WO2021089818A1 - Eine adsorptionskältemaschine oder - wärmepumpe mit kältemittelverteilung in der flüssigphase und ein verfahren zum betreiben der adsorptionskältemaschine oder - wärmepumpe - Google Patents

Eine adsorptionskältemaschine oder - wärmepumpe mit kältemittelverteilung in der flüssigphase und ein verfahren zum betreiben der adsorptionskältemaschine oder - wärmepumpe Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an adsorption chiller or heat pump according to the preamble of claim 1 and a method for operating an adsorption chiller or heat pump according to claim 13.
  • Adsorption chillers or adsorption heat pumps usually consist of an adsorber, an evaporator and a condenser.
  • the evaporator and the condenser can also be combined in one device to form an evaporator / condenser.
  • a refrigerant is adsorbed in the adsorber, which evaporates from the evaporator and extracts heat from the surroundings via external thermal contact.
  • the refrigerant is driven out of the adsorber by an external supply of heat.
  • the desorbed refrigerant is condensed again in the condenser and releases the heat previously withdrawn during the evaporation process and the heat supplied during the desorption to the environment via a further thermal contact. As a result, heat is pumped from the thermal contact of the evaporator to the thermal contact of the condenser.
  • the object on which the invention is based is therefore to specify an adsorption refrigeration machine or heat pump and a method for operating such a device with which the aforementioned disadvantages can be avoided.
  • the losses due to the thermal mass of the evaporator, the condenser or the evaporator / condenser should be minimized.
  • the object is achieved with an adsorption chiller or heat pump with the features of claim 1 and a method for operating an adsorption chiller or heat pump with the features of claim 13.
  • the adsorption chiller or heat pump comprises at least one module with an adsorber, a mixed evaporator and a mixed condenser.
  • the adsorber with the mixing evaporator and the mixing condenser in the module is structurally in a common, preferably thermally insulated, adsorber container with an externally thermally contactable adsorber section for receiving the adsorber and an externally thermally insulated mixing section for receiving the mixing evaporator and the Mixing condenser is combined and included.
  • the mixing section is designed so that a refrigerant can flow through it, so that after flowing through the mixing section, the refrigerant can be fed to an external heat exchanger separate from the module, the mixing section being set up to allow evaporation and / or condensation of the refrigerant.
  • a solution is proposed in which there is no refrigerant distribution between the adsorbers in the vapor phase.
  • the refrigerant exists exclusively within the respective module in whose adsorber container the corresponding adsorber is located.
  • the refrigerant itself or more precisely, the portion of the refrigerant that does not undergo a phase change during evaporation and condensation, serves as a heat transport medium for transferring heat to an external heat exchanger. This also enables a structural separation between the components in which the evaporation or condensation takes place and the components that are necessary for the heat transfer with external low-temperature areas or medium-temperature areas.
  • the module according to the invention is thermally insulated and only a thermal contact between the adsorber and an external heat transfer medium is provided for switching between adsorption and desorption operation of the adsorber.
  • the actual transfer of the useful heat takes place in an external heat exchanger which is separate from the module and which is physically and thermally separated from the interior of the adsorber container and in particular from the mixed evaporator and mixed condenser arranged therein.
  • the adsorber container is preferably designed to be gas-tight and can be evacuated or adjusted to a negative pressure in order to promote evaporation processes and the exchange of steam between the adsorber area and the mixing area.
  • a liquid droplet separating the adsorber section and the mixing section is located inside the adsorber container impermeable separating means, in particular a separating screen, is provided. This avoids direct and undesired exposure of the adsorber material with the refrigerant flowing in the mixing section.
  • the adsorber section and the mixing section form an arrangement that is concentric at least in sections within the adsorber container.
  • the adsorber section can be used intensively on all sides for adsorption and desorption processes, with the available space being able to be optimally used from a technical point of view.
  • the adsorber section is surrounded by the mixing section in the concentric arrangement.
  • the mixing section is expediently designed to provide a flow of refrigerant as a divided liquid flow when the refrigerant flows through, the adsorption container containing means for generating droplets. This greatly increases the area of the refrigerant flow.
  • the means for generating droplets can be designed as a bed of fillers.
  • the means for generating drops is designed as an atomizing device.
  • the means for generating droplets can consist of an arrangement of built-in components which divide up the flow of liquid and which can be wetted, in order to form a permanent wetting liquid film.
  • the refrigerant flow runs over the multiple subdivided surface of the built-in components, dividing and splitting it up, so that its surface area also increases sustainably.
  • the mixed evaporator and the mixed condenser are structurally combined in a unit designed as a mixed evaporator / condenser.
  • the mixing section is designed as a combined structure for a mixing evaporator / condenser.
  • the mixing section can have a first section for a mixing evaporator and a second section for a mixing condenser. In this embodiment, evaporation and condensation take place at different locations within the adsorption container.
  • this is characterized by an arrangement of at least two modules through which a refrigerant can flow and an arrangement of at least one heat exchanger for thermal coupling with a low temperature area and at least one heat exchanger for thermal coupling with a medium temperature area, a pump arrangement for Generating a refrigerant flow and a valve circuit for alternating connection of the modules to the at least one heat exchanger of the low-temperature range and the at least one heat exchanger of the medium-temperature range.
  • This realizes the basic principle of a push-pull arrangement of two or more modules that continuously generates cold or pumps heat.
  • a method for operating an adsorption refrigeration machine or heat pump comprising at least one adsorber, a mixed evaporator and a mixed condenser, is also specified.
  • the part of the refrigerant flow that is not involved in the evaporation and / or condensation is transferred as a heat-transferring fluid to a downstream, external heat exchanger in thermal coupling with a low temperature range and / or medium temperature range.
  • At least one first module, at least one heat exchanger in thermal coupling with the low-temperature range and at least one heat exchanger in thermal coupling with a medium-temperature range and at least one second module are provided, with an alternating thermal circuit via two interconnected refrigerant circuits containing the refrigerant flow
  • the modules are coupled to the low-temperature range and the medium-temperature range, and the refrigerant is used as a heat-transferring fluid.
  • the module Due to the alternating thermal, in particular fluid-technical, coupling of the modules to the heat exchanger, which is thermally coupled to a medium-temperature range, and the heat exchanger, which is to the low-temperature range, the module, which is in contact with the heat exchanger for the medium-temperature range, can be in desorption mode be operated, in which on the adsorber of the module adsorbed refrigerant is expelled and condensed on the refrigerant flow. The heat transferred to the refrigerant is then dissipated via the coupled heat exchanger, which is in thermal contact with the medium-temperature range or medium-temperature circuit.
  • the module which is in contact with the heat exchanger for the low-temperature range, is operated in adsorption mode, in which water vapor, which evaporates from the refrigerant flow, is adsorbed on the module's adsorber.
  • adsorption mode in which water vapor, which evaporates from the refrigerant flow, is adsorbed on the module's adsorber.
  • heat is extracted from the refrigerant flow so that the refrigerant leaving the module can be used by the heat exchanger for the low-temperature area to cool the low-temperature area or low-temperature circuit. This enables continuous operation of the adsorption chiller or heat pump.
