DE4006287C2 - Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskühlanlage - Google Patents
Verfahren zum Betreiben einer AdsorptionskühlanlageInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zum Betreiben einer
Adsorptionskühlanlage, das es ermöglicht, den Kühl
wirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere ist die Erfindung im
Hinblick auf die Gestaltung eines Verfahrens zum Betreiben
einer Adsorptionskühlanlage angelegt, bei der zwei
Adsorptionskolonnen direkt über eine Rohrleitung mit einem
Ventil verbunden sind.
Unter den Adsorptionskühlanlagen des Standes der Technik,
die die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge zwischen einem
festen Adsorbens und einem Kältemittel zur Erzeugung von
Kälte oder zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebes
nutzen, besitzen Kühlanlagen, die Gewinn aus niederwertigen
Wärmequellen, beispielsweise Warmwasser, das durch Solar
kollektoren bereitgestellt wird, etc. (z. B. Warmwasser von
etwa 85°C) oder Abwärme von Betriebsanlagen ziehen, viele
Vorteile, indem andernfalls verschwendete Abfallenergie
wirksam genutzt werden kann. Sie sind weiter aus einer
kleineren Anzahl beweglicher Komponenten, wie beispielsweise
Pumpen, aufgebaut, was zu wirtschaftlicheren Gerätekosten
führt, und sie erzeugen im Vergleich zu Kompressorkühl
anlagen ein geringeres Betriebsgeräusch.
Adsorptionskühlanlagen dieser Art weisen im allgemeinen
zwei parallel zueinander angeordnete Sätze von ein
Kältemittel beinhaltende Adsorptionskolonnen auf, in denen
ein festes Adsorbens, wie beispielsweise Kieselsäuregel,
Zeolith, aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminiumoxid,
etc. sowie ein Kondensator und ein Verdampfer untergebracht
und so in ein System gebracht sind, daß ein Wärmeüber
tragungsmedium zum Erwärmen des Adsorbens und zum Kühlen
von Wasser abwechselnd an beide Adsorptionskolonnen zum
abwechselnden Wiederholen von Desorptions- und Adsorptions
phasen geliefert wird, wodurch eine kontinuierliche
Kühlleistungsabgabe erzielt wird.
Bei diesen Adsorptionskühlanlagen des Standes der Technik
besteht ein Problem darin, daß kurz bevor ein Zyklus von
Adsorptions- und Desorptionsphasen zwischen den
Adsorptionskolonnen umwechselt, die Adsorptionskolonne, die
sich gerade in der Desorptionsphase befand, voll von aus
dem festen Adsorbens ausgetriebenen Kältemitteldampf ist,
und daß sie beim Übergang in die Adsorptionsphase den in
ihr enthaltenen Kältemitteldampf zunächst adsorbieren muß.
Dementsprechend ist es in der Anfangsphase, wenn nach dem
Umwechseln ein neuer Zyklus von Adsorptions- und
Desorptionsphasen eingeleitet wird, schwierig, daß die
Kolonnen ihre eigentliche Aufgabe wahrnehmen, nämlich die
im Verdampfer enthaltene Kältemittelflüssigkeit zur
Erzielung der geforderten Kühlleistung zu adsorbieren. Die
sich ergebende Kühlleistungsabgabe wird also vermindert.
Die hier genannten Erfinder haben für ein solches
Adsorptionskühlsystem bereits ein wirksameres
Betriebsverfahren vorgeschlagen und veröffentlicht, um die
Kühlleistungsabgabe zu erhöhen (US 4 594 856).
Entsprechend diesem Verfahren wird Restwärme wie
beispielsweise Warmwasser, das im Bereich der
Desorptionskolonne verblieben ist, unmittelbar vor dem
Umschalten der Adsorptions- und Desorptionsphasen zwischen
den beiden Adsorptionskolonnen in die andere
Adsorptionskolonne, unmittelbar bevor deren Eintritt in die
Desorptionsphase, überführt, wodurch das feste Adsorbens in
der letztgenannten Kolonne vorgewärmt wird, und worauf dann
die Phasenumschaltung erfolgt. Dieses Verfahren ermöglicht
eine wirksame Nutzung der Wärmemenge des Systems, wird aber
auch durch das vorgenannte Problem betroffen.
Aus der DE 34 08 193 A1 ist ein Verfahren zum Erhöhen der
Temperatur von Wärme sowie eine Wärmepumpe bekannt, wobei das
Verfahren die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1
aufweist. Hierbei wird vor dem Umkehren der Adsorptions- und
Desorptionsphasen der innere Wärmeaustausch durch eine Druck
ausgleichung durch das Öffnen eines Ventils vollzogen. Danach
wird der weitere innere Wärmeaustausch durch Wärmeüber
tragungsschleifen durch Schließen dieses Ventils durch
geführt. Somit umfaßt der Wärmepumpenzyklus des bekannten
Verfahrens 3 Schritte: Adsorption der ersten Adsorptions
kolonne - Desorption einer zweiten Adsorptionskolonne, über
gangsschritt unmittelbar vor dem Umschalten, und Desorption
der ersten Adsorptionskolonne - Adsorption der zweiten
Adsorptionskolonne.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem
besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer
Adsorptionskälteanlage der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Art zu schaffen, mit dem es möglich ist, die
Kühleffizienz bzw. den Kühlwirkungsgrad einer Adsorptions
kälteanlage zu verbessern.
