Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Wärmepumpe
in ihrer Leistungsfähigkeit
und ihrem Antriebswärmebedarf
bei gegebenem Bauraum zu verbessern.
Diese
Aufgabe wird für
eine eingangs genannte Wärmepumpe
erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch
die Ausbildung von jeweils zumindest vier separaten wendelförmigen Kammern
in jeder der Verteilvorrichtungen für zumindest das erste Fluid wird
ein erheblich verbesserter Wärmeaustausch zwischen
dem ersten Fluid und den ersten Zonen der Hohlelemente ermöglicht.
Unter
einem Fluid im Sinne der Erfindung wird grundsätzlich jede fließfähige Substanz
verstanden, insbesondere ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gemisch aus gasförmiger und
flüssiger
Phase oder ein Gemisch aus flüssiger
und fester Phase (z.B. flow-ice). Unter dem Zusammenwirken des Arbeitsmittels
mit der ersten und der zweiten Zone wird jede Art einer thermodynamisch
relevanten exothermen oder endothermen Umsetzung des Arbeitsmittels
mit oder in der Zone verstanden, bei der insbesondere ein Wärmeaustausch
zwischen der jeweiligen Zone und dem die Zone umströmenden Fluid
stattfindet. Als konkretes Beispiel sei genannt, dass die erste Zone
ein Adsorber-Desorber-Material
enthalten kann, z. B. Zeolith, wobei das Arbeitsmittel Wasser sein
kann, welches insbesondere in der zweiten Zone in Kapillar-Strukturen kondensierbar
oder verdampfbar ist. Alternativ können in den Zonen zum Beispiel auch
unterschiedliche Metalle vorliegen, wobei das Arbeitsmittel z. B.
Wasserstoff ist, so dass unter Wärmeaufnahme
und/oder Wärmeabgabe
eine Bildung oder Auflösung
von Metallhydriden in den Zonen stattfindet. Das Zusammenwirken
des Arbeitsmittels mit den Zonen kann sowohl eine Physisorption
als auch eine Chemisorption oder eine andere Art des Zusammenwirkens
umfassen. Unter einem Hohlelement im Sinne der Erfindung ist jedes
Element zu verstehen, innerhalb dessen ein Transport des Arbeitsmittels
möglich
ist.
Ein
Beispiel für
den Einsatz einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe
ist die Gebäudetechnik. Dort
kann die mit einem Brenner erzeugte Heizleistung dazu benutzt werden,
zusätzlich
Umweltwärme auf
ein für
Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau zu heben. Weiterhin kann die
Wärmepumpe
z.B. in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk eingesetzt werden,
um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Im
Winter kann die Wärmepumpe
z.B. zur effektiveren Nutzung des Abgaswärmestroms zu Heizungszwecken
eingesetzt werden, indem zusätzliche
Wärme vom
Außentemperaturniveau
auf ein für
die Heizung nutzbares Niveau gepumpt wird. Im Sommer kann die gleiche,
eventuell leicht modifizierte oder auch nur anders eingestellte
Anlage zur Kühlung
des Gebäudes
verwendet werden, indem ebenfalls der Abgaswärmestrom des Stromerzeugers
zum Antrieb der Kühlung
genutzt wird. Es kann sich aber auch um eine Nutzung von thermischer
Solarenergie zur Kälteerzeugung
mittels der Wärmepumpe
handeln. Ebenso kann die erfindungsgemäße Wärmepumpe grundsätzlich auch
wie in der
DE 198
18 807 A1 beschrieben zur Klimatisierung von insbesondere
Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. Andere denkbare Anwendungen sind
die Nutzung von Fernwärme
im Sommer zur Kälteerzeugung
bzw. Klimatisierung oder die Abwärmenutzung
von Industrie-Feuerungsanlagen zur Erzeugung von Klimatisierungs-
oder Prozesskälte.
Allgemein zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wärmepumpe durch hochgradige Wartungsfreiheit
und Zuverlässigkeit
aus. Es besteht eine hohe Flexibilität bei der Auswahl des ersten
und zweiten Fluids, die nicht gleich sein müssen und sich zum Beispiel
für einen
Sommereinsatz und einen Wintereinsatz unterscheiden können.
In
einer bevorzugten Ausführung
der Wärmepumpe
ist diese eine Adsorptions-Wärmepumpe, wobei
das Arbeitsmittel in der ersten Zone adsorbierbar und desorbierbar
ist und in der zweiten Zone verdampfbar und kondensierbar ist. In
einer alternativen bevorzugten Ausführung ist das Arbeitsmittel
zumindest in der ersten Zone reversibel chemisorbierbar. Es kann
sich bei der Wärmepumpe
auch um ein gemischtes Prinzip handeln, etwa in dem Sinne, dass einige
Hohlelemente nach dem Adsorber-Prinzip (Physisorption) arbeiten
und andere Hohlelemente eine Chemisorption aufweisen.
In
bevorzugter Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe weisen die Strömungswege
eine erste Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen
und eine zweite Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen
auf, wobei die Strömungswege
der ersten Gruppe sämtlich
in einer ersten Richtung und die Strömungswege der zweiten Gruppe
sämtlich
in hierzu entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Hierdurch ist es
ermöglicht,
die einzelnen Strömungswege
einer Gruppe unterschiedlichen Temperaturen des Fluids zuzuordnen,
so dass ein Wärmeaustausch
mit den Hohlelementen bei gegebener Baugröße bzw. Kontaktfläche von
Fluid und Hohlelement durch Anpassung an das dort vorliegende Temperaturprofil
verbessert ist. Eine Verbesserung wird dabei sowohl durch die Gleichrichtung
der Fluidströmung
innerhalb einer Gruppe als auch durch die Entgegenrichtung der beiden
Gruppen zueinander erzielt, wodurch der Umkehrung des Temperaturgangs bei
Wärmeabgabe
gegenüber
Wärmeaufnahme Rechnung
getragen wird.
In
bevorzugter Ausgestaltung umfasst ein Plattenelement eine Anzahl
von parallelen stirnseitig geschlossenen Flachrohren, wobei jedes
der Flachrohre ein Hohlelement mit erster und zweiter Zone ausbildet.
Dies ermöglicht
eine kostengünstige
Herstellung einer Wärmepumpe,
wobei die Form der Flachrohre einem Wärmeaustausch bei gegebener Baugröße zugute
kommt. Insbesondere vorteilhaft sind die Flachrohre hermetisch voneinander
getrennt. Hierdurch wird es in besonderem Maße ermöglicht, dass unterschiedliche
Hohlelemente oder Flachrohre des gleichen Plattenelements unterschiedliche
Temperaturen und Drücke
aufweisen, was bei geeigneter Stufung der Temperaturen in Verbindung
mit geeigneter Flussrichtung des Fluids entlang der Plattenelemente
zu einem wiederum verbesserten Wärmeaustausch
bei gegebener Bauraumgröße führt.
Weiterhin
bevorzugt ist zwischen zwei der Plattenelemente eine Hohlplatte
angeordnet, deren Hohlraum einem der Durchtrittsbereiche zugeordnet ist,
wobei die Hohlplatte in flächiger
thermischer Verbindung, insbesondere Verlötung, mit den benachbarten
Plattenelementen steht. Hierdurch ist ein modulartiger Aufbau eines
Stapels aus Plattenelementen und Durchtrittsräumen auf einfache und kostengünstige Weise
ermöglicht,
wobei die Anzahl speziell gefertigter aufwendiger Bauteile gering
gehalten wird. Besonders bevorzugt ist dabei zwischen zwei Plattenelementen
eine Hohlplatte erster Art angeordnet, welche einen Durchtrittsbereich
erster Art ausbildet und eine von der Hohlplatte erster Art im wesentlichen
thermisch getrennte Hohlplatte zweiter Art, welche einen Durchtrittsbereich
zweiter Art ausbildet. Auf diese Weise wird unter weiterer Verwendung standardisierter
Bauteile zugleich die Ausbildung einer thermischen Trennung zwischen
den beiden Arten von Durchtrittsbereichen erreicht. Die Hohlplatten erster
und zweiter Art müssen
nicht notwendig die gleiche Dicke aufweisen, was durch entsprechende Ausfor mung
der Plattenelemente bzw. Hohlelemente kompensiert werden kann; so
kann z.B. die Hohlplatte erster Art für ein flüssiges Fluid und die Hohlplatte zweiter
Art für
ein gasförmiges
Fluid angepaßt
dimensioniert sein.