  • FIG. 1 shows an exemplary module according to a first exemplary embodiment
  • FIG 3 shows an adsorption refrigeration machine or heat pump according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the module 5, 6 is delimited by an adsorber container, the outer walls of which are shown schematically in FIG. 1.
  • the adsorber container has a centrally arranged adsorber area which is delimited by the dashed lines in FIG. 1.
  • a mixing area adjoins both sides of the adsorber area.
  • the adsorber area contains an adsorber 1, 2, which has connections Adm and Ad out , via which a thermal contact between the adsorber 1, 2 and an external heat source can be established.
  • the adsorber 1, 2 is surrounded on both sides by a mixing evaporator 3a, 4a and a mixing condenser 4a, 4b, which are arranged in the mixing area.
  • the mixed evaporator 3a, 4a and the mixed condenser 3b, 4b can enclose the adsorber 1, 2 on all sides and concentrically.
  • the shape of cylinders pushed one inside the other is possible here.
  • the schematic representation of the arrangement of the components within the module 5, 6 is only of a principle nature and does not represent any restriction with regard to the configuration of the components of the module 5, 6.
  • the interior of the adsorber container of the module 5, 6 serves as a phase transition space for a refrigerant that is passed through the mixing areas and the mixing evaporators 3a, 4a and mixing condensers 3b, 4b arranged there.
  • a refrigerant is introduced into the mixing evaporator 3a, 4a and the mixing condenser 3b, 4b via connections designated KM, n in an atomization device and divided into a refrigerant flow in the form of drops.
  • the refrigerant flow is collected in the lower area of the mixing evaporator 3a, 4a and the mixing condenser 3b, 4b, for example by a collecting device shown schematically, and via connections marked KM out for supply to downstream components of the adsorption chiller or heat pump, in particular for supply to heat exchangers , derived.
  • the mixing area in which the mixing evaporator 3a, 4a and the mixing condenser 3b, 4b are arranged, and in which a refrigerant flow is formed by supplying refrigerant, is the place in which the condensation or from which the evaporation of the refrigerant takes place.
  • the refrigerant flow heats up when it condenses and cools down when it evaporates.
  • the refrigerant flow more precisely, the part of the refrigerant that is not involved in the phase transition in the module 5, 6, serves as a heat transport medium.
  • no heat exchange with the external environment is provided within the mixing areas and the mixing evaporator 3a, 3b and mixing condenser 4a, 4b provided there.
  • Only the adsorber 1, 2 is thermally contacted externally via the connections AD, n and AD out.
  • the structure of the module 5, 6 differs fundamentally from the structure of conventional adsorption chillers, in which evaporators and condensers, which are in direct thermal contact with an adsorber, function as heat exchangers for transferring heat to an external heat transfer medium.
  • the heat transfer to an external heat transfer medium does not take place by conduction to a heat exchanger contained in the phase transition space, but directly by cooling or heating the portion of the refrigerant that leaves the adsorber container or module 5, 6.
  • the portion of the refrigerant that is not involved in the phase transition in the phase transition space is used for heat transfer in an external heat exchanger.
  • a separating means in particular a separating grid or a separating sieve, is arranged between the mixing areas and the adsorber area. The separating agent prevents liquid droplets from passing directly from the mixing area into the adsorber area. This ensures that only the gas phase of the refrigerant reaches the adsorber 1, 2 or penetrates from the adsorber 1, 2 to the refrigerant flow.
  • FIG. 2 shows an alternative exemplary embodiment of a module 5, 6 according to the invention.
  • the module 5, 6 is in turn bounded by an adsorber container which forms a phase transition space.
  • an adsorber area is formed which accommodates an adsorber 1, 2.
  • a mixing area is formed which is in thermal contact with the adsorber area.
  • the mixing area contains a combined mixing evaporator / condenser 3,
  • the adsorber 1, 2 is connected to a medium-temperature circuit in order to adsorb refrigerant, the refrigerant flow through the mixed evaporator 3a, 4a (FIG. 1) or the refrigerant flow in the mixing evaporator / condenser 3, 4 (Fig. 2) removed heat. The refrigerant flow is consequently cooled. If the saturated adsorber 1, 2 is connected to a flea temperature circuit for desorption, the refrigerant desorbs from the adsorber 1, 2 and condenses on the refrigerant flow through the mixed evaporator 3a, 4a (Fig. 1) or the mixed evaporator / condenser 3,
  • the refrigerant flow from the module 5, 6 is fed to a heat exchanger that is physically and physically separated from the module 5, 6 for thermal contact with an external heat transfer medium.
  • a heat exchanger that is physically and physically separated from the module 5, 6 for thermal contact with an external heat transfer medium.
  • the exemplary adsorption refrigeration machine according to FIG. 3 has two modules 5, 6, in each of which an adsorber 1, 2 is located.
  • the modules 5, 6 are shown schematically in FIG. 3 and their structure is reduced to the contained adsorbers 1, 2 and mixed evaporators / condensers 3, 4. It is also possible to design one or both of the modules 5, 6 according to the configuration shown in FIG. 1.
  • the modules 5, 6 each contain a heat exchanger in the adsorber areas, which is in contact with the adsorbent, which is introduced, for example, as a bed or applied to the heat transfer surface by a coating process.
  • the mixing area for the mixing evaporator / condenser 3, 4 in the modules 5, 6 can either contain only the spray unit or additional packing or structures to improve the phase transition, and can be separated from the adsorber space by a network, which serves as a droplet separator (interrupted Line in the drawing), as has already been explained above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the heat transfer to the heat transfer circuits for the low-temperature range NT and the condenser part of the medium-temperature range MT cd takes place through two heat exchangers 7, 8, which, in any conventional design, are used to transfer heat from a liquid, i.e. the refrigerant to a heat transfer fluid (water, thermal oil, air or other gases, Steam, secondary refrigerant in the case of a cascade connection of refrigeration machines) of the heat transfer circuits can be executed.
  • a liquid i.e. the refrigerant to a heat transfer fluid (water, thermal oil, air or other gases, Steam, secondary refrigerant in the case of a cascade connection of refrigeration machines) of the heat transfer circuits
  • the refrigerant is controlled by two pumps 9, 10 and a valve arrangement 11, 12, 13, 14, which is shown in FIG. 3 with four three-way valves 11, 12, 13, 14, in such a way that the heat exchanger 7 alternates with the Mixed evaporator / condenser 3, as well as the heat exchanger 8 with the mixed evaporator / condenser 4 and the heat exchanger 7 with the Mixed evaporator / condenser 4 and the heat exchanger 8 are connected to the mixed evaporator / condenser 3.
  • the three-way valves 11, 12, 13, 14, 2 two-way valves or special valves are also possible.
  • the module whose mixed evaporator / condenser is connected to the first heat exchanger 7, is operated in adsorption mode.
  • the associated adsorber of the module is connected to a medium temperature circuit MT ad in order to effect adsorption of the refrigerant evaporated from the refrigerant flow in the mixed evaporator / condenser on the adsorber.
  • the flow of refrigerant is thereby cooled and can be used to cool the low-temperature circuit in the first heat exchanger 7.
