DE3783843T2

DE3783843T2 - Kuehlungsverfahren.

Info

Publication number: DE3783843T2
Application number: DE8787113931T
Authority: DE
Inventors: Haruo Heima
Original assignee: Shinagawa Fuel Co Ltd
Current assignee: Shinagawa Fuel Co Ltd
Priority date: 1986-09-24
Filing date: 1987-09-23
Publication date: 1993-08-12
Anticipated expiration: 2007-09-24
Also published as: EP0261673A2; EP0261673A3; JPH0788996B2; CA1282603C; EP0261673B1; US4771607A; JPS6380168A; DE3783843D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(1) GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlverfahren und insbesondere ein einfaches Kühlverfahren, bei dem schwachgebrannter Kalk als Adsorptionsmittel verwendet wird.

(2) BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Bis jetzt ist ein Kühlverfahren unter Verwendung einer Wärmepumpe bekannt, bei dem ein Adsorptionsmittel eingesetzt wird. Zum Beispiel ist ein Kühlverfahren, in dem Zeolith als ein solches Adsorptionsmittel eingesetzt wird, auf dem Gebiet der Klimatechnik und Kältetechnik bekannt.
Die Adsorptionsfähigkeit von Zeolith ist jedoch im Bereich geringen Dampfdrucks (z. B. 5 Gew.-% bei 133,3 N/m² (1 mmHg) und 100ºC) nicht so hoch, und es besteht daher das Problem, daß eine relativ große Menge Zeolith zur Kühlung einer Gewichtseinheit eines bestimmten zu kühlenden Materials erforderlich ist. Ein weiteres Problem besteht darin, daß die Adsorptionsfähigkeit von Zeolith aufgrund der Entwicklung von Wärme, die die Adsorption von Wasser begleitet, merklich reduziert ist.
Die US-A-3 642 059 offenbart einen Apparat mit einer Verdampfungskammer und einer Adsorptionskammer, die trennbar miteinander verbunden sind. Kühlung eines Materials kann durch latente Wärme erfolgen, die dann erzeugt wird, wenn eine verdampfbare Flüssigkeit in der Verdampfungskammer verdampft wird, und Erwärmung eines Materials kann durch Absorptionswärme erfolgen, die dann erzeugt wird, wenn diese Flüssigkeit von einem dampfaufnahmefähigen chemischen Mittel in der Absorptionskammer absorbiert wird.
Die DE-A-29 39 423 offenbart eine Heizanlage mit einer Absorber- Wärmepumpe, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Heizanlage. Die Heizanlage umfaßt einen Arbeitsmediumkreislauf einschließlich einem Wärmespeicher mit einem Absorptionsmittel. Das Absorptionsmittel dient zum Speichern der Arbeitsenergie der Wärmepumpe.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlverfahren zu schaffen, mit einem verbesserten Adsorptionsmittel, das eine große Menge Wasser pro Gewichtseinheit davon adsorbiert.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kühlverfahren zu schaffen, mit einem verbesserten Adsorptionsmittel, das eine gewünschte Adsorptionsfähigkeit, ungeachtet der mit der Adsorption von Wasser verbundenen Wärmeerzeugung, beibehalt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kühlapparat zu schaffen, bei dem das Kühlverfahren unter Verwendung des verbesserten Adsorptionsmittels angewandt wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben ein Adsorptionsmittel gefunden, das es ermöglicht, die vorstehend genannten, mit der Verwendung von Zeolith als Adsorptionsmittel für eine chemische Wärmepumpe verbundenen Probleme zu beseitigen, eine große Menge Wasser pro Gewichtseinheit des Adsorptionsmittels zu adsorbieren und eine gewünschte Adsorptionsfähigkeit, ungeachtet der mit der Adsorption von Wasser verbundenen Wärmeerzeugung, beizubehalten; dies führte zu der vorliegenden Erfindung.
Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Kühlung eines Materials, das mit einem Kühlmittel in Verbindung steht, bei welchem Verfahren in dem Kühlmittel enthaltenes Wasser verdampft und das verdampfte Wasser an schwachgebranntem Kalk adsorbiert wird, wobei die Verdampfung und die Adsorption unter einem reduzierten Druck zur Kühlung des Materials erfolgt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Apparat zum Kühlen eines Materials, mit einer Adsorptionskammer und einer Verdampfungskammer, wobei die Adsorptionskammer und die Verdampfungskammer durch eine mindestens ein Ventil aufweisende Trennwand getrennt sind, die Verdampfungskammer einen Behälter zur Aufnahme eines zu kühlenden Materials enthält, wobei der Behälter von einer Kühlmittel enthaltenden Substanz umgeben ist, die Adsorptionskammer schwachgebrannten Kalk als ein Adsorptionsmittel enthält und der Druck der Adsorptionskammer und der Verdampfungskammer reduziert ist.
Die Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen zur Veranschaulichung des zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Apparates. Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform des Apparates zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 4 und 5 sind Schnittansichten des in Fig. 3 darstellten Apparates entlang der Linie A-A.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.
In der vorliegenden Erfindung wird schwachgebrannter Kalk als Adsorptionsmittel eingesetzt. Der schwächgebrannte Kalk wird auch als leichtgebrannter Kalk bezeichnet und wird im allgemeinen durch Brennen von Kalkstein bei einer Temperatur von etwa 800 bis 1.100ºC, vorzugsweise etwa 850 bis 1.050ºC, unter atmosphärischem Druck hergestellt. Der schwachgebrannte Kalk ist porös, weil er ein Volumen hat, das etwa demjenigen des ursprünglichen Kalksteins entspricht, und CO&sub2; aus diesem ursprünglichen Kalkstein während des Brennens freigesetzt wird. Mit anderen Worten, das resultierende CaO ist feinkristallin, hat ein großes Porenvolumen, eine geringe Massendichte und ist hochreaktiv.
In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren zur Herstellung von schwachgebranntem Kalk gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf einen bestimmten schwachgebrannten Kalk beschränkt ist. Deshalb enthält der gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete schwachgebrannte Kalk auch CaO, das durch Zersetzung von CaCO&sub3; oder Ca(OH)&sub2; bei einer Temperatur von etwa 300 bis 800ºC, vorzugsweise etwa 300 bis 500ºC unter reduziertem Druck, im Vakuum oder in Gegenwart eines Trägergases, wie z. B. N&sub2;-Gas, gewonnen wurde. Zum Beispiel kann bei der vorliegenden Erfindung auch CaO mit einer großen spezifischen Oberfläche, Reaktivpulver genannt, offenbart von ARAI et al in "Gypsum & Lime", 1982, Nr. 178, S. 31-40, verwendet werden. Dieses CaO wird bevorzugt verwendet, weil es eine große spezifische Oberfläche hat, hochreaktiv ist und eine sehr stark verbesserte Kühlfähigkeit pro Gewichtseinheit besitzt.
Bei der vorliegenden Erfindung wird unterschieden zwischen schwachgebranntem Kalk und hartgebranntem Kalk, der durch Kalzinieren bei einer hohen Temperatur von nicht weniger als etwa 1.200ºC hergestellt wird und der eine geringe spezifische Oberfläche sowie eine geringe Reaktionsfähigkeit besitzt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedes Kühlmittel eingesetzt werden, wenn es Wasser enthält. Zu Beispielen davon gehören Wasser per se sowie Salzlösungen, wie wässerige Natriumchlorid- und Kalziumchlorid-Lösungen.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann wie folgt durchgeführt werden:
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise mit dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Apparat durchgeführt werden. Der Apparat gemäß Fig. 1 umfaßt:
- eine Adsorptionskammer 1, die schwachgebrannten Kalk als Adsorptionsmittel enthält;
- eine Verdampfungskammer 2, die ein Kühlmittel und ein zu kühlendes Material enthält;
- eine Vakuumpumpe 3 zur Reduzierung des Drucks der Adsoptionskammer 1 und der Verdampfungskammer 2;
- einen Weg 4 zur Verbindung der Vakuumpumpe 3 mit der Adsorptionskammer 1 und der Verdampfungskammer 2; und
- Ventile 5, 6 und 7, die auf dem Weg 4 angebracht sind.
