. Aufgrund des bei der Kondensation anfallenden geringeren Druckes wird das aus dem
Sorptionsmaterial ausgetriebene Adsorptiv sozusagen in die Kondensator- Verdampfer-Einheit 6 aus der Adsorber-Desorber-Einheit 2 durch das adsorptivdurchlässige Element 7 angesaugt.
Nach einer vorgegebenen Zeitspanne (beispielsweise von 30 Minuten) ist der erste Zyklus - Desorptionszyklus - beendet. Zu diesem Zeitpunkt ist idealerweise das Adsorbat vollständig aus dem Sorptionsmaterial ausgetrieben und liegt in kondensierter Form, das heißt in flüssiger Phase, in der Kondensator-Verdampfer- Einheit 6 an. Wie in Figur 1 dargestellt, wird sich ein gewisser Flüssigkeitsspiegel in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 einstellen.
Der Betrieb der dargestellten Feststoff-Sorptionswärmepume wird jetzt in die zweite Phase - Adsorptionsphase - durch Umschalten der entsprechenden Leitungsführung im Wärmeträgerkreislauf überführt. Dabei wird die Adsorber- Desorber-Einheit 2, das heißt der Wärmetauscher 3 derselben, mit einer Heizeinrichtung, beispielsweise zum Aufheizen eines Raumes oder Gebäudes, verbunden. Das Kondensations-Verdampfungs-Rohr 11 der Kondensator- Verdampfer-Einheit 6 wird mit einer Niedertemperaturquelle verbunden. Die Adsorber-Desorber-Einheit 2 wird durch Wärmeabgabe abgekühlt. Dabei wird der Arbeitsstoff wieder vom Sorptionsmaterial adsorbiert, nachdem es zuvor in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verdampft wurde. Auch dieser zweite Zyklus kann beispielsweise eine halbe Stunde betragen, ist aber insbesondere etwas länger als die Desoptionsphase. Danach befindet sich die Feststoff- Sorptionswärmepumpe wieder in der Ausgangssituation für die erste Phase, das heißt, das Adsorbat ist idealerweise vollständig im Sorptionsmaterial adsorbiert. Adsorptionsphase und Desorptionsphase laufen somit zyklisch ab.
In Figur 2 ist die Systemeinbindung einer Ausführung einer erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe in ein Heizungssystem gezeigt. Das Heizungssystem umfasst, wie in Figur 2a dargestellt ist, einen Heizkreislauf 20, an den eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 , eine Hochtemperaturquelle 21 in
Form eines Brenners mit einem angeschlossenen Wärmeübertrager, eine Niedertemperaturquelle 22 und eine Heizeinrichtung 23 mit einem Abgaswärmeübertrager 23.1 und einer Heizung 23.2 angeschlossen sind. In den Heizkreislauf 20 sind ein Heizkreisverteiler 24 und Heizkreislaufventile 25 in einer Bypassschaltung angeordnet. Damit können drei verschiedene Betriebsphasen eingestellt werden, welche nachfolgend beschrieben werden.
Als Brenner können beliebige konventionelle Brenner, beispielsweise mit Gas, Öl oder anderen Brennstoffen, eingesetzt werden. Als Niedertemperaturquelle sind insbesondere Außenluftwärmetauscher, Erdkollektoren oder Grundwasser geeignet. Durch die Bypassschaltung ist ein bivalenter Betrieb von Brenner und Wärmepumpe möglich (Phase 3 - Bypass).
Durch die gezeigte Systemeinbindung ist es möglich, die Wärmepumpe mit einem öl- oder gasbetriebenen Brenner in einer Weise zu kombinieren, dass sowohl die Brennwertnutzung durch Kondensation der Abgase als auch die Nutzung der Wärmepumpe kombiniert werden können. Hierzu sind zwei getrennte
Wärmeüberträger für die Wärmeauskopplung aus der Brennkammer und die Kondensation der Abgase vorgesehen. Auf den Abgaswärmeüberträger 23.1 kann auch verzichtet werden, wenn eine Nutzung der Wärmeenergie der Abgase entbehrlich ist.
In Figur 2b ist der Heizkreisverteiler 24 und dessen Verschaltungsmöglichkeiten nochmals in größerem Detail dargestellt. Schematisch ist die Anordnung der verschiedenen Elemente - Hochtemperaturquelle 21 , Niedertemperaturquelle 22, Heizeinrichtung 23, Adsorber-Desorber-Einheit 2 und Kondensator-Verdampfer- Einheit 6 - dargestellt und deren Verschaltung im Heizkreislauf 20 mittels des
Heizkreisverteilers 24. Der Heizkreisverteiler 24 umfasst drei Heizkreislaufventile 25, die insbesondere als Motor-3-Wege-Ventile ausgebildet sind.