  • the module whose mixing evaporator / condenser is connected to the second heat exchanger 8, is operated in the desorption mode.
  • the associated adsorber of the module is connected to a high-temperature circuit in order to effect desorption of refrigerant on the adsorber and to drive out refrigerant from the adsorber, which condenses on the refrigerant flow in the mixed evaporator / condenser.
  • the refrigerant flow is heated in the process.
  • the heated refrigerant is fed to the second heat exchanger 8 in order to give off the heat there.
  • the pumps 9, 10, valves 11, 12, 13, 14, heat exchangers 7, 8 and the refrigerant circuits must be vacuum-tight.
  • the pumps 9, 10 are then advantageously magnetically coupled to the drive and must be installed in such a way that cavitation is avoided.
  • the two adsorber circuits AD1 and AD2 are connected in a known manner by three-way valves with the external circuits high temperature HT and the adsorber part of the medium temperature circuit MT ad .
  • the device shown is operated as an adsorption refrigerator. It is also possible to use the device shown as an adsorption heat pump in that the medium-temperature circuit connected to the second heat exchanger 8 is used as a useful circuit.
  • the adsorption chiller or heat pump according to the invention With the structure of the adsorption chiller or heat pump according to the invention, the evaporation / condensation process on the adsorbers and the heat transfer between the refrigerant and a heating or cooling fluid can be decoupled.
  • the refrigerant is introduced directly into the adsorber chamber of the modules according to the principle of mixing evaporators or mixing condensers, where it either evaporates or expelled refrigerant condenses on the surface.
  • This method is also known as a direct phase transition (evaporation / condensation).
  • the heat transfer to an external heat transfer medium does not take place by conduction to a heat exchanger contained in the phase transition space, but directly by cooling or heating the portion of the liquid that leaves the phase transition space.
  • the portion of the liquid that is not involved in the phase transition is used to transfer heat to an external heat exchanger.
  • the heat transfer to the two external heat transfer circuits of the low-temperature and medium-temperature circuits can be carried out in separate heat exchangers without these oscillating between the evaporation temperature and the condensation temperature.
  • temperature fluctuations only extend to the refrigerant distribution, possibly built-in components to improve the phase transition (e.g. fillers, the thermal mass of which can, however, be limited by low material thicknesses or the use of plastics) and the pipe sections between the module inlet / outlet and valves, which however can be kept very short.
  • Phase transition and heat transfer can be optimized separately using an efficient apparatus each, e.g. using Pall rings and plate heat exchangers. This significantly improves the overall efficiency, since a vibrating evaporator / condenser apparatus cannot be optimized for both tasks.
  • the two objectives contradict each other: large surface for the phase transition and short distances for the heat transfer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskältemaschine oder –wärmepumpe sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Die Adsorptionskältemaschine oder -wärmepumpe umfasst mindestens ein Modul mit einem Adsorber, einem Mischverdampfer und einem Mischkondensator. Sie zeichnet sich dadurch das, dass der Adsorber mit dem Mischverdampfer und dem Mischkondensator in dem Modul baulich in einem gemeinsamen, vorzugsweise thermisch isolierten, Adsorberbehälter mit einem extern thermisch kontaktierbaren Adsorberabschnitt zur Aufnahme des Adsorbers und einem extern thermisch isolierten Mischabschnitt zur Aufnahme des Mischverdampfers und des Mischkondensators vereinigt und enthalten ist, wobei der Mischabschnitt mit einem Kältemittel durchströmbar, ausgebildet ist, so dass das Kältemittel nach Durchströmen des Mischabschnitts einem externen, von dem Modul getrennten Wärmetauscher, zuführbar ist, wobei der Mischabschnitt dazu eingerichtet ist, eine Verdampfung und/oder Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen.

Description

EINE ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ODER - WÄRMEPUMPE MIT KÄLTEMITTELVERTEILUNG IN DER FLÜSSIGPHASE UND EIN VERFAHREN ZUM BETREIBEN DER ADSORPTIONSKÄLTEMASCHINE ODER - WÄRMEPUMPE
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 13.
Adsorptionskältemaschinen oder Adsorptionswärmepumpen bestehen üblicherweise aus einem Adsorber, einem Verdampfer und einem Kondensator. Dabei können der Verdampfer und der Kondensator in einer Vorrichtung auch zu einem Verdampfer/Kondensator vereinigt sein. In dem Adsorber wird ein Kältemittel adsorbiert, das dabei aus dem Verdampfer verdampft und dort über einen externen Wärmekontakt der Umgebung Wärme entzieht. In einem nachfolgenden Desorptionsschritt wird das Kältemittel aus dem Adsorber durch eine äußere Wärmezufuhr ausgetrieben. Das desorbierte Kältemittel wird i m Kondensator wieder kondensiert und gibt dabei die zuvor beim Verdampfungsvorgang entzogene Wärme und die bei der Desorption zugeführte Wärme über einen weiteren Wärmekontakt an die Umgebung wieder ab. Es wird hierdurch Wärme von dem Wärmekontakt des Verdampfers zu dem Wärmekontakt des Kondensators gepumpt.
Üblicherweise werden zwei oder mehr Adsorber eingesetzt, um eine kontinuierliche Kälteerzeugung bzw. ein kontinuierliches Wärmepumpen zu ermöglichen. Diese beiden Adsorber führen dabei im Gegentakt die entsprechenden Adsorptions- und Desorptionsvorgänge aus und werden entsprechend wechselseitig an den Kondensator bzw. den Verdampfer geschaltet, sodass auch das Verdampfen und Kondensieren des Kältemittels im Gegentakt und praktisch kontinuierlich erfolgen kann.
Da bei derartigen Anlagen sehr häufig Wasser als Kältemittel eingesetzt wird ergibt sich für die Konstruktion der so ausgeführten Adsorptionskältemaschinen und -Wärmepumpen folgende Problematik: Sofern getrennte Apparate für Verdampfer und Kondensator vorgesehen sein sollen, müssen die Verbindungsrohre und Ventile zwischen den Komponenten wegen der geringen Dichte von Wasserdampf einen großen Strömungsquerschnitt aufweisen. Speziell bei niedrigen Verdampfungstemperaturen wirkt sich dies als Hindernis für eine kostengünstige Konstruktion aus.
Sofern ein Apparat abwechselnd für Verdampfung und Kondensation des Kältemittels verwendet soll, der somit als Verdampfer/Kondensator wirkt, kann ein großer Strömungsquerschnitt zwar konstruktiv einfach umgesetzt werden. Problematisch ist bei einer solchen Gestaltung jedoch, dass in diesem Fall nicht nur der Adsorber, sondern auch Verdampfer/Kondensator zwischen zwei Temperaturniveaus schwingen. Denn der Verdampfer/Kondensator muss notwendigerweise zuerst in einen Wärmekontakt mit einer ersten und danach in einen Wärmekontakt mit einer zweiten Temperatur gebracht werden, die sich von der ersten Temperatur notwendigerweise unterscheidet.