Weiterhin
bevorzugt sind zumindest zwei jeweils endseitig der Plattenelemente
angeordnete und einer Verteilung des zweiten Fluids durch die Durchtrittsbereiche
zweiter Art zugeordnete Verteilvorrichtungen mit jeweils einem feststehenden
Hohlzylinder und einem in dem Hohlzylinder drehbaren Verteilereinsatz
vorgesehen. Hierdurch wird eine hinsichtlich des Wärmeaustausches
optimierte Verteilung des zweiten Fluids auf die Durchtrittsbereiche
auf einfache Weise ermöglicht.
Besonders bevorzugt weist dabei der Verteilereinsatz der Verteilvorrichtungen
für das
zweite Fluid Trennwände
auf, die in zumindest einem der Zylinder zumindest drei separate
wendelförmige
Kammern abtrennen, wobei durch jede der Kammern ein zumindest einen
Durchtrittsbereich zweiter Art umfassender Strömungsweg definiert ist. Hierdurch
ist auch für
den Wärmeaustausch
des zweiten Fluids mit den zweiten Zonen eine Optimierung bei gegebenem
Bauraum ermöglicht.
In
bevorzugter Ausführung
weisen die insbesondere, aber nicht notwendig spiralig ausgeformten Trennwände Fahnen
auf, mittels derer ein zeitweiser Verschluss zumindest eines Strömungsweges
bewirkbar ist. Durch einen solchen zeitweisen Verschluss eines Strömungsweges
hinsichtlich des Fluidaustausches kann je nach Ausbildung der Wärmepumpe
die Effektivität
eines Wärmeaustausches
bei gegebener Baugröße weiterhin
verbessert werden, indem Bypass-Strömungen verhindert werden.
In
einer bevorzugten Ausbildung einer Wärmepumpe weist der Verteilereinsatz
einen Anschlussbereich mit radialen Durchbrechungen auf, wobei über die
jeweils mit einer Kammer fluchtende Durchbrechung ein Fluidaustausch
der Kammer erfolgt. Hierdurch ist ein einfacher Anschluss der wendelförmigen Kammer
mit einer äußeren Fluidführung auch
dann ermöglicht,
wenn eine große
Anzahl von separaten Kammern vorliegt. In besonders einfacher Ausbildung
erfolgt dabei der Fluidaustausch mehrerer der wendelförmigen Kammern über eine
entsprechende Anzahl der Durchbrechungen mit einem mehrteiligen
Anschlussraum, der den Zylinder zumindest teilweise umfängt.
Weiterhin
bevorzugt ist ein Anschlussraum des ersten Zylinders mit einem Anschlussraum
des zweiten Zylinders über
eine Anzahl voneinander separierter Kanäle verbunden. Somit ist insgesamt
eine besonders aufwendige Führung
einer großen
Anzahl von Strömungswegen
mit einfachen und kostengünstigen
Mitteln ermöglicht.
Weiterhin
bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass jeder der Verteilereinsätze zu den
anderen Verteilereinsätzen
synchronisiert antreibar drehbar ist. Eine phasengerechte Synchronisierung
der Drehbewegung der Verteilereinsätze ist allgemein für eine wirkungsvolle
Funktion der Wärmepumpe
erforderlich. Vorteilhafterweise sind die beiden Verteilereinsätze des
ersten und die beiden Verteileinsätze des zweiten Fluids in ihrer
Phasenlage jeweils so positioniert sind, dass sich die mit den Kammern
kommunizierenden Strömungsbereiche
decken. In bevorzugter Ausführung
kann dabei eine Verteilvorrichtung des zweiten Fluids gegenüber einer
Verteilvorrichtung des ersten Fluids bezüglich einer Phasenlage eines
Verteilzyklus einstellbar veränderbar
sein. Dies kann insbesondere über
eine Phasenlage der Verteilereinsätze geschehen. Durch die Einstellbarkeit
der Phasenlage ist eine weitere Optimierung der Wärmepumpenleistung
ermöglicht.
Allgemein kann eine Optimierung der Phasenlage in Abhängigkeit
der mittleren Temperaturen der Fluide, der Art der Wirkungsweise
der Hohlelemente und der Art des Arbeitsmittels, der Art der Fluide
und weiterer Parameter der Wärmepumpe
die Wirkungsweise verbessern.
In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung ist eine Steigung einer
gewendelten Kammer nicht konstant über die Länge des Zylinders. Hierdurch
wird erreicht, dass über
einen Zyklus bzw. eine Umdrehung des Verteileinsatzes eine veränderliche
Anzahl von Durchtrittsbereichen mit der jeweiligen Kammer verbunden
wird bzw. der durch die Kammer definierte Strömungsweg eine veränderliche
Breite hat, was im Einzelfall zu einer Optimierung der Wärmepumpenleistung
bei gegebenem Bauraum führen
kann.
Allgemein
können
mehrere hermetisch voneinander getrennte Hohlelemente vorgesehen
sein, wobei wenigstens zwei der Hohlelemente unterschiedliche Arbeitsmittel
und/oder Sorptionsmittel aufweisen. Grundsätzlich ist eine er findungsgemäße Wärmepumpe
nicht auf einheitliche Stoffsysteme in jedem der Hohlelemente beschränkt.
Zur
allgemeinen Verbesserung der thermischen Austauschleistungen ist
es bevorzugt vorgesehen, dass die Strömungswege des ersten Fluids
im Vergleich zu den über
identische Hohlelemente zugeordneten Strömungswege des zweiten Fluids
in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.
In
einer ersten zweckmäßigen Bauweise
ist es vorgesehen, dass die Trennwände des Verteilereinsatzes
spiralig ausgeformt sind, und dass die abgetrennten Kammern wendelförmig sind.
In
einer alternativen zweckmäßigen Ausführungsform
verlaufen die Trennwände
des Verteilereinsatzes im Wesentlichen gerade über die Länge des Verteilereinsatzes.
Auf diese Weise sind die Verteilereinsätze einfach und kostengünstig herstellbar, insbesondere
als zumindest abschnittsweise im Wesentlichen prismatische Körper. Diese
können
zum Beispiel als gegebenenfalls nachbearbeitete Strangpressprofile
hergestellt werden. Zur einfachen Bereitstellung der mehreren Strömungswege
weist der Hohlzylinder dabei eine Mehrzahl von Durchrechungen auf,
wobei in axialer Richtung aufeinander folgende Durchbrechungen jeweils
um einen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch ist
in konstruktiv einfacher Weise eine zyklische Folge von Strömungswegen
realisiert, die durch Drehen des geraden Verteilereinsatzes in Stapelrichtung
der Hohlelemente wandern.
Bei
einer besonders geeigneten konstruktiven Detaillösung weist der den Verteilereinsatz
umfangende Hohlzylinder dabei eine innere und eine äußere Wandung
auf, wobei zwischen den beiden Wandungen mehrere axial nacheinander
angeordnete Ringkammern ausgebildet sind. Hierdurch ist insbesondere
ein einfacher Anschluss der Hohlzylinder an den Stapel aus Plattenelementen
bzw. Hohlelementen ermöglicht.
Besonders bevorzugt sind dabei die Ringkammern als in axialer Richtung
stapelbare Ringkammermodule ausgebildet. Hierdurch lässt sich
durch Verwendung von Gleichteilen eine kostengünstig angepasste Herstellung
von Hohlzylindern bzw. Verteil vorrichtungen unterschiedlicher Länge bzw.
Wärmepumpen
unterschiedlicher Größe erzielen.
Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe
ist zur Optimierung der Leistungsfähigkeit bei gegebenem Bauraum
eine Verteileinrichtung für
das zweite Fluid vorgesehen, wobei das zweite Fluid mittels der
Verteilvorrichtung über
mehrere Strömungswege
durch die Durchtrittsbereiche zweiter Art geleitet wird. Besonders
bevorzugt bildet dabei einer der Strömungswege eine geschlossene
und von den übrigen
Strömungswegen des
zweiten Fluids separierte Schleife aus Der geschlossene Strömungsweg
hat dabei vorteilhaft eine kleinere Breite in der Stapelrichtung
als ein benachbarter Strömungsweg,
wobei der geschlossene Strömungsweg
insbesondere zur Zwischentemperaturverdampfung und/oder Zwischentemperaturkondensation
geführt
ist. Durch eine solche Führung
des geschlossenen Strömungswegs
wird eine innere thermische Kopplung einer Verdampfungs- und einer Kondensationszone
der Wärmepumpe
ausgebildet, wodurch insbesondere noch Wärmequellen mit tiefer liegenden
Temperaturbereich genutzt werden können. In zweckmäßiger Detailgestaltung
umfasst hat dabei der geschlossene Strömungsweg ein Pumpenglied zur
Förderung
des Fluids.
Diese
Ausführungsform
nutzt die Möglichkeit,
nur mittels der Fluidsteuerung eine Art Kaskadenschaltung zu realisieren,
entweder um die erforderliche Desorptionstemperatur abzusenken und/oder
den Temperaturabstand zwischen minimaler Adsorptionstemperatur und
Verdampfungstemperatur (Temperaturhub) zu vergrößern. Dies wird dadurch erreicht,
dass in den Fluidverteilzylindern zur Fluidsteuerung der Phasenwechselzone
zwischen den Verteilkammern für
die Kondensation und für
die Verdampfung Zwischenkammern vorgesehen werden, durch die ein
zusätzlicher
kleiner Kreislauf zirkuliert. Dadurch wird bewirkt, dass ein Wärmeübertrag von
der Kondensations-Endphase auf die Verdampfungs-Endphase erfolgt,
indem kaltes Fluid zur Kondensatorkühlung verwendet wird. Dies
bewirkt eine Druckabsenkung am Ende der Desorptions-/Kondensationsphase
wodurch eine Absenkung der zur vollständigen Desorption benötigten Temperatur
bewirkt wird. Die damit verbundene Druckanhebung am Ende der Adsorptions- /Verdampfungsphase
bewirkt eine Anhebung der benötigten
Adsorptionstemperatur. Diese Effekte können auch zur Erhöhung der
effektiv genutzten Beladungsbreite des eingesetzten Adsorptions-
bzw. Reaktionsmittels dienen.
Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Wärmepumpe
mit mehreren Abwandlungen beschrieben und anhand der anliegenden
Zeichnungen näher
erläutert.
1 zeigt
eine schematische räumliche Ansicht
einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
2 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch die Wärmepumpe aus 1 wobei
die Schnittebene in einem Plattenelement verläuft.
3 zeigt
eine schematische Schnittansicht der Wärmepumpe aus 2,
wobei die Schnittebene entlang der Linie A' A verläuft.
4 zeigt
eine schematische räumliche Darstellung
eines Teils einer zylindrischen Verteilvorrichtung der Wärmepumpe
aus 1 mit herausgezogenem Einsatz.
5 zeigt
eine schematische räumliche Darstellung
eines Ausschnitts des Verteilzylinders aus 4.
6 zeigt
eine räumliche
Darstellung des Endabschnitts des Zylinders aus 4.
7 zeigt
eine schematisierte Schnittansicht durch eine Wärmepumpe nach 1 zur
Verdeutlichung des Verlaufs von Strömungswegen.
8 zeigt
eine schematisierte Darstellung der Wärmepumpe aus 7,
wobei Strömungswege unterschiedlicher
Temperatur in unterschiedlichen Graustufen dargestellt sind.
9 zeigt
ein Diagramm eines zeitlichen Temperaturverlaufs an einer Adsorberseite
der Wärmepumpe.
10 zeigt
ein Diagramm eines Kreisprozesses zweier verschiedener Hohlräume eines
Plattenelements der Wärmepumpe
aus 1.
11 zeigt
den zeitlichen Temperaturverlauf zweier verschiedener Hohlräume eines
Plattenelements an einer Verdampfungs-Kondensationsseite der Wärmepumpe
aus 1.
12 zeigt
eine schematische Darstellung der zweiten Durchtrittsbereiche in
Anlehnung an die Darstellung aus 8 einer
ersten Abwandlung der Wärmepumpe.
13 zeigt
eine schematische Darstellung einer Fluidverteilung der zweiten
Durchtrittsbereiche einer zweiten Abwandlung der Wärmepumpe.
14 zeigt
ein Diagramm wie in 11 unter Zugrundelegung der
Abwandlung nach 13.
15 zeigt
eine Abwandlung der Wärmepumpe
aus 13.
16 zeigt
eine räumliche
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe.
17 zeigt
eine räumliche
Darstellung eines Hohlzylinders mit Verteilereinsatz der Wärmepumpe
aus 16.
18 zeigt
eine ausschnittsweise räumliche
Darstellung eines Hohlzylinders und eines Verteilereinsatzes eines
weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung.
19 zeigt
eine räumliche
Explosionsdarstellung zweier aufeinander folgender Ringkammermodule
des Hohlzylinders aus 18.
20 zeigt
eine Draufsicht auf die Ringkammermodule aus 19 aus
axialer Richtung von vorne.
21 zeigt
eine Schnittansicht durch die Ringkammermodule aus 20 entlang
der Schnittlinie A-A.
22 zeigt
eine Draufsicht auf die Ringkammermodule aus 20 entlang
der Linie B-B.
23 zeigt
eine Schnittansicht durch die Ringkammermodule aus 20 entlang
der Schnittlinie C-C.
24 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch einen Teil einer Wärmepumpe
mit Verteilvorrichtung gemäß 18 bis 23.
25 zeigt
eine schematische Darstellung einer Fluidverteilung der zweiten
Durchtrittsbereiche eines weiteren Ausführungsbeispiels der Wärmepumpe,
wobei ein zusätzlicher
geschlossener Strömungsweg
des zweiten Fluids vorliegt.
26 zeigt
eine schematische Darstellung der Strömungswege des zweiten Fluids
einer Wärmepumpe
nach 25.
27 zeigt
ein idealisiertes Prozessdiagramm einer Wärmepumpe aus 25 und 26.
Die
Wärmepumpe
aus 1 ist stapelartig aus alternierenden Lagen aufgebaut.
Dabei ist eine erste Art von Lagen aus Plattenelementen 1 gebildet, welche
vorliegend insgesamt sieben benachbarte, endseitig verschlossene
Flachrohre 2 umfassen.
Diese
sind einstückig
miteinander verbunden, jedoch hermetisch voneinander getrennt. Jedes der
Flachrohre 2 bildet ein hermetisch geschlossenes Hohlelement
bzw. einen durchgehenden Hohlraum aus, der eine erste Zone 2a und
eine zweite Zone 2b hat. Die Flachrohre sind an beiden
Stirnseiten geschlossen.
Zwischen
den beiden Zonen
2a,
2b ist ein leerer Zwischenraum
2c vorgesehen,
der eine gewisse Beabstandung der Zonen
2a,
2b bewirkt.
In der ersten Zone
2a ist jeweils ein adsorbierendes Mittel, insbesondere
Zeolith, vorgesehen, welches mit der Außenwandung des Flachrohres
2 in
möglichst
gutem thermischen Kontakt steht. Die zweite Zone
2b ist
innenseitig mit einer geeigneten Kapillarstruktur ausgekleidet,
die eine möglichst
effektive Speicherung einer flüssigen
Phase eines in dem Flachrohr
2 vorgesehenen Arbeitsmittels,
insbesondere Wasser, ermöglichen.