Der gezeigte Verteiler 24 ist derart ausgebildet, dass folgende Verschaltungsmöglichkeiten (Phasen) eingestellt werden können: Phase 1 - Desorption: Die Hochtemperaturquelle 21 ist mittels eines Strömungskreislaufes von einem Wärmeträger mit der Adsorber-Desorber-Einheit 2 verbunden; die Kondensator- Verdampfer-Einheit 6 ist mittels eines Strömungskreislaufes von einem Wärmeüberträger mit der Heizeinrichtung 23 verbunden; die Niedertemperaturquelle 22 ist gegenüber dem restlichen Heizkreislauf abgesperrt.
Phase 2 - Adsorption: Die Hochtemperaturquelle 21 ist gegenüber dem restlichen Heizkreislauf abgesperrt; die Heizeinrichtung 23 ist mittels eines Strömungskreislaufes von einem Wärmeträger mit der Adsorber-Desorber-Einheit 2 verbunden; die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 ist mittels eines Strömungskreislaufes von einem Wärmeträger mit der Niedertemperaturquelle 22 verbunden.
Phase 3 - Bypass: Die Niedertemperaturquelle 22, die Adsorber- Desorber-Einheit 2 und die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sind gegenüber dem restlichen Heizkreislauf abgesperrt; die Hochtemperaturquelle 21 ist mit einem Strömungskreislauf von einem Wärmeträger mit der Heizeinrichtung 23 verbunden.
Die Schaltstellungen der einzelnen Heizkreislaufventile 25 für die Phasen 1 und 2 sind aneinandergekoppelt. Anstelle der in Figur 2b dargestellten getrennten
Ventile ist es auch möglich, im Heizkreisverteiler einen Ventilblock vorzusehen.
Die Zyklendauer (Phasendauer) der Sorptionswärmepumpe wird an die Wärmeabgabe der Heizeinrichtung angepasst. Die Phasen 1 und 2 (Desorption und Adsorption) werden alternierend jeweils so lange durchgeführt, bis die
Vorlauftemperatur den aus der Heizkurve bestimmten Sollwert des Heiznetzes unterschreitet. Dadurch kann trotz diskontinuierlichen Betriebes der Wärmepumpe eine gleichmäßige Wärmeabgabe geleistet werden. Die Phase 3 (Bypass) wird eingestellt, wenn aufgrund der Betriebsbedingungen das Wärmeverhältnis der Wärmepumpe den Wert Eins erreicht. In diesem Fall wird die Hochtemperaturquelle 21 , beispielsweise ein Brenner, direkt an das Heiznetz, das heißt die Heizeinrichtung 23 gekoppelt.
Die Wärmeströme in den einzelnen Phasen 1 bis 3 sind noch einmal in der Figur 5 dargestellt. Figur 5a zeigt die Phase 1 (Desorptionsphase). Von der Hochtemperaturquelle 21 fließt ein Wärmestrom in die Adsorber-Desorber-Einheit 2 der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1. Hier wird durch Erwärmung des
Sorptionsmaterials das Adsorbat gelöst und strömt dampfförmig zur Kondensator- Verdampfer-Einheit 6, wo es kondensiert wird. Die Kondensationswärme wird von der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 in einem Wärmestrom zur Heizeinrichtung 23 geleitet. Die Niedertemperaturquelle 22 ist gegenüber dem Heizkreislauf isoliert.