Dieses Schwingen zwischen zwei verschiedenen Temperaturniveaus führt infolge der thermischen Masse und den limitierten Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung zu Leistungsverlusten und Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrads der Adsorptionskältemaschine bzw. der Adsorptionswärmepumpe.
Es besteht daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe eine Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere sollen die Verluste durch die thermische Masse des Verdampfers, des Kondensator oder des Verdampfer/Kondensators minimiert werden.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Die Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe umfasst mindestens ein Modul mit einem Adsorber, einem Mischverdampfer und einem Mischkondensator. Sie zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Adsorber mit dem Mischverdampfer und dem Mischkondensator in dem Modul baulich in einem gemeinsamen, vorzugsweise thermisch isolierten, Adsorberbehälter mit einem extern thermisch kontaktierbaren Adsorberabschnitt zur Aufnahme des Adsorbers und einem extern thermisch isolierten Mischabschnitt zur Aufnahme des Mischverdampfers und des Mischkondensators vereinigt und enthalten ist. Dabei ist der Mischabschnitt mit einem Kältemittel durchströmbar ausgebildet, so dass das Kältemittel nach Durchströmen des Mischabschnitts einem externen, von dem Modul getrennten Wärmetauscher zuführbar ist, wobei der Mischabschnitt dazu eingerichtet ist, eine Verdampfung und/oder Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird also eine Lösung vorgeschlagen, bei der auf eine Kältemittelverteilung zwischen den Adsorbern in der Dampfphase verzichtet wird. Das Kältemittel existiert in der Dampfphase ausschließlich innerhalb des jeweiligen Moduls, in dessen Adsorberbehälter sich der entsprechende Adsorber befindet. Gleichzeitig dient das Kältemittel selbst, genauer gesagt, der Anteil des Kältemittels, der bei Verdampfung und Kondensation keine Phasenänderung durchläuft, als Wärmetransportmittel zur Wärmeübertragung an einem externen Wärmetauscher. Dies ermöglicht zusätzlich eine bauliche Trennung zwischen den Komponenten, in denen die Verdampfung bzw. Kondensation abläuft, und den Komponenten, die für die Wärmeübertragung mit externen Niedertemperaturbereichen bzw. Mitteltemperaturbereichen notwendig sind. Entscheidend ist insofern, dass das erfindungsgemäße Modul thermisch isoliert ist und nur eine thermische Kontaktierung des Adsorbers mit einem externen Wärmeträgermedium zum Wechsel zwischen Adsorptions- und Desorptionsbetrieb des Adsorbers vorgesehen ist. Die eigentliche Übertragung der Nutzwärme erfolgt in einem externen, von dem Modul getrennten Wärmetauscher, der räumlich körperlich und thermisch von dem Innenraum des Adsorberbehälters und insbesondere dem darin angeordneten Mischverdampfer und Mischkondensator getrennt ist. Der Adsorberbehälter ist vorzugsweise gasdicht ausgeführt und evakuierbar bzw. auf einen Unterdrück einstellbar, um Verdampfungsprozesse und den Dampfaustausch zwischen Adsorberbereich und Mischbereich zu fördern.
Bei einer Ausführungsform ist innerhalb des Adsorberbehälters ein den Adsorberabschnitt und den Mischabschnitt abteilendes, für Flüssigkeitstropfen undurchlässiges Trennmittel, insbesondere ein Trennsieb, vorgesehen. Hierdurch wird ein direktes und unerwünschtes Beaufschlagen des Adsorbermaterials mit dem im Mischabschnitt strömenden Kältemittel vermieden.
Bei einer weiteren Ausführungsform bilden innerhalb des Adsorberbehälters der Adsorberabschnitt und der Mischabschnitt eine mindestens abschnittsweise konzentrische Anordnung. Hierdurch kann der Adsorberabschnitt allseitig und intensiv für Adsorptions- und Desorptionsvorgänge genutzt werden, wobei der zur Verfügung stehende Raum technisch optimal genutzt werden kann.
Insbesondere ist bei einer Variante der Adsorberabschnitt bei der konzentrischen Anordnung von dem Mischabschnitt umgeben.
Zweckmäßigerweise ist der Mischabschnitt dazu ausgebildet, bei Durchströmung mit dem Kältemittel einen Kältemittelfluss als zerteilten Flüssigkeitsstrom bereitzustellen, wobei der Adsorptionsbehälter Mittel zur Tropfenerzeugung enthält. Es wird hierdurch die Fläche des Kältemittelflusses sehr stark vergrößert.
Insbesondere kann bei einer Ausführungsform das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Schüttung aus Füllkörpern ausgebildet sein.
Möglich ist aber auch eine Ausführungsform, bei der das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Zerstäubungseinrichtung ausgebildet ist.
Außerdem kann bei einer weiteren Ausführungsform das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Anordnung aus einen den Flüssigkeitsstrom aufteilenden und benetzungsfähigen Einbauten zum Ausbilden eines permanenten benetzenden Flüssigkeitsfilms bestehen. In einem solchen Fall rinnt der Kältemittelfluss über die vielfach unterteilte Oberfläche der Einbauten, wobei er sich teilt und aufgespalten wird, sodass sich dessen Oberfläche ebenfalls nachhaltig vergrößert.
Bei einer Ausführungsform sind der Mischverdampfer und der Mischkondensator in einer als Mischverdampfer/-kondensator ausgebildeten Einheit baulich vereinigt. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Mischabschnitt als eine kombinierte Struktur für einen Mischverdampfer/Kondensator ausgebildet.
Bei einer möglichen anderen Ausführungsform kann der Mischabschnitt einen ersten Teilabschnitt für einen Mischverdampfer und einen zweiten Teilabschnitt für einen Mischkondensator aufweisen. Verdampfung und Kondensation erfolgen bei dieser Ausführungsform an verschiedenen Orten innerhalb des Adsorptionsbehälters.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe zeichnet sich diese durch eine von einem Kältemittel durchströmbare Anordnung aus mindestens zwei Modulen und einer Anordnung aus mindestens einem Wärmetauscher zur thermischen Kopplung mit einem Niedertemperaturbereich und mindestens einem Wärmetauscher zur thermischen Kopplung mit einem Mitteltemperaturbereich, einer Pumpenanordnung zum Erzeugen eines Kältemittelflusses und einer Ventilschaltung zum wechselseitigen Aufschalten der Module auf den mindestens einen Wärmetauscher des Niedertemperaturbereichs und den mindestens einen Wärmetauscher des Mitteltemperaturbereichs aus. Es ist hierdurch das Grundprinzip einer im Gegentakt arbeitenden Anordnung aus zwei oder auch mehreren Modulen realisiert, die kontinuierlich Kälte erzeugt bzw. Wärme pumpt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe, umfassend mindestens einen Adsorber, einen Mischverdampfer und einen Mischkondensator, angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe, umfassend mindestens einen Adsorber, einen Mischverdampfer und einen Mischkondensator, wobei der Adsorber mit dem Mischverdampfer und dem Mischkondensator in einem gemeinsamen Modul baulich vereinigt ist, erfolgt so, dass ein aus dem Adsorber desorbiertes Kältemittel in einen in dem Mischkondensator erzeugten Kältemittelfluss hinein kondensiert wird, und/oder ein aus einem Kältemittelfluss in dem Mischverdampfer verdampftes Kältemittel an dem Adsorber adsorbiert wird.