Die Zone
2a bildet somit eine Adsorber-Desorber-Zone und
die Zone
2b bildet eine Verdampfer-Kondensator-Zone. Hinsichtlich der genauen
Ausgestaltung der Zonen wird insbesondere auf die Offenbarung der
Druckschrift
DE 198
18 807 A1 Bezug genommen. Bei einer alternativen bevorzugten
Ausführungsform
ist das adsorbierende Mittel Aktivkohle und das Arbeitsmittel Wasser.
Unabhängig von
den erwähnten
Paaren von adsorbierendem Mittel und Arbeitsmittel sind in sämtlichen
der Ausführungsbeispiele
der Bauart nach Adsorptions-Wärmepumpen
beschrieben. Die Erfindung ist wie eingangs erwähnt nicht auf dieses Funktionsprinzip
beschränkt,
sondern kann auch andere Prozesse bzw. Reaktionen eines Arbeitsmittels
umfassen.
Zwischen
zwei Plattenelementen 1 befindet sich jeweils eine Lage 3,
innerhalb derer ein Durchtritt eines ersten Fluids und eines zweiten
Fluids vorgesehen ist. Dabei steht das erste Fluid mit den ersten Zonen 2a und
das zweite Fluid mit den zweiten Zonen 2b der Plattenelemente 1 während des
Durchtritts durch die Lagen 3 in thermischer Verbindung. Die
Lage 3 umfasst eine erste Art von Hohlplatten 4 und
eine zweite Art von Hohlplatten 5; auch diese sind stirnseitig
und an ihren oberen und unteren Längsseiten geschlossen. Die
Hohlplatten 4, 5 sind mit den jeweils benachbarten
Plattenelementen 1 flächig
verlötet,
verklebt oder gespannt, um einen guten thermischen Kontakt zu gewährleisten.
Zwischen zwei Hohlplatten 4, 5 der gleichen Lage
befindet sich eine Lücke 6,
die einen thermischen Kontakt zwischen den Hohlplatten 4, 5 weitgehend
vermeidet. Die Schnittsdarstellung nach 2 zeigt
einen Querschnitt in der Ebene der Hohlplatten 4, 5,
wobei die Grenzen der Hohlräume 2 der
Plattenelemente 1 als gestrichelte Linien angezeigt sind.
Die Hohlplatten 4 und 5 können hier nicht gezeigte innere
Strukturen Berippungen, Turbulenzeinlagen und dergleichen zur Verbesserung
des Wärmeübergangs
des diese durchströmenden
Fluids an die Kontaktflächen
zu den Plattenelementen 1 enthalten.
Senkrecht
zu den Ebenen der Plattenelemente 1 und der Hohlplatten 4, 5 sind
in endseitigen Bereichen der Hohlplatten 4, 5 Verteilervorrichtungen 7, 8, 9, 10 vorgesehen,
die jeweils im Wesentlichen die Form eines Zylinders aufweisen.
Ein erster Zylinder 7 und ein zweiter Zylinder 8 sind
dabei in gegenüberliegenden
Endbereichen der ersten Hohlplatten 4 vorgesehen und ein
dritter Zylinder 9 und ein vierter Zylinder 10 sind
in gegenüberliegend
endseitigen Bereichen der Hohlplatten 5 vorgesehen. Dabei
dienen die ersten beiden Zylinder 7, 8 der Verteilung
eines ersten Fluids durch in den Hohlplatten 4 ausgebildete Durchtrittsbereiche
erster Art und das Paar von Zylindern 9, 10 dient
der Steuerung bzw. Verteilung der Strömung eines zweiten Fluides
durch die Hohlplatten 5 und deren Durchtrittsbereiche zweiter
Art.
Jeder
der Zylinder 7, 8, 9, 10 hat
einen in einem zylindrischen Innenumfang eines feststehenden Hohlzylinders
geführten
drehbaren Verteilereinsatz 7a, 8a, 9a, 10a.
Der erste Verteilereinsatz 7a und der zweite Verteilereinsatz 8a sind
im Wesentlichen gleichbauend ausgebildet. Jeder der Verteilereinsätze 7a, 8a,
mittels derer eine Durchströmung
des ersten Fluids gesteuert wird, umfasst eine Anzahl von wendelförmigen Kammern 11,
welche durch spiralig ausgeformte Trennwände 7b, 8b und
die Innenumfangswandungen 7c und 8c der Zylinder 7, 8 gebildet werden.
Radial endseitig der Trennwände 7b, 8b sind
jeweils Fahnen 7d, 8d an den Trennwänden angebracht,
die Teil der zylindrischen Innenumfangswandung 7c abdecken.
Die
räumlichen
Darstellungen gemäß 4 bis 6 der
zylindrischen Verteilvorrichtung 7 verdeutlichen deren
Funktion. Es wird darauf hingewiesen, dass in den Zeichnungen die
genaue Anzahl der wendelförmigen
Kammern 11 variiert; so sind z. B. in 2 12
Kammern und in 4 bis 6 nur jeweils
acht Kammern dargestellt. In 5 sind diese acht
Kammern mit den Buchstaben A bis H bezeichnet. 5 zeigt
insbesondere einen schlitzförmigen Öffnungsbereich 12 in
der zylindrischen Wandung 7c, durch den das Fluid in die
Durchtrittsbereiche 13 der Hohlplatten 4 eintritt.
Eine Anzahl von Durchtrittsbereichen 13 ist dabei jeweils
gleichzeitig mit einer Kammer 11 des Verteilereinsatzes 7a verbunden.
In 5 ist ein so gebildeter erster Strömungsweg 14 und
ein zweiter Strömungsweg 15 gekennzeichnet, welche
jeweils gleichzeitig mit mehreren Durchtrittsbereichen 13 bzw.
Hohlplatten 4 in Verbindung stehen. Der Strömungsweg 14 ist
vorliegend mit der Kammer B und der Strömungsweg 15 mit der
Kammer C verbunden. Ersichtlich haben die Fahnen 7d durch
ihre spiralförmige
abschnittsweise Abdeckung der Innenumfangswandung 7c die
Wirkung, dass keiner der Durchtrittsbereiche 13 mit mehr
als einem Strömungsweg 14, 15 bzw.
mehr als einer einzelnen Kammer A-H in Verbindung steht.
Die
Verteilereinsätze 7a sind
zweckmäßig so ausgebildet,
dass jede ihre gewendelten Kammern 11 bzw. spiralig ausgeformten
Trennwände 7b über die
Länge des
Verteilereinsatzes 7a und der Stapelhöhe der Platten 1, 4, 5 der
Wärmepumpe
eine volle Drehung um die Symmetrieachse des Zylinders aufweisen.
Durch
eine angetriebene Drehung der Verteilereinsätze 7a, 8a innerhalb
der feststehenden Hohlzylinder 7c, 8c wandert
somit die Gruppe der jeweils mit der gleichen Kammer 11 in
Verbindung stehenden Durchtrittsbereiche 13 entlang einer
Stapelrichtung der Platten 1, 4, 5 der
Wärmepumpe.
Dies wird insbesondere durch die schematische Darstellung in 7 verdeutlicht.
Die Wärmepumpe
aus 7 hat Verteilereinsätze 7a, 8a mit
einer Mehrzahl von Kammern, vorliegend jeweils 12, entsprechend
der Darstellung aus 2. Die Verteilvorrichtungen 7, 8 haben
an mindestens einem Endbereich der Verteilereinsätze 7a und 8a Anschlussbereiche 16, 17,
mittels derer ein äußerer Anschluss
der einzelnen Kammern 11 der Verteilereinsätze ermöglicht ist.
Hierzu umfassen die Anschlussbereiche 16, 17 eine
geschlossene Außenfläche der
Endbereiche der Verteilereinsätze 7a, 8a mit
einer Anzahl von radial gerichteten Durchbrechungen 18,
welche isoliert und versetzt zueinander angeordnet sind und mit
jeweils einer der Kammern verbunden sind. In der schematischen Darstellung
nach 7 sind nur Anschlussbereiche für 6 Kammern dargestellt.
