DE3604909C2 - Verfahren zur Kälteerzeugung mit Hilfe von zwei periodisch arbeitenden Sorptions-Kälteerzeugern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

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

Aus der DE-PS 5 15 311 ist es bekannt, einen periodisch arbeitenden Sorptionsapparat mit einem Wärmerohr zur Wärmeübertragung zwischen einem Kälteverbraucher und dem Verdampfer des Kälteerzeugers zu koppeln. Das Wärmerohr enthält dabei ein sie­ dendes und kondensierendes Kältemittel, welches Wärme aus einem Kühlschrank auf­ nimmt und in den Verdampfer des Kälteerzeugers überträgt. Ein Wärmefluß vom Ver­ dampfer, der während der Desorptionsphase warm ist, in den Kühlschrank ist ausge­ schlossen.

Wärmerohre sind auch aus der DE-PS 24 12 631 in Verbindung mit Kühlgeräten be­ kannt.

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

Wenn der Kälteverbraucher mit allen Verdampfern gleich­ zeitig gekoppelt ist, ist die einfachste Bauart (Ver­ flüssiger=Verdampfer) nicht möglich. Jeder einzelne Sorptionsapparat benötigt dann getrennte Verflüssiger und Absperrsysteme, um in der jeweiligen Desorptions­ phase eine Rückkondensation im Verdampfer auszuschlie­ ßen.

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

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

Aufgabe der Erfindung ist es, Kälteverbraucher so an die Verdampfer von mindestens 2 Kälteerzeugern zu koppeln, daß eine optimale Wärmeübertragung mit minimalem Regelungsauf­ wand erfolgen kann.

Die Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zwischen Verdampfern und Kälteverbraucher wird ein Wärme­ übertragungselement geschaltet, in welchem durch Wärme­ aufnahme eine Flüssigkeit verdampft und unter Wärmeab­ gabe an den Verdampfern kondensiert und als Flüssigkeit an die Stelle der Verdampfung zurückkehrt, um dort durch erneute Wärmeaufnahme wieder zu verdampfen. Erfindungsgemäß eignen sich hierzu sogenannte Wärme-Rohre, in denen die Flüssigkeit beispielsweise über Kapillarkräfte zum Ort der Verdampfung zurückgeführt werden.

Wenn zwei und mehr Verdampfer an ein Wärmerohr gekoppelt sind, wird die Wärme vom Kälteverbraucher immer auf den Verdampfer mit der niedrigsten Temperatur übertragen. Ohne Regelung wird damit sichergestellt, daß dem Kälteverbraucher immer die kälteste Verdampfertemperatur zur Verfügung steht.

Durch die Zwischenschaltung eines Wärmerohres zwischen Verdampfern und Kälteverbraucher wird sichergestellt, daß nur Wärme vom Kälteverbraucher zum Verdampfer übertragen wird und nie umgekehrt.

Bei Sorptionsapparaten kann damit auf die einfachste Bauart zurückgegriffen werden, ohne daß aufwendige Absperrorgane und komplizierte Regelungen notwendig werden.

Die Wärmerohre können mit zusätzlichen Wärmeabgabeflächen versehen sein. Über diese kann zum Beispiel Wärme an die Umgebungsluft abgeführt wer­ den, ohne daß der Kälteerzeuger in Betrieb ist. Dies ist bei allen Kälteverbrauchern nützlich, deren Wärme­ abgabe starke Temperaturschwankungen aufweist oder die nur zeitweise unter die Umgebungstemperatur gekühlt werden müssen, wie dies beispielsweise zur Kraftstoff­ kühlung bei Einspritzmotoren notwendig ist.

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

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

Neben den verschiedenen Sorptionssystemen lassen sich aber auch alle bekannten Kälteerzeuger, wie Kompressions­ kältemaschinen, Peltierelemente, Eisspeicher oder Wärme­ pumpen mit dem Wärmerohr kombinieren.

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

Als Kältemittel in den Wärmerohren eignen sich alle bekannten Stoffe.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Wärmerohr zur Kühlung eines fließenden Wärmeträgermediums, gekoppelt an zwei periodisch arbeitende Sorptionsapparate.

Das Wärmerohr WE enthält das Kältemittel K, welches durch Verdampfen Wärme an die Verdampfer V der Kälteerzeuger überträgt. Das an den Verdampfern V konden­ sierte Kältemittel K tropft von diesen in die Flüssigkeit zurück.

Die Sorptionsapparate S enthalten eine Zeolithfüllung Z, die über eine elektrische Heizung H periodisch erhitzt wird. Während der Desorptionsphasen wird aus der Zeolithfüllung Z Wasserdampf ausgetrieben, der im Verflüssiger VE kondensiert und im Verdampfer V gesammelt wird. An das Wärmeträgermedium M wird dabei keine Wärme übertragen. Während der Sorptions­ phasen wird die Zeolithfüllung Z über die Kühlrippen KR abgekühlt. Aus dem Verdampfer V verdampft Wasser.

Die zwei periodisch arbeitenden Sorptionsapparate S werden phasenverschoben betrieben. Durch diese Betriebsweise kann immer ein Verdampfer V vom Kältemittel K Wärme aufnehmen und das Wärmeträger­ medium M kühlen. Der rechte Sorptionsapparat S enthält zwischen der Zeolithfüllung Z und dem Verdampfer V eine Absperrvorrichtung AV, die über einen Elektromagneten MA gesteuert wird. Durch die Absperrvorrichtung AV kann sichergestellt werden, daß auch nach Betriebsunterbre­ chungen sofort Kälte abrufbar ist und nicht erst der Zeitraum einer Desorptionsphase abgewartet werden muß. Um dies sicherzustellen, wird am Ende der Betriebszeit der rechte Sorptionsapparat desorbiert. Die Absperr­ vorrichtung AV ist dabei geöffnet. Mit Abschalten der Heizung H wird auch der Strom durch den Elektromag­ neten MA unterbrochen. Die Absperrvorrichtung AV wird dadurch geschlossen und die Verdampfung aus dem Ver­ dampfer verhindert. Das gesamte Kühlsystem kann somit ohne Stromanschluß beliebig lange stillgelegt werden. Zu Beginn der folgenden Betriebszeit wird die Absperr­ vorrichtung AV geöffnet und der linke Sorptionsapparat S desorbiert, bis die Kühlwirkung des rechten Sorptions­ apparates S verbraucht ist.

Durch die Kombination eines Wärmerohres WE mit einfachen Sorptionsapparaten S ist der Betrieb von Kühl­ schränken möglich, die nur durch Wärme betrieben werden, erschütterungsunabhängig sind und dank der besonderen Eigenschaften der Zeolithfüllung auch bei hohen Umge­ bungstemperaturen funktionsfähig bleiben.

Claims (3)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung mit Hilfe von zwei periodisch arbeitenden Sorp­ tions-Kälteerzeugern, wobei zur Wärmeübertragung zwischen dem Kälteverbrau­ cher und den Verdampfern der Kälteerzeuger Wärmerohre verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteerzeuger phasenverschoben betrieben werden und daß die Ver­ dampfer über ein gemeinsames Wärmerohr mit dem Kälteverbraucher verbunden sind.

2. Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über Wärmeabgabeflächen am Wärmerohr die Wärmeabgabe an weitere Medien möglich ist.

3. Verfahren zur Kälteerzeugung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Sorptionsapparat mit dem Stoffpaar Zeolith/Wasser arbeitet.