Dabei wird der nicht an der Verdampfung und/oder Kondensation beteiligte Teil des Kältemittelflusses als wärmeübertragendes Fluid an einen nachgeschalteten, externen Wärmetauscher in thermischer Kopplung mit einem Niedertemperaturbereich und/oder Mitteltemperaturbereich geleitet.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens sind mindestens ein erstes Modul, mindestens ein Wärmetauscher in thermischer Kopplung mit dem Niedertemperaturbereich und mindestens ein Wärmetauscher in thermischer Kopplung mit einem Mitteltemperaturbereich sowie mindestens ein zweites Modul vorgesehen, wobei über zwei miteinander verschränkte, den Kältemittelfluss beinhaltende Kältemittelkreisläufe ein alternierendes thermisches Ankoppeln der Module an den Niedertemperaturbereich und den Mitteltemperaturbereich erfolgt, und wobei das Kältemittel als wärmeübertragendes Fluid verwendet wird.
Durch die alternierende thermische, insbesondere auch fluidtechnische, Ankopplung der Module an den Wärmetauscher, der in thermischer Kopplung mit einem Mitteltemperaturbereich steht und den Wärmetauscher, der mit dem Niedertemperaturbereich steht, kann das Modul, das in Kontakt mit dem Wärmetauscher für den Mitteltemperaturbereich steht im Desorptionsmodus betrieben werden, bei dem an dem Adsorber des Moduls adsorbiertes Kältemittel ausgetrieben wird und an dem Kältemittelfluss kondensiert. Die hierbei auf das Kältemittel übertragene Wärme wird dann über den angekoppelten Wärmetauscher, der im thermischen Kontakt mit dem Mitteltemperaturbereich bzw. Mitteltemperaturkreis steht, abgeführt. Das Modul, das in Kontakt mit dem Wärmetauscher für den Niedertemperaturbereich steht, wird im Adsorptionsmodus betrieben, bei dem an dem Adsorber des Moduls Wasserdampf, der aus dem Kältemittelstrom verdampft, adsorbiert wird. Dabei wird dem Kältemittelstrom Wärme entzogen, so dass das Kältemittel, das das Modul verlässt, dem Wärmetauscher für den Niedertemperaturbereich zur Kühlung des Niedertemperaturbereichs bzw. Niedertemperaturkreises verwendet werden kann. Dadurch wird ein kontinuierlicher Betrieb der Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe ermöglicht.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die in Bezug auf die erfindungsgemäße Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe beschriebenen Merkmale und erreichbaren Vorteile auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zutreffen und entsprechend übertragbar und anwendbar sind. Ebenso sind die beschriebenen Merkmale und Vorteile des Verfahrens auf die erfindungsgemäße Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe anwendbar und übertragbar.
Die erfindungsgemäße Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe und das zugehörige Verfahren sollen nachfolgend anhand von illustrativen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren.
Es zeigt:
Fig. 1 ein beispielhaftes Modul gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein beispielhaftes Modul gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Modul 5, 6 zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Adsorptionskältemaschine oder Adsorptionswärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Modul 5, 6 ist durch einen Adsorberbehälter begrenzt, dessen Außenwände in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Der Adsoberbehälter weist einen mittig angeordneten Adsorberbereich auf, der durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 begrenzt ist. An beide Seiten des Adsorberbereichs schließt sich ein Mischbereich an. Der Adsorberbereich enthält einen Adsorber 1, 2, der Anschlüsse Adm und Adout aufweist, über die eine thermische Kontaktierung des Adsorbers 1, 2 mit einer externen Wärmequelle herstellbar ist. Der Adsorber 1, 2 ist beidseitig von einem Mischverdampfer 3a, 4a und einem Mischkondensator 4a, 4b umgeben ist, die in dem Mischbereich angeordnet sind. Der Mischverdampfer 3a, 4a und der Mischkondensator 3b, 4b können den Adsorber 1, 2 allseitig und konzentrisch umschließen. Möglich ist hier insbesondere die Form ineinander geschobener Zylinder. Insofern ist die schematische Darstellung der Anordnung der Komponenten innerhalb des Moduls 5, 6 nur prinzipieller Natur und stellt keine Einschränkung hinsichtlich der Ausgestaltung der Komponenten des Moduls 5, 6 dar. Der Innenraum des Adsorberbehälters des Moduls 5, 6 dient als Phasenübergangsraum für ein Kältemittel, das durch die Mischbereiche und die dort angeordneten Mischverdampfer 3a, 4a und Mischkondensatoren 3b, 4b geleitet wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, wird in den Mischverdampfer 3a, 4a und den Mischkondensator 3b, 4b ein Kältemittel über mit KM,n bezeichnete Anschlüsse in eine Zerstäubungseinrichtung eingeleitet und in einen Kältemittelfluss in Tropfenform zerteilt. Der Kältemittelfluss wird im unteren Bereich des Mischverdampfers 3a, 4a und des Mischkondensators 3b, 4b gesammelt, beispielweise durch eine schematisch dargestellte Auffangeinrichtung, und über mit KMout bezeichnete Anschlüsse zur Zuführung zu nachgeschalteten Komponenten der Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe, insbesondere für die Zuführung zu Wärmetauschern, abgeleitet. Der Mischbereich, in dem der Mischverdampfer 3a, 4a und der Mischkondensator 3b, 4b angeordnet sind, und in dem durch Zuführung von Kältemittel ein Kältemittelfluss ausgebildet wird, ist der Ort, in den die Kondensation bzw. aus dem heraus die Verdampfung des Kältemittels erfolgt. Der Kältemittelfluss erwärmt sich bei Kondensation und kühlt bei Verdampfung ab.
Somit dient in dem Modul 5, 6 der Kältemittelfluss, genauer gesagt, der Teil des Kältemittels, der nicht an dem Phasenübergang in dem Modul 5, 6 beteiligt ist, als Wärmetransportmittel. Grundsätzlich ist innerhalb der Mischbereiche und des dort vorgesehenen Mischverdampfers 3a, 3b und Mischkondensators 4a, 4b kein Wärmeaustausch mit der externen Umgebung vorgesehen. Lediglich der Adsorber 1, 2 ist über die Anschlüsse AD,n und ADout extern thermisch kontaktiert. Insofern unterscheidet sich der Aufbau des Moduls 5, 6 fundamental von dem Aufbau herkömmlicher Adsorptionskältemaschinen, bei denen Verdampfer und Kondensatoren, die in direktem thermischen Kontakt mit einem Adsorber stehen, als Wärmetauscher zur Wärmeübertragung auf ein externes Wärmeträgermedium fungieren. In dem Modul 5, 6 gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Wärmeübertragung auf ein externes Wärmeträgermedium nicht durch Wärmeleitung auf einen im Phasenübergangsraum enthaltenen Wärmeübertrager, sondern direkt durch Abkühlung oder Erwärmung des Anteils des Kältemittels, das den Adsorberbehälter bzw. das Modul 5, 6 verlässt. Der Anteil des Kältemittels, der nicht am Phasenübergang im Phasenübergangsraum beteiligt ist, dient zur Wärmeübertragung in einem externen Wärmeübertrager. Zwischen den Mischbereichen und dem Adsorberbereich ist ein Trennmittel, insbesondere ein Trenngitter oder ein Trennsieb, angeordnet. Das Trennmittel verhindert einen direkten Durchtritt von Flüssigkeitstropfen aus dem Mischbereich in den Adsorberbereich. Dadurch ist sichergestellt, dass lediglich die Gasphase des Kältemittels zu dem Adsorber 1, 2 gelangt bzw. von dem Adsorber 1, 2 zu dem Kältemittelfluss hindurchdringt.
Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Moduls 5, 6. Das Modul 5, 6 ist wiederum durch einen Adsorberbehälter begrenzt, der einen Phasenübergangsraum bildet. In dem Adsorberbehälter ist ein Adsorberbereich ausgebildet, der einen Adsorber 1, 2 aufnimmt. Ferner ist ein Mischbereich ausgebildet, der in thermischem Kontakt mit dem Adsorberbereich steht. Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration enthält der Mischbereich anstelle eines getrennten Mischverdampfers 3a, 4a und Mischkondensators 3b, 4b einen kombinierten Mischverdampfer/-kondensator 3,
4, der je nach Betrieb des Moduls 5, 6 als Mischverdampfer oder als Mischkondensator fungiert. Dadurch kann der benötigte Bauraum für das Modul
5, 6 und die Anzahl der benötigten Anschlüsse reduziert werden. Im Übrigen entsprechen Konfiguration und Funktionsweise dem in Fig. 1 gezeigten Modul.
Wird bei den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Modulen 5, 6 der Adsorber 1, 2 mit einem Mitteltemperaturkreislauf verbunden, um Kältemittel zu adsorbieren, wird dem Kältemittelfluss durch den Mischverdampfer 3a, 4a (Fig. 1) bzw. dem Kältemittelfluss in dem Mischverdampfer/-kondensator 3, 4 (Fig. 2) Wärme entzogen. Der Kältemittelfluss wird folglich gekühlt. Wird der gesättigte Adsorber 1, 2 mit einem Flochtemperaturkreislauf zur Desorption verbunden, desorbiert Kältemittel von dem Adsorber 1, 2 und kondensiert an dem Kältemittelfluss durch den Mischverdampfer 3a, 4a (Fig. 1) bzw. den Mischverdampfer/-kondensator 3,
4 (Fig. 2). Dabei nimmt der Kältemittelfluss Wärme auf.
Um die dem Kältemittelfluss entzogene bzw. zugeführte Wärme nutzbar zu machen, wird der Kältemittelfluss aus dem Modul 5, 6 einem von dem Modul 5, 6 räumlich-körperlich und thermisch getrennten Wärmeübertrager zur thermischen Kontaktierung mit einem externen Wärmeträgermedium zugeführt. Wie obenstehend bereits erläutert wurde, besteht hierin ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 zeigt eine Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Modul 5 und einem zweiten Modul 6 der obenstehend beschriebenen Art und einem zugehörigen Kältemittelkreislauf.
Die beispielhafte Adsorptionskältemaschine gemäß Fig. 3 weist zwei Module 5, 6 auf, in welchen sich je ein Adsorber 1, 2 befindet. Die Module 5, 6 sind in Fig. 3 schematisch dargestellt und deren Aufbau auf die enthaltenen Adsorber 1, 2 und Mischverdampfer/-kondensatoren 3, 4 reduziert. Es ist ebenso möglich, eines oder beide der Module 5, 6 gemäß der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration auszubilden.
Die Module 5, 6 enthalten in den Adsorberbereichen ferner jeweils einen Wärmeübertrager, der im Kontakt mit dem Adsorbens steht, das z.B. als Schüttung eingebracht oder auf die Wärmeübertragungsfläche durch ein Beschichtungsverfahren aufgebracht ist. Der Mischbereich für den Mischverdampfer/-kondensator 3, 4 in den Modulen 5, 6 kann entweder nur die Sprüheinheit oder zusätzlich Füllkörper bzw. Strukturen zur Verbesserung des Phasenübergangs enthalten, und kann durch ein Netz vom Adsorberraum getrennt werden, das als Tropfenabscheider dient (unterbrochene Linie in der Zeichnung), wie dies obenstehend in Bezug auf Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurde.
Die Wärmeübertragung auf die Wärmeträgerkreisläufe für den Niedertemperaturbereich NT und den Kondensatorteil des Mitteltemperaturbereichs MTcd erfolgt durch zwei Wärmeübertrager 7, 8, die in jeder üblichen Bauform zu Wärmeübertragung einer Flüssigkeit, also dem Kältemittel auf ein Wärmeträgerfluid (Wasser, Thermoöl, Luft oder anderen Gasen, Dampf, Sekundärkältemittel im Fall einer Kaskadenschaltung von Kältemaschinen) der Wärmeträgerkreisläufe ausgeführt sein können.
Das Kältemittel wird durch zwei Pumpen 9, 10 und eine Ventilanordnung 11, 12, 13, 14, die in Fig. 3 mit vier Dreiwegeventile 11, 12, 13, 14 dargestellt ist, in einer Weise gesteuert, dass abwechselnd der Wärmetauscher 7 mit dem Mischverdampfer/-kondensator 3, sowie der Wärmetauscher 8 mit dem Mischverdampfer/-kondensator 4 und der Wärmetauscher 7 mit dem Mischverdampfer/-kondensator 4, sowie der Wärmetauscher 8 mit dem Mischverdampfer/-kondensator 3 verbunden sind. An Stelle der Dreiwegeventile 11, 12, 13, 14 sind auch je 2 Zweiwegeventile oder Sonderventile möglich.
Das Modul, dessen Mischverdampfer-/kondensator mit dem ersten Wärmetauscher 7 verbunden ist, wird im Adsorptionsmodus betrieben. Dabei wird der zugehörige Adsorber des Moduls mit einem Mitteltemperaturkreis MTad verbunden, um eine Adsorption des aus dem Kältemittelfluss im Mischverdampfer/-kondensator verdampften Kältemittels an dem Adsorber zu bewirken. Dabei wird der Kältemittelfluss abgekühlt und kann zur Kühlung des Niedertemperaturkreislaufs in dem ersten Wärmetauscher 7 eingesetzt werden.
Das Modul, dessen Mischverdampfer-/Kondensator mit dem zweiten Wärmetauscher 8 verbunden ist, wird im Desorptionsmodus betrieben. Dabei wird der zugehörige Adsorber des Moduls mit einem Hochtemperaturkreis verbunden, um eine Desorption von Kältemittel an dem Adsorber zu bewirken und Kältemittel aus dem Adsorber auszutreiben, das an dem Kältemittelfluss im Mischverdampfer/-kondensator kondensiert. Dabei wird der Kältemittelfluss erwärmt. Das erwärmte Kältemittel wird dem zweiten Wärmetauscher 8 zugeführt, um die Wärme dort abzugeben.