In Figur 5b sind die Wärmeströme in der Phase 2 (Desorptionsphase) dargestellt. Die Hochtemperaturquelle 21 ist gegenüber dem restlichen System, das heißt dem Heizkreislauf isoliert. Die Niedertemperaturquelle 22 ist mittels des Heizkreisverteilers 24 derart an die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 der
Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 angeschlossen, dass ein Wärmestrom von der Niedertemperaturquelle 22 zur Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 fließt. Der flüssige Arbeitsstoff wird in der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verdampft und strömt dampfförmig zur Adsorber-Desorber-Einheit 2, wo es sich am Sorptionsmaterial anlagert. Die Wärme der in Phase 1 aufgeheizten Adsorber-
Desorber-Einheit 2 wird in einem Wärmestrom zur Heizeinrichtung 23 befördert. Somit können Wärmeverhältnisse von über 100 Prozent erreicht werden, das heißt idealerweise werden 100 Prozent der Heizenergie der Hochtemperaturquelle 21 in Phase 1 auf die Heizeinrichtung 23 übertragen und weitere 80 Prozent in Phase 2 durch den Wärmestrom aus der Niedertemperaturquelle 22 und die
Adsorption in der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1. In Figur 5c ist die Phase 3 (Bypassphase) dargestellt. Wie man sieht, ist mittels des Heizkreisverteilers 24 die Hochtemperaturquelle 21 direkt mit der Heizeinrichtung 23 verschaltet, so dass der Wärmestrom von der Hochtemperaturquelle 21 unmittelbar zur Heizeinrichtung 23 fließt. Die Feststoff- Sorptionswärmepumpe 1 , das heißt Adsorber-Desorber-Einheit 2 und
Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sowie die Niedertemperaturquelle 22 sind vom restlichen System isoliert.
In Figur 3 ist eine erste vorzugsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Feststoff-Sorptionswärmepumpe dargestellt. Figur 3a zeigt eine Adsorber-
Desorber-Einheit mit einem Aufnahmekörper 9 in einer Lamellenform. Man kann die Adsorber-Desorber-Einheit auch als Lamellen-Adsorber bezeichnen. In Figur 3a ist eine Seitenansicht des Lamellen-Adsorbers dargestellt und in Figur 3b eine Aufsicht auf ein einzelnes Lamellenblatt. Beispielsweise kann ein handelsüblicher Lamellenwärmetauscher verwendet werden, der, wie in den Figuren 5a und 5b dargestellt ist, entsprechend angepasst wird.
Zwischen die Lamellen des Aufnahmekörpers 9 ist das Feststoff-Sorptionsmaterial 4 eingebracht, derart, dass ein möglichst guter Wärmeübergang vom Wärmetauscher über die Lamellen auf das Feststoff-Sorptionsmaterial 4 stattfindet. Der Wärmetauscher umfasst horizontale Rohrabschnitte, welche über Umlenkungen 13 miteinander verbunden sind, so dass der im Wärmetauscher geführte Wärmeträger von einem horizontalen Abschnitt über eine Umlenkung 13 in den nächsten, beispielsweise darunterliegenden, horizontalen Abschnitt geführt wird. Die Umlenkungen 13 ragen seitlich aus dem Aufnahmekörper 9 heraus.
Die Lamellen des Aufnahmekörpers 9 sind senkrecht ausgerichtet, um eine leichte Entlüftung der dadurch meist waagerecht angeordneten Rohrschleifen zu ermöglichen. Die einzelnen Lamellen umfassen Öffnungen für den Dampftransport, die nicht mit Rohren ausgefüllt sind. In die Öffnungen können perforierte Rohre, Bleche oder Drahtnetze eingebracht werden, um Dampfkanäle auszubilden. In Figur 3b ist ein einzelnes Lamellenblatt 17 mit darin eingebrachten Wärmeträgerrohren 18 und Dampfkanälen 19 dargestellt. Das Wärmeträgerrohr 18 ist beispielsweise der genannte horizontale Rohrabschnitt des Wärmetauschers 3, und kann beispielsweise mit Wasser als Wärmeträger durchströmt werden.
Der Aufnahmekörper 9 wird mit dem Sorptionsmaterial befüllt. Um zu verhindern, dass das Material herausrieselt, kann ein Drahtnetz oder ein perforiertes Blech umspannt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Lamellen, die beispielsweise aus Kupfer- oder Aluminiumblech hergestellt sind, mit dem Sorptionsmaterial beschichtet werden.
Die in der Figur 3b gezeigten Dampfkanäle 19, welche durch die nicht mit Rohren ausgefüllten Öffnungen in den einzelnen Lamellen ausgebildet sind, arbeiten als Verteiler (Adsorption) beziehungsweise als Sammler (Desorption) des Dampfes. In der Adsorptionsphase strömt der Dampf von außen waagerecht in die
Dampfkanäle 19 hinein und verteilt sich ausgehend von den Dampfkanälen 19 im Sorptionsmaterial 4, welches als Schüttung zwischen den Lamellen eingebracht ist. Dabei ist der Strömungswiderstand des Dampfes in den Dampfkanälen 19 im Vergleich zu dem Strömungswiderstand der Dampfströmung durch die Schüttung äußerst gering. Um den Gesamtströmungswiderstand gering zu halten, ist es daher vorteilhaft, den maximalen Dampfweg durch die Schüttung auf maximal 20 Millimeter zu begrenzen. Dies kann durch eine vorgegebene Verteilung der Bohrungen in den Lamellen erreicht werden.