Außerhalb
der Anschlussbereiche 16, 17 sind die Anschlussbereiche 16, 17 umfangende
Anschlussräume 19 vorgesehen.
Die Räume 19 sind untereinander
mittels ringförmiger
Trennwände 19a voneinander
getrennt, die gleitend dichtend, insbesondere nach Art von Wellendichtringen,
auf den geschlossenen Bereichen der Oberflächen der Anschlussbereiche 16, 17 aufliegen.
Hierdurch ist jeweils nur eine Durchbrechung 18 mit jeweils
einem der ringförmigen
Anschlussräume 19 verbunden,
wobei die Ringräume 19 voneinander
isoliert sind.
Zur
kontrollierten Verbindung der Ringräume 19 sind eine Reihe
von in 7 nur schematisch dargestellten Verbindungskanälen 20 vorgesehen,
die je einen Ringraum der ersten Verteilvorrichtung 7 mit
je einem Ringraum der zweiten Verteilvorrichtung 8 verbinden.
Einige der Ringräume 19 weisen
auch Anschlüsse 21, 22 auf, über die äußere Wärmetauscher an
die Wärmepumpe
anschließbar
sind, wie dies schematisch in 8 dargestellt
ist. Dabei ist gemäß 8 eine
Heizvorrichtung 23 zwischen zwei Ringräumen 19 der ersten
Verteilvorrichtung 7 angeordnet und ein Umgebungsluftkühler 24 mit
Lüfter 25 ist
zwischen zwei Ringräumen 19 der
zweiten Verteilvorrichtung 8 angeordnet. Vor dem Kühler 24 ist
zudem eine Pumpe 26 zur Umwälzung des ersten Fluids vorgesehen.
8 verdeutlicht
insbesondere die Verschaltung der einzelnen Strömungswege auch hinsichtlich
ihrer Strömungsrichtung
zwischen den Plattenelementen 1. Es sind symbolisch drei
benachbarte Hohlräume 2 eines
Plattenelements 1 dargestellt, deren Achsen sich senkrecht
zur Zeichnungsebene erstrecken und die von dem ersten Wärmeträgerfluid umströmt werden
(entsprechend der Pfeilrichtung). Insgesamt weist die Wärmepumpe
nach 8 zwölf separate
Strömungswege
auf, so dass jede der Verteilvorrichtungen 7, 8 jeweils
zwölf wendelförmige Kammern
aufweist. Die zwölf
Strömungswege
im Tauscherbereich sind in 8 mit den
arabischen Ziffern 1–12
durchnummeriert. Dabei bilden die ersten sechs Strömungswege
1–6 eine
erste Gruppe von Strömungswegen,
und die Strömungswege
7–12 bilden
eine zweite Gruppe von Strömungswegen.
Die Gruppen sind durch Doppelpfeile gekennzeichnet. Sämtliche
der Strömungswege
innerhalb einer der beiden Gruppen sind jeweils benachbart und gleichgerichtet,
wie die kleinen senkrechten Pfeile im Bereich der Hohlplatten andeuten.
Die Strömungsrichtung
der zweiten Gruppe verläuft
dabei entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung
der ersten Gruppe. In der Zeichnung 8 sind die
Temperaturen des ersten Fluids in den einzelnen Strömungswegen
durch unterschiedliche Grauskalierung dargestellt. Die Reihenfolge
der Temperaturen der numerierten Strömungswege von kalt nach heiß ist somit 6-5-4-3-2-1-7-8-9-10-11-12.
Zwischen den jeweils benachbarten Strömungswegen der beiden Gruppen,
welches die Strömungswege
6 und 7 einerseits sowie 1 und 12 andererseits sind, liegt jeweils
ein relativ großer
Temperatursprung vor, wogegen die anderen Temperaturänderungen
zwischen benachbarten Strömungswegen
relativ klein sind. Insbesondere durch diese Aufteilung in Kombination
mit der nachfolgend erläuterten
Verschiebung der Durchströmungswege
und die äußere Beschaltung
mit einem Heizer 23 und einem Rückkühler 24 wird ein besonders
hoher Wirkungsgrad bei gegebener Baugröße der Wärmepumpe erreicht. Dies ergibt
sich aus einer stufigen Aufnahme sensibler Wärme aus abzukühlenden
Plattenelementen 1 einer ersten Gruppe von Strömunsgbereichen
(rechter Doppelpfeil in 8) zur Vorwärmung aufzuheizender Plat tenelemente 1 einer
zweiten Gruppe von Stromungsbereichen (linker Doppelpfeil in 8).
Durch
ein synchrones Drehen der beiden Verteilereinsätze 7a, 8a werden
nunmehr die Strömungswege
entsprechend der sich ändernden
Verbindungen der wendelförmigen
Kammern 11 mit den Durchtrittsbereichen 13 in
der Stapelrichtung der Plattenelemente 1 bzw. der Hohlelemente 4 verschoben.
Diese Veränderung
der Kontaktierung der einzelnen Kammern 11 mit den einzelnen
Durchtrittsbereichen 13 ist gleichbedeutend einer Wanderung
der Strömungswege
in Stapelrichtung, im vorliegenden Fall nach rechts. Durch die Verschiebung
der Strömungswege
nach rechts werden die beispielhaft eingezeichneten Sorptionsrohre
2 schrittweise immer weiter abgekühlt, bis die kälteste Zone
diese Elemente erreicht hat. Ein Großteil der dabei übertragenen Adsorptionswärme wird
dabei auf das Wärmeträger-Fluid übertragen,
dass sich dabei immer weiter erwärmt.
Die Heizleistung des nachfolgenden Heizelements 23 kann
dadurch reduziert werden. Grundsätzlich
erfolgt die Wanderung der Strömungswege bzw.
die Drehung der Verteilereinsätze
recht langsam, da diese an die Trägheit des Wärmeaustauschs zwischen dem
ersten Fluid und den jeweiligen Hohlelementen 2 sowie des
Stofftransports innerhalb der Hohlelemente 2 angepasst
ist.
Im
Ausführungsbeispiel
nach 8 ist das erste Fluid ein Thermoöl („Marlotherm"), welches in flüssiger Phase
vorliegt. Grundsätzlich
kann das erste Fluid auch gasförmig
sein, jedoch ist insbesondere bei Ausführungen mit vielen getrennten
Strömungswegen
eine Flüssigkeit
als erstes Fluid zu bevorzugen.
Die
erste Gruppe von Strömungswegen (Strömungswege
1–6),
die zudem die ersten sechs Strömungswege
nach der Kühlung
im Kühlelement 24 sind,
dienen der Abkühlung
der ersten Zonen bzw. der Sorptionsbereiche der Hohlräume 2,
wogegen die zweiten sechs Strömungswege
einer Aufheizung dieser Bereiche dienen.
In 9 sind
entsprechende zeitliche Verläufe
der Temperaturen über
einen Zyklus an verschiedenen Messstellen des in 8 beispielhaft eingezeich neten
Plattenelements 1 mit den drei Sorptionsrohren 2 dargestellt.
Es handelt sich dabei um die Fluid-Eintrittstemperatur (Tmarlo-Eintritt),
die Fluid-Austrittstemperatur
(Tmarlo-Austritt), die Zeolith-Temperatur an dem eintrittsseitigen
Sorptionsrohr oder Hohlraum 2 eines Plattenelements 1 (TZ(1))
und die Zeolith-Temperatur eines austrittsseitigen Sorptionsrohres
(TZ(7)) der insgesamt 7 benachbart zueinander angeordneten flachen
Hohlräume 2,
von denen in 8 nur 3 dargestellt sind. Es
ist zu berücksichtigen,
dass über
die Strömungswege
der Wärmepumpe
sowohl eine räumliche
als auch eine zeitliche Periodizität vorliegt. Wie das Diagramm 9 zeigt, liegt
an den Grenzen der beiden Gruppen von Strömungswegen jeweils eine größere Temperaturänderung
der ersten Zonen 2a der Hohlräume 2 in kurzer Zeit
vor, was durch den Temperatursprung der angrenzenden Strömungswege
der beiden unterschiedlichen Gruppen von Strömungswegen bedingt ist. An
diesen Stellen grenzt die Abkühlphase
an die Aufheizphase (bzw. -zone) und umgekehrt.