Wird ein Niederdruckkältemittel, wie Wasser, als Kältemittel verwendet, müssen die Pumpen 9, 10, Ventile 11, 12, 13, 14, Wärmeübertrager 7, 8, sowie die Kältemittelkreisläufe vakuumdicht ausgeführt sein. Die Pumpen 9, 10 sind dann vorteilhafter Weise magnetisch mit dem Antrieb gekoppelt und müssen in einer Weise installiert sein, dass Kavitation vermieden wird.
Die beiden Adsorberkreisläufe AD1 und AD2 werden in bekannter Weise durch Dreiwegeventile mit den externen Kreisläufen Hochtemperatur HT und dem Adsorberteil des Mitteltemperaturkreislaufs MTad verbunden.
In dem in Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die gezeigte Vorrichtung als Adsorptionskältemaschine betrieben. Es ist ebenso möglich, die gezeigte Vorrichtung als Adsorptionswärmepumpe zu verwenden, indem der an den zweiten Wärmetauscher 8 angeschlossene Mitteltemperaturkreis als Nutzkreis verwendet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau der Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe kann der Verdampfungs-/Kondensationsprozess an den Adsorbern und die Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und einem Heiz-, bzw. Kühlfluid entkoppelt werden. Wie obenstehend in Bezug auf Fig. 1 und 2 erläutert wurde, wird nach dem Prinzip von Mischverdampfer oder Mischkondensatoren das Kältemittel direkt in die Adsorberkammer der Module eingebracht, wo es entweder verdampft oder ausgetriebenes Kältemittel an der Oberfläche kondensiert. Diese Methode wird auch als direkter Phasenübergang (Verdampfung/Kondensation) bezeichnet. Hier erfolgt die Wärmeübertragung auf ein externes Wärmeträgermedium nicht durch Wärmeleitung auf einen im Phasenübergangsraum enthaltenen Wärmeübertrager, sondern direkt durch Abkühlung oder Erwärmung des Anteils der Flüssigkeit, die den Phasenübergangsraum verlässt. Der Anteil der Flüssigkeit, der nicht am Phasenübergang beteiligt ist, dient zur Wärmeübertragung in einen externen Wärmeübertrager.
Für die Kältemittelverteilung im Phasenübergangsraum sind alle bekannten Vorrichtungen für den direkten Phasenübergang einsetzbar, wie die beschriebenen Zerstäubungseinrichtungen, ebenso aber auch Versprüheinrichtungen, Füllkörper zur Oberflächenverteilung (z.B. Raschig- oder Pall-Ringe), flächenförmige Verteilvarianten, bis hin zu porösen Strukturen wie sie in Kühltürmen eingesetzt werden. Bei empfindlichen Adsorbenzien, z.B. manche Silikagele und Zeolithe mit Wasser als Kältemittel, empfiehlt es sich einen Schutz einzubauen, um einen direkten Flüssigkeitseintrag in den Adsorber in Form von Tropfen zu vermeiden. Bei Niederdruckkältemittel, wie Wasser, ist insbesondere auf die Vakuumtauglichkeit der Einbauten zu achten. Dies gilt auch für die eingesetzten Pumpen, idealerweise durch Magnetkopplung hermetisch abgedichtet. Bei der Pumpenauswahl und der Leitungskonstruktion (insbesondere auf der Saugseite) ist darauf zu achten, Kavitation zu vermeiden.
Wird in einer Adsorptionskältemaschine dieses Prinzip angewandt, und das Kältemittel abwechselnd im Adsorberbehälter verdampft oder kondensiert, kann die Wärmeübertragung auf die beiden externen Wärmeträgerkreisläufe des Niedertemperatur- und des Mitteltemperaturkreislaufs in getrennten Wärmeübertragern durchgeführt werden, ohne dass diese zwischen Verdampfungstemperatur und Kondensationstemperatur oszillieren. Die Temperaturschwingungen erstrecken sich in diesem Fall nur auf die Kältemittelverteilung, gegebenenfalls Einbauten zur Verbesserung des Phasenübergangs (z.B. Füllkörper, deren thermische Masse jedoch durch geringe Materialstärken oder des Einsatzes von Kunststoffen limitiert werden kann) und die Rohrabschnitte zwischen Modulein-/ausgang und Ventile, die jedoch sehr kurz gehalten werden können.
Die Vorteile der hier beschriebenen Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe und des hier beschriebenen Verfahrens zu deren Betreiben ergeben sich zusammengefasst wie folgt:
• Verbesserung von Leistung und thermischen Wirkungsgrad durch Reduktion der thermischen Masse im oszillierenden Anteil von Verdampfung und Kondensation.
• Phasenübergang und Wärmeübergang können getrennt durch je einen effizienten Apparat optimiert werden, z.B. durch Pallringe und Plattenwärmeübertrager. Das verbessert die Gesamteffizienz deutlich, da ein schwingender Verdampfer/Kondensatorapparat nicht für beide Aufgaben optimiert werden kann. Zudem widersprechen sich die beiden Zielrichtungen: Große Oberfläche für den Phasenübergang und kurze Wege für den Wärmeübergang.
• Möglichkeit zur direkten Wärmeübertragung zwischen Prozesswasser und Luft oder Gasen ohne einen zwischengeschalteten Wärmeträgerkreislauf für den Niedertemperatur- und/oder den Kondensatorteil des Mitteltemperaturkreislaufs. Dies ermöglicht bei einem Einsatz der Adsorptionkältemaschine als Außengerät eine direkt luftgekühlte Einheit zu bauen, wenn ein Rückkühler mit zwei getrennten Rohrkreisläufen für die Kondensation und die Kühlung des Adsorbers ausgestattet ist.
• Möglichkeit zur direkten Wärmeübertragung zwischen Prozesswasser und Luft oder Gasen ohne einen zwischengeschalteten Wärmeträgerkreislauf für den Niedertemperaturkreislaufs. Dies ermöglicht bei einem Einsatz der Adsorptionskältemaschine als Innengerät eine direkt luftgekühlte Einheit zu bauen, insbesondere wenn zwischen Adsorptionskältemaschine und Luftkühler kein langer Leitungsweg besteht, Das kann z.B. bei rackintegrierten Adsorptions-kältemaschinen welche die Abwärme von wassergekühlten Prozessoren zum Antrieb nutzen, angewandt werden. Da die Flüssigkeit unter Vakuum steht, kann hier als zusätzlicher Vorteil eine leckagesichere Konstruktion gewählt werden, da bei einem Leck Luft einströmt und die Flüssigkeit z.B. in einen Vorratsbehälter drückt.
• Sehr kompakte Konstruktionsmöglichkeit der Module, wenn die Verdampfungs- oder Kondensationsräume an den Außenflächen oder ringförmig um den Adsorber angeordnet werden. Der Adsorber wird dadurch von allen Seiten gleichmäßig angeströmt, die Strömungsquerschnitte sind maximal, somit die Dampfgeschwindigkeiten sehr niedrig, und die Wärmeverluste des Adsorbers gegenüber der Umgebung werden minimiert.