Der maximale Dampfweg durch die Schüttung ergibt sich durch die Strecke, welche der Dampf ausgehend von einer Bohrung in einer Lamelle beziehungsweise von einem Dampfkanal 19 radial nach außen zurücklegt. Um diese Strecke auf ca. 20 Millimeter zu begrenzen, beträgt gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Abstand zwischen einem Dampf kanal 19 und den benachbarten Rohren 25 Millimeter oder weniger. Vorteilhaft werden handelsübliche Lamellen in einer solchen Weise verschaltet, dass nur jede zweite Lochreihe mit einem Rohr ausgefüllt ist und die freien Lochreihen mit einem eingefügten zylindrischen Drahtnetz (alternativ auch mit perforierten Rohren oder Blechen) versehen sind, um die Dampfkanäle 19 auszubilden. Das eingefügte zylindrische Drahtnetz besteht vorteilhaft aus demselben Material wie die Lamelle, um Kontaktkorrosion zu vermeiden. Durch das eingefügte zylindrische Drahtnetz werden die Dampfkanäle 19 frei von der Schüttung des Sorptionsmaterial 4 gehalten, um so den Strömungswiderstand des Dampfes in den Dampfkanälen 19 gering zu halten.
In der Desorptionsphase sammeln die entsprechend ausgestalteten Dampfkanäle 19 das aus dem Sorptionsmaterial gelöste Adsorptiv, welches wiederum maximale die Strecke, welche einem Radius des Einzugsbereichs um einen einzelnen Dampfkanal entspricht, durch die Schüttung zurücklegt.
In Figur 3c ist die vollständige Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 mit einem Aufnahmekörper 9 gemäß der Figuren 3a und 3b dargestellt. Wie man sieht, umfasst auch die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 einen entsprechend ausgebildeten Aufnahmekörper 10. Man könnte die Kondensator-Verdampfer- Einheit auch als Lamellenverdampfer/-kondensator bezeichnen.
Die Adsorber-Desorber-Einheit 2 und die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet und durch einen Keramikschwamm 8 voneinander getrennt. Das gemeinsame Gehäuse 5 besteht aus einem dünnen Blech, welches beide Elemente umhüllt. Die mechanische Stabilität des Bleches wird durch die Unterstützung der Ränder des Wärmetauschers 3 im Bereich der Rohrumlenkungen 13 gesichert.
Der Abstand zwischen Adsorber-Desorber-Einheit und Kondensator-Verdampfer- Einheit wird durch den Keramikschwamm 8 hergestellt, welcher eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, jedoch eine ausreichende Dampfdurchlässigkeit und Stabilität. Der Dampftransport, das heißt die Strömung des Adsorptivs, zwischen
Adsorber-Desorber-Einheit 2 und Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verläuft im Bereich der Rohrumlenkungen 13 der Lamellenwärmeüberträger. Die Blechverkleidung ist vakuumdicht gegenüber der Umgebung ausgeführt.
Durch die in Figur 3 gezeigte Ausführung ist es möglich, die gesamte Feststoff- Sorptionswärmepumpe mit einer geringen Wärmekapazität auszuführen, aufgrund des einfachen Aufbaues mit wenigen Rohrleitungen und geringer Wandstärke, und dadurch ein besonders hohes Wärmeverhältnis zu erreichen.
Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Feststoff-Sorptionswärme- pumpe mit einem Aufnahmekörper. Der in den Figuren 4a und Figur 4b dargestellte Aufnahmekörper 9 der Adsorber-Desorber-Einheit 2 ist als Metallschwamm ausgebildet. Der Metallschwamm dient der Wärmeübertragung zwischen dem in dem Wärmetauscher 3 geführten Wärmeträger und dem Sorptionsmaterial. Der Metallschwamm ist offenporig ausgeführt und mit Sorptionsmaterial befüllt oder beschichtet. Der Metallschwamm kann mit einem
Drahtnetz oder einem perforierten Blech umspannt werden, um zu verhindern, dass das Sorptionsmaterial herausrieselt.
Die Rohrleitungen des Wärmetauschers 3 sind in den Metallschwamm eingebracht. Die Verbindung zwischen dem Metallschwamm und der Rohrleitung ist gut wärmeleitend, dies kann insbesondere durch Eingießen oder Einlöten des Rohres erreicht werden.