10 zeigt
zur weiteren Erläuterung
der Kreisprozesse in dem Sorptionsbereich der Wärmepumpe ein Diagramm, bei
dem ein Wasserdampf-Partialdruck
in logarithmischer Skalierung über
der Temperatur in negativer inverser Skalierung aufgetragen ist.
Die diagonalen Linien sind sogenannte Isosteren, also Linien konstanter
Gleichgewichtsbeladung des beispielhaften Arbeitsstoffpaares Zeolith
13x/Wasser. Aufgetragen sind Kreisprozesse eines eintrittsseitigen
Hohlraums (Reaktor 1) und eines austrittseitigen Hohlraums (Reaktor
7) eines bestimmten Plattenelements 1 der Wärmepumpe.
In
einem dritten Diagramm gemäß 11 ist für das Beispiel
aus 8 dargestellt, wie sich die Temperatur im Bereich
der zweiten Zone, also der Verdampfer/Kondensatorseite, verhält. Das
zweite Fluid ist vorliegend Luft. Wie der zeitliche Temperaturverlauf
nach 11 darlegt, existieren im Wesentlichen zwei Temperaturniveaus
in räumlicher
und zeitlicher Verteilung über
die Plattenelemente 1 der Wärmepumpe.
Entsprechend 2 sind
die Verteilereinsätze 9a, 10a der
Verteilvorrichtungen 9, 10 der für das für die zweite
Zone durchströmende
zweite Fluid jeweils in lediglich zwei wendelförmige Kammern 11 aufgeteilt.
Hierdurch ist für
viele Fälle
eine ausreichende Differenzierung der Strömungswege des zweiten Fluids
durch die Wärmepumpe
gewährleistet.
Die Erfindung funktioniert nun unter Berücksichtigung der Darstellungen
gemäß 8 bis 11 wie folgt:
Zum
Startzeitpunkt befindet sich eine ausgewählte Sorptionsplatte (Hohlraum 2)
auf der höchsten
Temperatur. In der Darstellung nach 8 ist dies
die in Flussrichtung letzte Sorptionsplatte bzw. der letzte Hohlraum 2 des
Strömungsweges „1". Das Plattenelement
hat dabei insgesamt sieben zusammenhängende Hohlräume 2,
von denen in der schematisierten Darstellung nach 8 lediglich
drei Hohlräume angedeutet
sind.
Durch
langsames Weiterdrehen der Verteilereinsätze 7a, 8a wandern
alle zwölf
Strömungswege, die
jeweils eine unterschiedliche Temperatur aufweisen nach rechts,
wodurch der Hohlraum zunächst
mit zunehmend kühlerem
ersten Fluid in Kontakt kommt. Durch Adsorption von Arbeitsmittel,
vorliegend Wasserdampf, sinkt der Druck in den Hohlräumen 2 (siehe 10)
und es kommt in den zweiten Zonen der Hohlräume 2 zu einer Verdampfung
von Wasser, wodurch diese Seite abgekühlt wird (siehe 11). Hierdurch
wird dem zweiten Fluid, vorliegend Luft, im Zuge des Vorbeiströmens an
der zweiten Zone des Hohlraumes 2 kontinuierlich Wärme entzogen.
Nach
Durchlauf der kältesten
Zone Nummer 6 gemäß 8,
die unmittelbar nach dem Kühler 24 folgt
und etwa der Umgebungstemperatur entspricht (vorliegend 30° Celsius)
hat das Sorptionsmittel im Hohlraum 2 seine maximale Beladung
erreicht und es beginnt nachfolgend die Aufheiz- und Desorptionsphase.
Im
vorliegenden Beispiel springt die Fluidtemperatur schnell auf circa
160 °C,
was dem Übergang
von Strömungswege
Nr. 6 auf Strömungsweg Nr.
7 entspricht. Hierdurch wird das Sorptionsmittel schnell erwärmt. Nach
Durchlaufen einer Gleichgewichtsbeladung geht die Adsorption in
eine Desorption über,
wodurch der Wasserdampf-Partialdruck schnell ansteigt (siehe 10),
so dass in der zweiten Zone die Verdampfung in eine Kondensation übergeht
(siehe 11). Bei diesem Teilprozess wandert
das Arbeitsmittel Wasser getrieben durch die stufenweise Temperaturerhöhung innerhalb
eines Hohlraums 2 kontinuierlich vom Adsorptionsmittel (erste
Zone) zur Kondensationszone (zweite Zone) und wird dort durch eine
nicht näher
dargestellte, einem Heatpipe ähnliche
Kapillarstruktur gehalten und zwecks gutem thermischen Kontakt auf
der Wandung der zweiten Zone des Hohlraums 2 homogen verteilt.
Hierbei
ist es vorteilhaft, die Wärmepumpe so
im Raum auszurichten, dass die Achsen der Hohlräume 2 im Wesentlichen
horizontal liegen, um ungünstige
Schwerkrafteinflüsse
auf die Verteilung des Arbeitsmittels zu vermeiden.
Sowohl
der Adsorptions-Verdampfungsprozess (Nutzprozess) als auch der Desorptions-Kondensationsprozess
(Regenerationsprozess) sind durch Anpassung der Drehgeschwindigkeit
der Verteilereinsätze
zeitlich so dimensioniert, dass ein Beladungsbereich des Adsorptionsmittels
ausgenutzt wird, der zu einem guten Kompromiss zwischen Leistungsdichte
und Verhältnis
von Nutzwärme
zu Antriebswärme
der Gesamtvorrichtung führt.
Im vorliegenden simulierten Beispiel sind beide Teilprozesse gleichlang.
Eine asymmetrische Zeitaufteilung der beiden Teilprozesse ist jedoch
problemlos möglich, indem
die Kammern 11 der Verteilereinsätze 7a, 8a entsprechend
asymmetrisch längs
des Umfangs verteilt sind. Dies kann zweckmäßig durch Anpassung der Öffnungswinkelaufteilung
für die
Kammersegmente realisiert werden.
Ebenso
kann es zu Optimierung der Funktionsweise sinnvoll sein, eine Phasenverschiebung zwischen
der Steuerung der Verteilvorrichtungen 7, 8 für die Adsorptions-Desorptions-Zone
relativ zu den Verteilvorrichtungen 9, 10 für die Verdampfungs-Kondensationszone
einzustellen. Aus 9 und 11 kann
entnommen werden, dass der Wechsel von Verdampfung zur Kondensation
dem Wechsel zwischen Adsorption und Desorption durch thermische Trägheiten
bedingt nachläuft.
Eine definierte, insbesondere einstellbare Phasenverschiebung kann
hier eine Verbesserung bringen.
In
einer ersten Abwandlung der zuvor beschriebenen Wärmepumpe
können
sogenannte adiabatische Phasen eingeführt werden. Dies ist in der Darstellung
nach 12, welche sich an die Darstellung nach 8 anlehnt,
durch isolierte Strömungswege 27 bzw.
Isolierung jeweils eines oder mehrerer Durchtrittsbereiche gegen
Fluid-Durchströmung
gegeben. Die Darstellung bezieht sich auf die Führung des zweiten Fluids innerhalb
der Verdampfungs-/Kondensationszone. Hierdurch ist eine bessere
Isolierung der benachbarten Strömungswege
der abkühlenden
Zone für
die Kondensation und der aufheizenden Zone für die Verdampfung gegeben,
so dass der an dieser Stelle wegen des Temperatursprungs besonders
nachteilige Temperaturfluss zwischen benachbarten Strömungswegen
verringert wird. Zur Realisierung solcher adiabatischer Phasen 27 werden
auf einfache Weise die Fahnen 9b, 10b der entsprechenden
Kammern 11 der Verteilereinsätze 7a, 7b besonders
groß geformt.