• Sehr einfache Möglichkeit zur Entfernung von Inertgasen aus dem System, da durch die große Oberfläche die Inertgase in der Flüssigkeit besser aufgenommen werden. Entfernung der Inertgase erfolgt direkt am Ausgang der Pumpen, da dort der Druck am höchsten ist. Die Entgasung kann dann nach gängigen Methoden durch Membrane oder Füllkörper erfolgen. Wenn die Pumpenauslegung einen Überdruck über einem Bar nicht erlaubt, dann besteht auch die Möglichkeit ein geringes Vakuum, z.B. 500 mbar mit einer einfachen Vakuumpumpe in einem Sekundärbehälter zu erzeugen, der regelmäßig automatisch geleert wird.
Der Gegenstand der Erfindung wurde anhand beispielhafter Ausführungsbeispiele erläutert. Im Rahmen fachmännischen Flandelns sind weitere Ausgestaltungen möglich. Weitere Ausführungsformen ergeben sich außerdem aus den Unteransprüchen.
Bezuaszeichenliste
1 erster Adsorber
2 zweiter Adsorber
3 erster Mischverdampfer/-kondensator
3a erster Mischverdampfer
3b erster Mischkondensator
4 zweiter Mischverdampfer/-kondensator
4a zweiter Mischverdampfer
4b zweiter Mischkondensator
5 erstes Modul
6 zweites Modul
7 Wärmetauscher bzw. -Übertrager NT-Kreis
8 Wärmetauscher bzw. -Übertrager MT-Kreis
9 Verdampfer-Kältemittelpumpe
10 Kondensator-Kältemittelpumpe 11-14 Ventilschaltung

Claims

ANSPRÜCHE
1. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe, umfassend mindestens ein Modul (5, 6) mit einem Adsorber (1, 2), einem Mischverdampfer (3a, 4a) und einem Mischkondensator (3b, 4b), dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorber (1, 2) mit dem Mischverdampfer (3a, 4a) und dem Mischkondensator (3b, 4b) in dem Modul (5, 6) baulich in einem gemeinsamen, vorzugsweise thermisch isolierten, Adsorberbehälter mit einem extern thermisch kontaktierbaren Adsorberabschnitt zur Aufnahme des Adsorbers (1, 2) und einem extern thermisch isolierten Mischabschnitt zur Aufnahme des Mischverdampfers (3a, 3b) und des Mischkondensators (4a, 4b) vereinigt und enthalten ist, wobei der Mischabschnitt mit einem Kältemittel durchströmbar, ausgebildet ist, so dass das Kältemittel nach Durchströmen des Mischabschnitts einem externen, von dem Modul (5, 6) getrennten Wärmetauscher (7, 8), zuführbar ist, wobei der Mischabschnitt dazu eingerichtet ist, eine Verdampfung und/oder Kondensation des Kältemittels zu ermöglichen.
2. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Adsorberbehälters ein den Adsorberabschnitt und den Mischabschnitt abteilendes, für Flüssigkeitstropfen undurchlässiges Trennmittel, insbesondere ein Trennsieb, vorgesehen ist.
3. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Adsorberbehälters der Adsorberabschnitt und der Mischabschnitt eine mindestens abschnittsweise konzentrische Anordnung bilden.
4. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Adsorberabschnitt bei der konzentrischen Anordnung von dem Mischabschnitt umgeben ist.
5. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt dazu ausgebildet ist, bei Durchströmung mit dem Kältemittel einen Kältemittelfluss als zerteilten Flüssigkeitsstrom bereitzustellen, wobei der Adsorptionsbehälter Mittel zur Tropfenerzeugung enthält.
6. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Schüttung aus Füllkörpern ausgebildet ist.
7. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Zersprüheinrichtung ausgebildet ist.
8. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Tropfenerzeugung als eine Anordnung aus einen Flüssigkeitsstrom aufteilenden und benetzungsfähigen Einbauten zum Ausbilden eines permanenten benetzenden Flüssigkeitsfilms besteht.
9. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischverdampfer (3a, 4a) und der Mischkondensator (3b, 4b) in einer als Mischverdampfer/-kondensator (3, 4) ausgebildeten Einheit baulich vereinigt sind.
10. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt als eine kombinierte Struktur für einen Mischverdampfer/Kondensator (3, 4) ausgebildet ist.
11. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischabschnitt einen ersten Teilabschnitt für einen Mischverdampfer (3a, 4a) und einen zweiten Teilabschnitt für einen Mischkondensator (3b, 4b) aufweist.
12. Adsorptionskältemaschine oder -Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine von einem Kältemittel durchströmbare Anordnung aus mindestens zwei Modulen (5, 6) und einer Anordnung aus mindestens einem Wärmetauscher (7) zur thermischen Kopplung mit einem Niedertemperaturbereich (NT) und mindestens einem Wärmetauscher (8) zur thermischen Kopplung mit einem Mitteltemperaturbereich (MT), einer Pumpenanordnung (9, 10) zum Erzeugen eines Kältemittelflusses und einer Ventilschaltung (11, 12, 13, 14) zum wechselseitigen Aufschalten der Module (5, 6) auf den mindestens einen Wärmetauscher (7) des Niedertemperaturbereichs (NT) und den mindestens einen Wärmetauscher (8) des Mitteltemperaturbereichs (MT).
13. Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskältemaschine oder - Wärmepumpe, umfassend mindestens einen Adsorber (1, 2), einen Mischverdampfer (3a, 4a) und einen Mischkondensator (3b, 4b) wobei der Adsorber (1, 2) mit dem Mischverdampfer (3a, 4a) und dem Mischkondensator (3b, 4b) in einem gemeinsamen Modul (5, 6) baulich vereinigt ist, wobei ein aus dem Adsorber (1, 2) desorbiertes Kältemittel in einen in dem Mischkondensator (3b, 4b) erzeugten Kältemittelfluss hinein kondensiert wird, und/oder ein aus einem Kältemittelfluss in dem Mischverdampfer (3a, 4a) verdampftes Kältemittel an dem Adsorber (1, 2) adsorbiert wird, wobei der nicht an der Verdampfung und/oder Kondensation beteiligte Teil des Kältemittelflusses als wärmeübertragendes Fluid an einen nachgeschalteten, externen Wärmetauscher (7, 8) in thermischer Kopplung mit einem Niedertemperaturbereich (NT) und/oder Mitteltemperaturbereich (MT) geleitet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erstes Modul (5), mindestens ein Wärmetauscher (7) in thermischer Kopplung mit dem Niedertemperaturbereich (NT) und mindestens ein Wärmetauscher (8) in thermischer Kopplung mit einem Mitteltemperaturbereich bzw. Mitteltemperaturkreis (MT) sowie mindestens ein zweites Modul (6) vorgesehen sind, wobei über zwei miteinander verschränkte, den Kältemittelfluss beinhaltende Kältemittelkreisläufe ein alternierendes thermisches Ankoppeln der Module (5, 6) an den Niedertemperaturbereich bzw. Niedertemperaturkreis (NT) und den Mitteltemperaturbereich (MT) erfolgt, und wobei das Kältemedium als wärmeübertragendes Fluid verwendet wird.
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