Wie in Figur 4b dargestellt ist, können in den Metallschwamm zusätzliche Dampf kanäle 19 eingestanzt werden.
Der Wärmetauscher 3 kann wiederum aus horizontalen Rohrabschnitten 12 aufgebaut sein, die durch Umlenkungen 13 miteinander verbunden sind. Wie in der Draufsicht in Figur 4b dargestellt ist, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Wärmetauscher, umfassend drei vertikal nebeneinander angeordnete
Rohrschleifen, in den Metallschwamm eingebracht. Der Metallschwamm kann dabei vorzugsweise aus drei quaderförmigen Abschnitten hergestellt sein, mit jeweils einem eingebrachten Rohrabschnitt, die bündig zueinander in dem gemeinsamen Gehäuse 5 angeordnet sind. Dadurch ist es besonders leicht möglich, die Dampfkanäle 19 in den Aufnahmekörper 9, das heißt den Metallschwamm, einzubringen. Selbstverständlich ist es auch möglich, den Metallschwamm derart zu segmentieren, dass die Rohre des Wärmetauschers 3 zwischen zwei benachbarte Segmente eingelegt werden können.
Die Dampfkanäle können mit perforierten Rohren, Blechen oder Drahtnetzen versehen werden, um ein Herausrieseln des Feststoff-Sorptionsmateriales 4 zu verhindern.
In Figur 4c ist eine komplette Feststoff-Sorpitonswärmepumpe 1 mit einer Adsorber-Desorber-Einheit 2, umfassend einen Aufnahmekörper 9, der als Metallschwamm ausgebildet ist, und einer Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 mit einem Aufnahmekörper 10, der ebenfalls entsprechend als Metallschwamm ausgeführt ist, in einem gemeinsamen Gehäuse 5 dargestellt. Die beiden Einheiten 2, 6 sind übereinander benachbart angeordnet und ausschließlich durch einen Keramikschwamm 8 voneinander getrennt. Das gemeinsame Gehäuse 5 besteht aus einem dünnen Blech, vorzugsweise mit einer Wandstärke von 0,1 bis 0,5 mm, das auf die Ränder der Aufnahmekörper 9 und 10 und den zwischengeschalteten Keramikschwamm 8 aufgelegt ist. Die mechanische Stabilität des Bleches wird dabei durch das Auflegen auf die Metallschwämme beziehungsweise den Keramikschwamm hergestellt, so dass das Blech selber statisch instabil ausgeführt sein kann. Dadurch sind besonders geringe Wandstärken möglich, welche wiederum zu einer besonders geringen
Wärmekapazität der gesamten Feststoff-Sorptionswärmepumpe führen.
Der Dampftransport zwischen der Adsorber-Desorber-Einheit 2 und der Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 verläuft durch den Keramikschwamm und in den Dampfkanälen 19, welche in die Adsorber-Desorber-Einheit 2 eingebracht sind. Wie dargestellt, ist die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 unterhalb der Adsorber- Desorber-Einheit 2 ausgeführt und weist mindestens eine Höhe auf, die so groß ist, wie der maximale Füllstand mit anfallendem Kondensat.
In Figur 6 ist eine vorzugsweise Ausführung des gemeinsamen Gehäuses 5 dargestellt. In den Innenraum wird die Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 geschaltet, die in dieser Ansicht selber nicht dargestellt ist. Das Gehäuse 5 ist zweischalig ausgeführt, umfassend eine innere Schale, die vorzugsweise aus einem dünnen Metallblech hergestellt ist, und eine äußere Schale, die vorzugsweise ebenfalls aus einem dünnen Metallblech hergestellt ist.
In den Zwischenraum zwischen die beiden Schalen, das heißt zwischen die innere Blechverkleidung 26 und die äußere Blechverkleidung 27, ist vorzugsweise eine Granulatschüttung 14 eingebracht, welche eine derartige mechanische Stabilität aufweist, dass sie Druckkräfte zwischen den beiden Blechverkleidungen 26, 27 überträgt. Dadurch ist es möglich, diese anfallenden Kräfte nach innen auf beispielsweise in den vorherigen Figuren dargestellten Aufnahmekörper beziehungsweise Wärmetauscherrohre zu übertragen. Somit können auch die Blechverkleidungen 26 und 27 in besonders geringer Wandstärke ausgeführt werden, um die Kapazität der Feststoff-Sorptionswärmepumpe gering zu halten.