Zuerst wird die Pumpe in Betrieb gesetzt und die Ventile 5 und 7 werden geöffnet, während das Ventil 7 geschlossen wird, um den Druck in der Adsorptionskammer 1 zu reduzieren. Wenn der Druck in der Adsorptionskammer 1 auf einen gewünschten Wert reduziert worden ist, wird das Ventil 5 geschlossen und das Ventil 6 wird geöffnet, um den Druck in der Verdampfungskammer 2 zu reduzieren. Der Druck in der Verdampfungskammer 2 wird also auf einen gewünschten Wert reduziert. Dann wird das Ventil 7 geschlossen und das Ventil 5 wird geöffnet, um die Adsorptionskammer 1 mit der Verdampfungskammer 2 über den Weg 4 zu verbinden. In der Verdampfungskammer 2 verdampft das in dem Kühlmittel enthaltene Wasser, während es fühlbare Wärme von dem zu kühlenden Material absorbiert, das verdampfte Wasser gelangt durch den Weg 4 in die Adsorptionskammer 1 und wird an den Weichbrandkalk adsorbiert. Das Material wird gekühlt, indem das System unter diesen Bedingungen für einen gewünschten Zeitraum beibehalten wird.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, den Druck in der Adsorptionskammer 1 und in der Verdampfungskammer 2 auf 13,3 bis 3.999 N/m² (0,1 bis 30 Torr), vorzugsweise 66,7 bis 1.333 N/m² (0,5 bis 10 Torr) zu reduzieren.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf verschiedene andere Arten ausgeführt werden als der unter Einsatz der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Zum Beispiel wird, wie in Fig. 2 gezeigt, ein einstückiger Behälter durch eine Trennwand 9 in zwei Teilbehälter geteilt, von denen ein Behälter als Adsorptionskammer 1 dient und der andere als Verdampfungskammer 2. Weiterhin ist die Trennwand mit einem Ventil 8 versehen. In einem solchen Behälter wird sowohl der schwachgebrannte Kalk als Adsorptionsmittel als auch ein Kühlmittel und ein zu kühlendes Material vorher in die Adsorptionskammer 1 bzw. die Verdampfungskammer 2 eingebracht. Der Behälter ist verschlossen, während der Druck darin reduziert wird, und dann wird das Ventil 8 geöffnet, um das Material wie in dem vorstehend genannten Fall zu kühlen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der in der Adsorptionskammer enthaltene schwachgebrannte Kalk agglomeriert (oder granuliert) werden oder er kann in eine gewünschte Form gebracht werden. Eine pulverisierte Form kann ebenfalls problemlos verwendet werden. Wenn der schwachgebrannte Kalk in ein Gewebe oder in Drahtgaze eingehüllt wird, um ein dünnes Flachmaterialstück mit einer Dicke von 2 bis 20 mm, vorzugsweise 5 bis 10 mm, zu bilden, läßt sich der schwachgebrannte Kalk sehr leicht handhaben und eine einwandfreie Diffusion von Wasserdampf darin kann herbeigeführt werden.
Weiterhin kann das Kühlmittel eine Flüssigkeit als solche sein oder es kann auf einer Substanz, die geeignete Wasserabsorptionseigenschaften aufweist, absorbiert sein. Als Beispiele für eine solche Wasserrückhalteeigenschaften aufweisende Substanz sind Polymere (Polyelektrolyt-Hydrogel) mit Wasserabsorptionseigenschaften zu nennen.
Wenn als Kühlmittel eine Flüssigkeit als solche verwendet wird, wird die Verbindung zwischen dem Kühlmittel und dem zu kühlenden Material dadurch gewährleistet, daß das Kühlmittel so angebracht wird, daß es das zu kühlende Material umgibt. Wenn andererseits das Kühlmittel im auf einem Wasserabsorptionseigenschaften aufweisenden Polymer adsorbierten Zustand verwendet wird, wird die Verbindung zwischen dem Kühlmittel und dem zu kühlenden Material dadurch gewährleistet, daß das Polymer um das zu kühlende Material oder um den das Material enthaltenden Behälter herumgewickelt wird.
Bei dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine große Menge von Material mit einer relativ kleinen Menge des Adsorptionsmittels gekühlt werden. Deshalb eignet es sich als Kühlsystem, das an Behältern für Bier, Wein, Saft, Kühlgetränke oder dergleichen anzubringen ist. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Schaffung von tragbaren Kühlschränken.