Hierdurch decken diese besonders geformten Fahnen einen oder mehrere
der Durchtrittsbereiche ab, die zwischen den Strömungswegen für die Verdampfung
und Kondensation liegen, so dass in diesen Durchtrittsbereichen kein
Fluidtransport stattfindet. 12 stellt
die zu 8 korrespondierende Lage der Strömungswege in
der Verdampfungs-/Kondensationszone
dar. Wesentlich dabei ist, dass die Strömungsrichtungen des zweiten
Fluids in 12 auch den Strömungsrichtungen
des ersten Fluids in 8 entgegengerichet sind und
untereinander auch entgegengerichtet sind.
Wie
bereits erwähnt
liegt der Schwerpunkt der Weiterentwicklung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe
auf der Steuerung des Adsorptions-Desorptionsprozesses bzw. der Prozesse
der ersten Zonen und der korrespondierenden Steuerung des zweiten
Fluids in der zweiten Zone. Wegen der geringen Temperaturunterschiede
sind in der zweiten, den Verdampfungs-/Kondensationsprozess steuernden Zone
jedoch mit Ausnahme adiabater Zonen meist weniger Kammern der Verteilereinsätze und
damit weniger unterschiedliche Strömungswege erforderlich. Im
bisher beschriebenen simulierten Beispiel liegt daher nur eine Gruppe
von Strömungswegen
für die
Verdampfung und eine für
die Kondensation vor, wie es im Prinzip aus der
DE 198 18 807 A1 bekannt
ist. Zur Verbesserung der Wärmepumpe kann
es jedoch vorgesehen sein, auch in diesem Bereich eine Mehrfachdurchströmung vorzusehen,
die entsprechend der Aufteilung der Kammern
11 der Verteilereinsätze
9a,
10a erfolgt.
Dabei können
einzelne Kammersegmente als Umlenksegmente, Verteil- und Sammelsegmente
eingesetzt werden.
Beispielhaft
zeigt 13 eine Anordnung, bei der die
beiden Verteilvorrichtungen 9, 10 unterschiedlich
geformte Verteilereinsätze 109a, 110a aufweisen.
Hierdurch kann abhängig
vom eingesetzten Stoffsystem eine etwas tiefere Nutztemperatur erreicht
werden.
Gemäß der Darstellung
nach 13 sind vier Schnitte in unterschiedlichen Ebenen
entlang der Stapelrichtung der Wärmepumpe
gezeigt.
Der
erste Verteilereinsatz 109a hat gemäß einer Querschnittsdarstellung
eine Kammer mit einem Öffnungswinkel
von 180°Grad,
zwei symmetrisch daran anschließende
Kammern mit einem Öffnungswinkel
von 45°Grad
und eine dazwischen angeordnete Kammer mit einem Öffnungswinkel
von 90°Grad.
Der andere Verteilereinsatz 110a hat eine Kammer mit Öffnungswinkel
180°Grad
und zwei Kammern mit Öffnungswinkel
90°Grad.
Strömungsrichtungen
des Fluids sind jeweils mittels einer Pfleilspitze als aus der Zeichnungeebene
heraus und mittels eines Pfeilschafts (Kreuzes) als in die Zeichnungsebene
hinein angedeutet.
Das
zu kühlende
zweite Fluid wird in die beiden 45°Grad-Kammern des linken Verteilereinsatzes geführt und
tritt von links jeweils in den ersten und in den letzten der dargestellten
Teilblöcke
ein. Auf der gegenüberliegenden
Seite werden sie von den beiden 90°Grad-Kammern des Verteilereinsatzes 110a aufgenommen
und auf die beiden mittleren Teilblöcke verteilt, die dann in Gegenrichtung
durchströmt werden.
In weiterer Ausgestaltung kann die Trennwand zwischen den beiden
90°Grad-Kammern
entfallen, um eine Vermischung der beiden Teilströme aus den
endseitigen Teilblöcken
zu ermöglichen.
Die beiden 180°-Kammern
sind für
die Kondensationszonen vorgesehen.
Das
Diagramm gemäß 14 zeigt
das Ergebnis der Abwandlung nach 13, wobei
als zweites Fluid ein Wasser-Glykolgemisch Verwendung findet. Ersichtlich
ist eine niedrigere Nutztemperatur von 285° Kelvin ermöglicht worden, die entsprechend nur
in einem kürzeren
Zeitbereich anliegt. Eine weitere Verbesserung würde eine gemäß 12 vorgeschlagene
Einführung von
adiabaten Zonen bringen, was in der Simulation nach 14 jedoch
nicht berücksichtigt
wurde.
Alternativ
kann auch eine zweifache Durchströmung des für die Verdampfung vorgesehenen Strömungswegs
der zweiten Zone mit nur zwei Teilblöcken realisiert werden. Eine
beispielhafte Kammeraufteilung zur Realisierung einer solchen Abwandlung
ist in 15 dargestellt. Hierbei weist
der erste Verteilereinsatz 209a zwei 90°Grad-Kammern und eine 180°Grad-Kammer
auf, wobei der zweite Verteilereinsatz 210a nur zwei gewendelte 180°Grad-Kammern umfasst.
Eine
weitere Ausführungsform
einer Wärmepumpe,
die insbesondere bezüglich
der Strömungswege
des zweiten Fluids optimiert ist, ist schematisch in 25 bis 27 dargestellt.
Die Verteilereinsätze 309a, 309b der
zylindrischen Verteilerelemente 309, 310 zur Verteilung
des zweiten Fluids haben jeweils vier Kammern 311a, 311b, 311c, 311d.
Dabei haben jeweils zwei gegenüberliegende
Kammern 311a, 311c einen gleichen, größeren Öffnungswinkel und
die beiden anderen gegenüberliegenden
Kammern 311b, 311d einen entsprechend kleinen Öffnungswinkel.
Die Kammern 311b, 311d mit kleinem Öffnungswinkel
der beiden hohlzylindrischen Verteilvorrichtungen 309, 310 sind
mittels Leitungen 330 in den Anschlussbereichen (siehe 26)
untereinander verbunden, so dass insgesamt ein geschlossener Strömungsweg
zwischen den vier Kammern 311b, 311d mit kleinem Öffnungswinkel
ausgebildet ist. Zur Förderung
des zweiten Fluids in diesem Strömungsweg
ist eine zusätzliche
Förderpumpe 331 in
einer der Leitungen 330 vorgesehen. Aus der Darstellung dieser
Anordnung nach 26 wird ersichtlich, dass eine
gewisse Ähnlichkeit
mit der Version aus 12 besteht, wobei dort lediglich
einzelne Strömungswege
zur thermischen Isolierung abgetrennt sind.
In 27 ist
in einem entsprechend 10 dargestellten Prozessdiagramm
eine entsprechende Prozessführung
gezeigt, wie sie sich mit einer Wärmepumpe gemäß 25 und 26 erreichen lässt. Das
Diagramm zeigt einen schematisierten und idealisierten Kreisprozess
mit dem Stoffpaar Aktivkohle-Methanol mit je einem zusätzlichen
Verdampfungstemperaturniveau und einem zusätzlichen Kondensationstemperaturniveau.
Diese werden durch eine fluidische und damit thermische Koppelung
der letzten Verdampfungszone mit einer Kondensationszone entsprechend 17 geschaffen.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein kleiner Teil des durch Verdampfung gekühlten Nutzfluids dazu verwendet, in
der Schlussphase des Regenerationsprozesses (Desorptions/Kondensation)
die Kondensationstemperatur auf ein deutlich tieferes Niveau abzusenken. Durch
die damit verbundene Absenkung des Dampfdruckes wird auch die Desorptionstemperatur
abgesenkt, ohne dass dabei die genutzte Beladungsbreite reduziert
werden muss. Auf diese Weise können Wärmequellen
mit tiefer liegendem Temperaturniveau noch genutzt werden, was zum
Beispiel bei der Nutzung solarthermischer Anlagen oder motorischer Blockheizkraftwerke
vorteilhaft ist.