An das dargestellte Gehäuse ist ein Evakuierungsstutzen 28 angeschlossen, der vorzugsweise zweigeteilt durch Ineinanderschalten eines inneren Rohres in ein äußeres Rohr ausgeführt ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, getrennte Stutzen anzuordnen. Mittels des Evakuierungsstutzens 28 kann sowohl der
Innenraum der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 wie auch der Zwischenraum zwischen den beiden Schalen des Gehäuses 5 evakuiert werden. Die Evakuierung des Innenraumes der Feststoff-Sorptionswärmepumpe 1 dient dabei der Einstellung eines vorgegebenen Druckes entsprechend der Erfordernisse des verwendeten Arbeitspaares. Die Evakuierung des Zwischenraumes im Gehäuse 5 dient der optimalen Wärmedämmung. Seitlich im Gehäuse 5 sind die Rohrdurchführungen 29 für die Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit und der Kondensator-Verdampfer-Einheit dargestellt.
Als Dämmmaterial, das zwischen die beiden Schalen des Gehäuses 5 eingebracht wird, kann beispielsweise Silikagel, Perlit oder Schaumglasperlen verwendet werden.
In der Figur 7 ist eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei dieser Ausführung sind die Adsorber-Desorber-Einheit 2 und die Kondensator- Verdampfer-Einheit 6 in getrennten Gehäusen 5.1 und 5.2 angeordnet. Die
Innenräume beider Gehäuse 5.1 und 5.2 sind beispielsweise wie dargestellt, durch Rohrleitungen miteinander verbunden. Wie man sieht, ist jedes der Gehäuse 5.1 und 5.2 als dünne Blechummantelung ausgeführt, welche auf die Aufnahmekörper 9 beziehungsweise 10 aufgelegt ist, mit Ausnahme der Bereiche, in welchen die Umlenkungen 13 vorgesehen sind, auf weiche die Blechummantelungen dort aufgelegt sind. Selbstverständlich ist es möglich, die beiden Baueinheiten, das heißt die Adsorber-Desorber-Einheit 2 und die Kondensator-Verdampfer-Einheit 6 beliebig getrennt voneinander anzuordnen, sofern durch geeignete Verbindungsleitungen die Dampfströmung zwischen den beiden Baueinheiten sichergestellt wird.
Die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungen der Erfindung weisen verschiedene Vorteile auf. So kann ein besonders einfacher, kompakter Aufbau erreicht werden. Durch die Verwendung einer Blechverkleidung als Vakuumbehälter kann eine besonders geringe spezifische Wärmekapazität erreicht werden und damit ein hohes Wärmeverhältnis auch ohne innere Wärmerückgewinnung. Der Einsatz einer vakuumsuperisolierten Wärmedämmung in einem doppelwandigen Behälter ist möglich. Zugleich ist eine leichte Anpassung des diskontinuierlichen Wärmepumpenbetriebs an den Heizbedarf durch eine variable Zyklendauer möglich. Dadurch werden externe Pufferspeicher, wie sie in herkömmlichen thermisch angetriebenen Wärmepumpen häufig eingesetzt werden, vermieden. Bezugszeichenliste
1 Feststoff-Sorptionspumpe
2 Adsorber-Desorber-Einheit
3 Wärmetauscher
5 4 Feststoff-Sorptionsmaterial
5 Gehäuse
6 Kondensator-Verdampfer-Einheit
7 adsorptivdurchlässiges Element
8 Keramikschwamm 10 9 Aufnahmekörper
10 Aufnahmekörper
11 Kondensations-Verdampfungs-Rohr
12 Rohrabschnitt
13 Umlenkung
, 15 14 Granulatschüttung
15 Dampfraum
16 Kondensatraum
17 Lamellenblatt
18 Wärmeträgerrohr 20 19 Dampfkanal
20 Heizkreislauf
21 Hochtemperaturquelle
22 Niedertemperaturquelle
23 Heizeinrichtung
25 23.1 Abgaswärmeüberträger
23.2 Heizung
24 Heizkreisverteiler
25 Heizkreislaufventil
26 innere Blechverkleidung 30 27 äußere Blechverkleidung
28 Evakuierungsstutzen
29 Rohrdurchführung

Claims

Patentansprüche
1. Feststoff-Sorptionswärmepumpe (1), umfassend:
1.1 eine Adsorber-Desorber-Einheit (2), mit einem Wärmetauscher (3) und einem Feststoff-Sorptionsmaterial (4);
1.2 die Adsorber-Desorber-Einheit (2) ist in einem gemeinsamen, zur Umgebung abgedichteten Gehäuse (5) zusammen mit einer Kondensator- Verdampfer-Einheit (6) angeordnet, wobei die Adsorber-Desorber-Einheit (2) und die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) durch ein adsorptivdurchlässiges Element (7) voneinander getrennt sind; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.3 die Adsorber-Desorber-Einheit (2) umfaßt einen wärmeleitenden Aufnahmekörper (9), der in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmetauscher (3) angeordnet ist; 1.4 der Aufnahmekörper (9) nimmt das Sorptionsmaterial (4) auf;
1.5 der Aufnahmekörper (9) verleiht der Adsorber-Desorber-Einheit (2) ihre Stabilität;
1.6 der innenraum des gemeinsamen Gehäuses (5) ist mit einem Unterdruck beaufschlagt und das gemeinsame Gehäuse (5) ist als dünnwandige Blechummantelung ausgeführt, die derart auf den Aufnahmekörper (9) aufgelegt ist, dass die durch den Unterdruck erzeugten Kollabierungskräfte auf den Aufnahmekörper (9) und/oder den Wärmetauscher (3) und die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) abgeleitet werden.
2. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) im gemeinsamen Gehäuse (5) unterhalb der Adsorber-Desorber-Einheit (2) angeordnet ist.
3. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das adsorptivdurchlässige Element (7) als ein dampfdurchlässiger Schwamm, insbesondere Keramik-Schwamm (8), ausgebildet ist, der einen vorgegebenen Abstand zwischen der Adsorber- Desorber-Einheit (2) und der Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) herstellt.
4. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) einen gleichartigen Aufnahmekörper (10) wie die Adsorber-Desorber- Einheit (2) umfasst, der derart aufgebaut ist, dass er von einem Wärmeträger durchströmte Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) zum Abführen von Kondensationswärme und Zuführen von Verdampfungswärme aufnimmt und die strukturelle Stabilität der
Kondensator-Verdampfer-Einheit herstellt.
5. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmekörper (9, 10) als Lamellenkonstruktion oder Metallschwamm ausgeführt ist.
6. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gehäuse (5) derart auf die Aufnahmekörper (9, 10) und insbesondere auf Abschnitte des Wärmetauschers (3) und der Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) aufgelegt ist, dass die durch den Unterdruck erzeugten Kollabierungskräfte auf die Aufnahmekörper (9, 10) und/oder den Wärmetauscher (3) und die Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) abgeleitet werden.
7. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) und die Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) jeweils in Form von einer oder mehreren Rohrschleifen ausgebildet sind, wobei jede Rohrschleife eine Vielzahl von horizontal angeordneten Rohrabschnitten (12) umfasst, die an ihren horizontalen Enden durch Umlenkungen (13) wärmeträgerführend miteinander verbunden sind.
8. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechummantelung von außen auf die Umlenkungen (13) aufgelegt ist.
9. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (9) und/oder der Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit (2) mit dem Feststoff- Sorptionsmaterial (4) beschichtet ist/sind.
10. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gemeinsame Gehäuse (5) als zweischaliges Gehäuse ausgebildet ist, dessen Zwischenraum zwischen den Schalen mit einem druckkräfteübertragenden, wärmedämmenden Material, insbesondere einer Granulatschüttung (14) aufgefüllt ist, und dass der Zwischenraum zwischen den Schalen evakuiert ist.
11. Feststoff-Sorptionswärmepumpe (1), umfassend: 11.1 eine Adsorber-Desorber-Einheit (2), mit einem Wärmetauscher (3) und einem Feststoff-Sorptionsmaterial (4); 11.2 eine Kondensator-Verdampfer-Einheit (6); wobei
11.3 die Adsorber-Desorber-Einheit (2) einen wärmeleitenden Aufnahmekörper (9) umfasst, der in wärmeleitender Verbindung mit dem Wärmetauscher (3) angeordnet ist;
11.4 der Aufnahmekörper (9) nimmt das Sorptionsmaterial (4) auf; 11.5 der Aufnahmekörper (9) verleiht der Adsorber-Desorber-Einheit (2) ihre
Stabilität; 11.6 die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) umfasst einen wärmeleitenden
Aufnahmekörper (10), der derart aufgebaut ist, dass er von einem
Wärmeträger durchströmte Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) zum Abführen von Kondensationswärme und Zuführen von
Verdampfungswärme aufnimmt und der Kondensator-Verdampfer-Einheit
(6) ihre Stabilität verleiht;
11.7 die Adsorber-Desorber-Einheit (2) ist in einem ersten, zur Umgebung abgedichteten Gehäuse (5.1) und die Kondensator-Verdampfer-Einheit (6) in einem zweiten, zur Umgebung abgedichteten Gehäuse (5.2) angeordnet, wobei die Innenräume der Gehäuse (5.1 , 5.2) mit einem Unterdruck beaufschlagt sind und mittels mindestens einer dampfleitenden Verbindung miteinander verbunden sind;
11.8 die Gehäuse (5.1 , 5.2) sind als dünnwandige Blechummantelungen ausgeführt, die derart auf die Aufnahmekörper (9, 10) aufgelegt sind, dass die durch den Unterdruck erzeugten Kollabierungskräfte auf die Aufnahmekörper (9, 10) und/oder den Wärmetauscher (3) und die
Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) abgeleitet werden.
12. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmekörper (9, 10) als Lamellenkonstruktion oder Metallschwamm ausgeführt sind.
13. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) und die Kondensations-Verdampfungs-Rohre (11) jeweils in Form von einer oder mehreren Rohrschleifen ausgebildet sind, wobei jede Rohrschleife eine
Vielzahl von horizontal angeordneten Rohrabschnitten (12) umfasst, die an ihren horizontalen Enden durch Umlenkungen (13) Wärmeträgerführend miteinander verbunden sind.
14. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechummantelungen von außen auf die Umlenkungen (13) aufgelegt sind.
15. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (9) und/oder der
Wärmetauscher der Adsorber-Desorber-Einheit (2) mit dem Feststoff- Sorptionsmaterial (4) beschichtet ist/sind.
16. Feststoff-Sorptionswärmepumpe gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäuse (5.1, 5.2) als zweischalige Gehäuse ausgebildet sind, deren Zwischenräume zwischen den Schalen mit einem druckkräfteübertragenden, wärmedämmenden Material, insbesondere einer Granulatschüttung (14) aufgefüllt sind, und dass die
Zwischenräume zwischen den Schalen evakuiert sind.
17. Heizungssystem, umfassend:
17.1 einen Heizkreislauf (20), der von einem Wärmeträger durchströmt wird; 17.2 eine Hochtemperaturquelle (21), die an den Heizkreislauf (20) angeschlossen ist, zum Zuführen von Wärme in den Wärmeträger auf einem vorgegebenen ersten Temperaturniveau;
17.3 eine Niedertemperaturquelle (22), die an den Heizkreislauf (20) angeschlossen ist, zum Zuführen von Wärme in den Wärmeträger auf einem vorgegebenen zweiten Temperaturniveau, das unterhalb des ersten
Temperaturniveaus liegt;
17.4 eine Heizeinrichtung (23), die an den Heizkreislauf (20) angeschlossen ist, zum Abführen von Wärme aus dem Wärmeträger auf einem vorgegebenen dritten Temperaturniveau, das zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturniveau liegt;
17.5 eine Feststoff-Sorptionswärmepumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, die an den Heizkreislauf (20) angeschlossen ist;
17.6 einen Heizkreisverteiler (24) und/oder Heizkreislaufventile (25), der/die an den Heizkreislauf (20) angeschlossen ist/sind, zum selektiven Einstellen der Strömung des Wärmeträgers durch den Heizkreislauf (20).
18. Heizungssystem gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreisverteiler (24) und/oder die Heizkreislaufventile (25) einstellbar für drei Schaltphasen ist/sind: 18.1 eine erste Schaltphase - Desorptionsphase - , in der ein erster
Strömungskreislauf des Wärmeträgers zwischen der Hochtemperaturquelle (21) und der Adsorber-Desorber-Einheit (2) hergestellt ist und ein zweiter Strömungskreislauf des Wärmeträgers zwischen der Kondensator- Verdampfer-Einheit (6) und der Heizeinrichtung (23);
18.2 eine zweite Schaltphase - Adsorptionsphase -, in der ein erster Strömungskreislauf des Wärmeträgers zwischen der Heizeinrichtung (23) und der Adsorber-Desorber-Einheit (2) eingestellt ist und ein zweiter
Strömungskreislauf des Wärmeträgers zwischen der Niedertemperaturquelle (22) und der Kondensator-Verdampfer-Einheit (6);
18.3 eine dritte Schaltphase - Bypassphase -, in der ein Strömungskreislauf des Wärmeträgers zwischen der Hochtemperaturquelle (21) und der Heizeinrichtung (23) eingestellt ist.
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