Beispiel

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand folgender Beispiele näher erläutert.
Dieses Beispiel wurde unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Apparates durchgeführt. Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines Apparates mit einer zylindrischen Form.
Ein zu kühlendes Material 12 wird in einen zur Aufnahme des Materials bestimmten Behälter 11 (einwandiger Behälter) gefüllt, dessen Außenseite mit einem Gewebe oder Flachmaterialstück, das mit einem Kühlmittel, wie z. B. Wasser der Salzlösung, getränkt ist, umgeben ist, und der Raum 14 (in einem doppelwandigen Behälter) befindet sich im Sättigungsdampfdruck-Zustand.
Eine Adsorptionskammer 17 (ein dreiwandiger Behälter) enthält schwachgebrannten Kalk. Der schwachgebrannte Kalk ist in Gewebe oder feinmaschige Drahtgaze eingehüllt, um zu einer dünnen Lage mit einer Dicke von 5 bis 20 mm geformt zu werden, wobei die dünne Lage plattenförmig oder spiralförmig ausgebildet ist (s. Fig. 4 und 5). Das Gewebe oder die Drahtgaze spielen eine wichtige Rolle bei der Verhinderung einer Verdichtung des schwachgebrannten Kalks als auch beim Fördern der Diffusion des Dampfes darin.
Der einwandige Behälter 11, der doppelwandige Behälter 14 und der dreiwandige Behälter 17 sind unabhängige Einheiten. Die Temperatur und der Druck in dem einwandigen Behälter 11 sind normal, in dem doppelwandigen Behälter 14 ist die Temperatur normal und der Druck der Dampfdruck des Kühlmittels, und in dem dreiwandigen Behälter 17 ist die Temperatur normal und der Druck reduziert.
Der doppelwandige Behälter 14 und der dreiwandige Behälter 17 sind durch eine ein Ventil 8 aufweisende Trennwand 19 voneinander getrennt, wobei diese Behälter jedoch miteinander verbunden werden können, indem ein Draht 20 durch einen Gummistopfen 21 gezogen wird, um ein Ventil 8 zum Zeitpunkt der Anwendung zu öffnen. Eine Dichtung 15 sorgt dafür, daß das Überleiten der durch den schwachgebrannten Kalk erzeugten Wärme von dem dreiwandigen Behälter auf den einwandigen Behälter und den zweiwandigen Behälter erschwert wird. Der Druck in dem doppelwandigen Behälter (dem Raum 14) ist während der Anwendung reduziert, und es befindet sich fast keine Luft in dem Raum. Somit wird das Überleiten von Wärme von dem Raum auf den einwandigen Behälter aufgrund der Konvektion vermieden.
Wenn der Draht 20 bei Kühlung von außen gezogen wird, wird das Ventil 8 auf der Trennwand 19 geöffnet, der in dem doppelwandigen Behälter befindliche Wasserdampf strömt in den dreiwandigen Behälter und der Dampf reagiert mit dem darin enthaltenen Adsorptionsmittel.
CaO + H&sub2;O = Ca(OH)&sub2; + 63.639 J (15.200 cal)
Zur gleichen Zeit ist der Druck in dem doppelwandigen Behälter 14 reduziert, die Verdampfung des Kühlmittels beginnt an der Oberfläche des Gewebes oder des Flachmaterialstücks 13 und das Gewebe oder das Flachmaterialstück 13 als solches werden gekühlt. Wenn das Gewebe oder das Flachmaterialstück 13 gekühlt wird, werden der einwandige Behälter und dann das zu kühlende Material 12 ihrerseits gekühlt.
Somit beginnt die Kühlung des zu kühlenden Materials 12, wenn der Draht 20 außen gezogen wird, und wird fortgesetzt, bis ein Adsorptionsgleichgewicht zwischen dem schwachgebrannten Kalk und dem Kühlmittel hergestellt ist, und folglich wird keine Übertragung von Dampf zwischen ihnen mehr festgestellt. Die Temperatur des schwachgebrannten Kalks wird aufgrund der während des Gebrauchs entstehenden Reaktionswärme auf 200 bis 300ºC erhöht. Die Adsorptionsfähigkeit bleibt jedoch unverändert bis zur Zersetzungstemperatur der Produkte (die Zersetzungstemperatur von Ca(OH)&sub2; beträgt 450ºC), im Unterschied zu physikalischer Adsorption.
Zusätzlich, um den Anwender gegen Verbrennungen zu schützen, kann eine Wärmereflexionsplatte 22 an der Innenwand des dreiwandigen Behälters angebracht werden.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wurde unter Verwendung einer im Handel erhältlichen Dose (Durchmesser = 53 mm; Höhe = 88 mm) mit einem Saftinhalt von 165 g als dem einwandigen Behälter, Dosen für Obst (Durchmesser = 84 mm; Höhe = 115 mm) als dem doppelwandigen bzw. dreiwandigen Behälter durchgeführt.
Das zu kühlende Material Wasser
Gewicht 165 g
Ursprüngliche Temperatur 25ºC
Endgültige Temperatur (15 Minuten später) 5ºC
Kühlmittel 5% wässerige Lösung von NaCl
Träger für das Kühlmittel Geschirrtuch aus Zellstoff
Adsorptionsmittel schwachgebranntes CaO
Gewicht 105 g
(Der verwendete schwachgebrannte Kalk wurde gewonnen durch Zersetzen von JIS Kalziumkarbonat erster Qualität bei etwa 860ºC).
Dicke 6 mm
Material für die Drahtgaze mit Öffnungen von
Einhüllung 0,074 mm
(200 Maschen) Druck Doppelwandiger Behälter Dreiwandiger Ursprünglicher Endgültiger
Der Behälter 11 ist kegelstumpfförmig. Der den Raum 14 bildende Behälter ist zylindrisch und umgibt den Behälter 11, wodurch der Raum 14 gebildet wird, der teilweise den Behälter 11 umgibt und teilweise oberhalb des Behälters 1 l ist. Der die Kammer 17 bildende Behälter ist zylindrisch und am oberen Ende des Behälters, der den Raum 14 bildet, angebracht.