Im
dargestellten Fall wird nach 25 bzw. 26 das
Fluid zur Beaufschlagung der letzten Verdampfungszone einer auf
reduziertem Temperaturniveau arbeitenden Kondensationsstufe entnommen. Diese
Schaltung bewirkt einen internen Wärmeübertrag von einer Zwischentemperatur-Kondensationsstufe
auf eine etwas niedriger liegende Zwischentemperatur-Verdampfungsstufe,
was durch den kleinen Pfeil in 27 angedeutet
ist („interner
Wärmeübertrag
in Phasenwechselzone").
Dadurch werden die den Anwendungsbereich beschneidenden Ecken des
Kreisprozesses (maximale Desorptionstemperatur und minimale Adsorptionstemperatur)
etwas entschärft.
Diese Maßnahme
kann den mit einem bestimmten Stoffpaar abdeckbaren Einsatztemperaturbereich
ohne drastische Einbußen
der Leistungszahlen etwas vergrößern. In 27 sind
zusätzliche
von rechts unten nach links oben verlaufende Pfeile eingetragen,
die den internen Wärmefluss
von der Adsorption zur Desorption symbolisieren sollen. Dieser Wärmefluss
wird durch die spezielle, zum Beispiel der 8 entnehmbare
Schaltung für
die Fluidsteuerung der Durchtrittsbereiche erster Art bzw. der Sorptionszone
bewirkt, die auch bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen
ohne den zusätzlichen Wärmeübertrag
innerhalb der Phasenwechselzone realisiert ist.
Teilblock
A zeigt in schematischer Darstellung die Lage der Verteileinsätze zu Beginn
der Niedertemperatur-Verdampfungsstufe, die der Abkühlung des
genutzten Fluidstroms dient.
Die
zugeordneten Strömungswege
werden in ihrer Breite in Stapelrichtung (siehe Darstellung 26)
durch die Winkelgröße der Kammern
definiert. Im Teilblock B befinden sich die Verteileinsätze in der
Position für
die nachfolgende Zwischentemperaturverdampfung. Die dem Strömungsweg
zugeordneten kleineren Kammersegmente stehen in Strömungsverbindung
mit den ebenfalls kleinen Kammersegmenten aus Teilblock D, der einen
Strömungsbereich
für eine
Zwischentemperaturkondensation definiert. Dieser Teilblock D schließt sich
dem Teilblock C an, der den Strömungsbereich
für die Hochtemperaturkondensation
definiert. Auf Teilblock D folgt wieder Teilblock A. Dieser separate
Kreislauf oder Strömungsweg
wird mit der separaten kleinen Umwälzpumpe 331 angetrieben.
Eine
weitere Ausführungsform
der Wärmepumpe,
die insbesondere eine konstruktive Variante darstellt, ist in 16 und 17 dargestellt.
Im Unterschied zu der schematischen konstruktiven Lösung aus 1 sind
hier die zylindrischen Verteilvorrichtungen 407, 408, 409, 410 als
Module mit einer zylindrischen Außenwand ausgebildet, die endseitig außerhalb
der Hohlplatten 404, 405 angeordnet sind. Die
Verteilvorrichtungen sind dabei ohne die Anschlussbereiche dargestellt.
Wie
insbesondere der Aufbau eines Zylinders 407 gemäß der Darstellung 17 zeigt,
liegen wie in der schematischen Ausführung nach 5 jeweils
acht separate Kammern A-H von gleichem Öffnungswinkel vor, was acht
benachbarten Strömungswegen
gleicher Breite durch den Stapel von Hohlelementen entspricht.
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
ist in 18 bis 24 dargestellt,
wodurch eine besonders geeignete konstruktive Lösung gegeben ist. Ebenso wie
bei den anderen beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die Verteilvorrichtungen 507, 508 als
Hohlzylinder mit einem drehbaren Verteilereinsatz 507a ausgebildet.
Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen hat der Verteilereinsatz 507a jedoch
Trennwände 507b mit Fahnen 507d,
die in axialer Richtung (bzw. Stapelrichtung) gerade verlaufen und
nicht spiralig gebogen sind. Hierdurch sind die Verteilereinsätze 507a besonders
kostengünstig
und einfach herstellbar.
Um
eine entsprechende Verteilung des Fluids auf die mit der Drehung
der Verteilereinsätze
in Stapelrichtung wandernden Strömungswege
zu erreichen, hat die den Verteilereinsatz 507a umgebende
zylindrische Wand 507c eine Mehrzahl von Durchbrechungen 512,
die in axialer Richtung aufeinander folgen und jeweils um einen
kleinen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind und somit auf
einer Spirallinie entlang der Zylinderwand liegen. Über die
gesamte axiale Länge
der Zylinderwand 507c beschreibt die Spirallinie einen
oder mehrere zweckmäßig vollständige Umläufe.
Die
zylindrische Wandung 507c wird von einer äußeren Zylinderwand 507e umfangen,
wobei durch radiale Trennwände 507f zwischen
innerer Wand 507c und äußerer Wand 507e zu
jeder der Durchbrechungen 512 eine Ringkammer 507g abgetrennt
ist.
In
der äußeren Wand 507e sind
Anschlussöffnungen 507h jeweils
zu jeder der Ringkammern ohne Winkelversatz auf einer geraden Linie
fluchtend vorgesehen, durch die ein Anschluss an die Durchtrittsbereiche
der Wärmepumpe
gegeben ist.
Im
Detail sind die einzelnen baugleichen Ringkammermodule 530 jeweils
aus einem Außenring 531 und
einem Innenring 532 zusammengesetzt, wobei der Außenring 532 eine
radiale Abkragung zur Ausbildung der Trennwand 507f zwischen
benachbarten Ringkammermodulen 530 aufweist. Vorliegend
haben die Innenringe 532 und die Außenringe 531 korrespondierende
Verzahnungen 531a, 532a, die zur Einstellung eines
definierten Winkelversatzes der Durchbrechungen 512 im
Zuge der Montage miteinander verrasten. Insbesondere bei einer automatisierten
Fertigung kann auf eine solche Verzahnung verzichtet werden. Die
Ringkammermodule 530 können
aus einem oder mehreren geeigneten Materialien bestehen, wie zum
Beispiel Kunststoff oder auch Aluminium.
Zur
weiteren Vereinfachung der Herstellung können die Außenringe 531 der beiden
gegenüberliegenden
Verteilvorrichtungen 507, 508 zugleich mit zumindest
einem Teil der sie verbindenden Durchtrittsbereiche 504 hergestellt
werden, insbesondere mittels Kaltfließpressen. Die flachrohrartigen
Durchtrittsbereiche 504 zwischen den Ringen 531 können noch
durch geeignete Oberflächen-vergrößernde Turbulenzbleche
oder durch aufzulötende
Deckbleche vervollständigt
werden.
Eine
schematische Schnittansicht durch die Durchtrittsbereiche zweiter
Art der Wärmepumpe
ist in 24 gezeigt. Das zweite Fluid
durchströmt
ausgehend von einer Kammer eines des axial geraden Verteilereinsatzes 507a eine
oder mehrere hiermit deckende spiralig angeordnete Durchbrechungen 512 der
inneren Wandung 507c und die mit diesen Durchbrechungen Öffnungen 512 verbundenen Ringkammern 507g.
Nachfolgend strömt
das Fluid durch die Öffnungen 507h der
Außenwand 507e und durch
die Durchtrittsbereiche 504 erster Art (oder auch zweiter
Art). Nach Durchströmen
der Durchtrittsbreiche 504 und entsprechendem Wärmeaustausch
tritt das Fluid wieder in die gegenüberliegende, symmetrisch aufgebaute
Verteilvorrichtung 508 ein. Ersichtlich ist die Funktion
der Verteilung des Fluids auf eine Mehrzahl von Strömungswege,
die zudem mit einer Drehung der Verteilereinsätze 507a wandern,
völlig
analog zu der Funktion eines Verteilereinsatzes mit spiralig gebogenen
Trennwänden.