(Vorteile der Erfindung)

Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann eine große Menge Material unter Verwendung einer relativ keinen Menge eines Adsorptionsmittels gekühlt werden, weil schwachgebrannter Kalk als Adsorptionsmittel verwendet wird.

Claims

1. Verfahren zum Kühlen eines Materials, das mit einem Kühlmittel in Verbindung steht, bei welchem Verfahren in dem Kühlmittel enthaltenes Wasser verdampft wird und das das verdampfte Wasser an schwachgebranntem Kalk adsorbiert wird, wobei die Verdampfung und die Adsorption unter einem reduzierten Druck zur Kühlung des Materials erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verdampfung und die Adsorption unter einem reduzierten Druck von 13,3 bis 3999 N/m² (0,1 bis 30 Torr) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Verdampfung und die Adsorption unter einem reduzierten Druck von 66,7 bis 2666 N/m² (0,5 bis 20 Torr) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Kühlmittel Wasser oder Salzlösung ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Kühlmittel auf einer geeignete Wasserabsorptionseigenschaften aufweisenden Substanz absorbiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Substanz ein Polymer ist, das Wasser absorbieren kann.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der schwachgebrannte Kalk durch Brennen von Kalkstein bei 800 bis 1100ºC erhalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der schwachgebrannte Kalk durch Brennen von Kalkstein bei 850 bis 1050ºC erhalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der schwachgebrannte Kalk durch Brennen von gelöschtem Kalk bei 500 bis 800ºC erhalten wird.

10. Apparat zum Kühlen eines Materials, mit einer Adsorptionskammer und einer Verdampfungskammer, wobei die Adsorptionskammer und die Verdampfungskammer durch eine mindestens ein Ventil aufweisende Trennwand getrennt sind und die Verdampfungskammer einen Behälter zur Aufnahme eines zu kühlenden Materials enthält, wobei der Behälter von einer Kühlmittel enthaltenden Substanz umgeben ist, die Adsorptionskammer schwachgebrannten Kalk als ein Adsorptionsmittel enthält und der Druck der Adsorptionskammer und der Verdampfungskammer reduziert ist.

11. Apparat nach Anspruch 10, bei dem der Druck der Adsorptionskammer und der Verdampfungskammer 13,3 bis 3999 N/m² (0,1 bis 30 Torr) beträgt.

12. Apparat nach Anspruch 10, bei dem der Druck der Adsorptionskammer und der Verdampfungskammer 66,7 bis 2666 N/m² (0,5 bis 20 Torr) beträgt.

13. Apparat nach Anspruch 10, bei dem das Kühlmittel Wasser oder Salzlösung ist.

14. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Kühlmittel enthaltende Substanz in Form von Gewebe oder Flachmaterial vorgesehen ist.

15. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem die Substanz geeignete Wasserabsorptionseigenschaften aufweist.

16. Apparat nach Anspruch 14, bei dem die Substanz ein mit dem Kühlmittel getränktes Polymer ist, das Wasser adsorbieren kann.

17. Apparat nach einem der Ansprüche 10 bis 16, bei dem der schwachgebrannte Kalk durch Brennen von Kalkstein bei 800 bis 1100ºC gewonnen ist.

18. Apparat nach Anspruch 17, bei dem der schwachgebrannte Kalk durch Brennen von Kalkstein bei 850 bis 1050ºC gewonnen ist.