Dieses technische Problem wird durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei werden, kurz bevor
ein Zyklus von Adsorptions- und Desorptionsphasen beendet
ist, Kältemittelwege abgeschaltet und die jeweiligen
Adsorptions- und Desorptionsphasen zwischen zwei
Adsorptionskolonnen zeitlich vorverlegt, um so den in der
Adsorptionskolonne befindlichen Kältemitteldampf wirksam zu
nutzen und anschließend auf den nächsten Zyklus mit genau
umgekehrten Phasen umzuschalten.
Ein Vorteil der Erfindung besteht in der Schaffung eines
Betriebsverfahrens für eine Adsorptionskühlanlage, das
sowohl einen hohen Kühlwirkungsgrad besitzt, als auch
einen relativ einfachen Betätigungsablauf aufweist.
Zu diesem Zweck ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Adsorptionskohlanlage aus zwei
Adsorptionskolonnen aufgebaut, von denen jede ein festes
Adsorbens und von einem Kältemittel umgebene Wärmeüber
tragungsrohre enthält, wobei ferner ein Kondensator, ein
Verdampfer und Kältemittelwege zum Verbinden der
Adsorptionskolonnen mit dem Kondensator und dem Verdampf er
in der Anlage vorhanden sind, so daß das Kältemittel durch
Gefäße der Adsorptionskolonnen hindurchgeleitet werden kann,
wobei eine mit einem Ventil ausgestattete Rohrleitung die
beiden Adsorptionskolonnen direkt verbindet und das Kühl
system wie nachfolgend beschrieben arbeitet. Wenn ein Zyklus
von Adsorptions- und Desorptionsphasen zu Ende geht, d. h.,
wenn sich der Partialdruck des Kältemitteldampfes in den
Adsorptionskolonnen einem konstanten Wert nähert, und ehe
der Zyklus in den nächsten Zyklus mit genau entgegen
gesetzten Phasen umgeschaltet wird, wird die Übertragung des
Kältemittels zwischen der einen Adsorptionskolonne und dem
Verdampfer und zwischen der anderen Adsorptionskolonne und
dem Kondensator durch beliebige Maßnahmen unterbunden,
beispielsweise durch Schließen von Ventilen im Kältemittel
weg, während die beiden Adsorptionskolonnen durch Öffnen des
Ventils in der die beiden Kolonnen verbindenden Rohrleitung
solange miteinander in Verbindung gebracht werden, bis
zwischen beiden ein Druckausgleich erreicht worden ist;
wonach mit Erreichen des Druckausgleichs das Ventil
geschlossen wird und somit die Adsorptions- und Desorptions
phasen im wesentlichen vollständig beendet sind.
Zu dem Zeitpunkt, zu dem ein Zyklus der Adsorptions- und
Desorptionsphasen beendet ist, ist der Innendruck der einen
Adsorptionskolonne in der Desorptionsphase wesentlich größer
als derjenige der anderen Adsorptionskolonne in der
Adsorptionsphase, und zwar wegen des desorbierten Kälte
mitteldampfes in der erstgenannten Kolonne. Bei diesem
Betriebszustand sind alle Ventile in den die beiden
Adsorptionskolonnen mit dem Verdampfer und dem Kondensator
verbindenden Kältemittelwegen geschlossen, um die Über
tragung des Kältemittels zu unterbrechen, während
gleichzeitig das Ventil in der die beiden Adsorptions
kolonnen direkt verbindenden Rohrleitung geöffnet ist. Dann
strömt der in der einen, in der Desorptionsphase
befindlichen Adsorptionskolonne vorhandene Kältemitteldampf
kräftig durch die Rohrleitung in die andere, in der
Adsorptionsphase befindliche Adsorptionskolonne, solange,
bis der Druck in beiden Kolonnen ausgeglichen ist. Während
dieses Vorgangs wird das Einleiten von Kühlwasser in die
andere, in der Adsorptionsphase befindliche
Adsorptionskolonne fortgesetzt, während das
Wärmeübertragungsmedium im Bereich der Wärmequelle weiter in
die in der Desorptionsphase befindliche Adsorptionskolonne
gespeist wird, und zwar entsprechend dem obengenannten
Zyklus der Adsorptions- und Desorptionsphasen, wodurch die
Adsorptions- und Desorbtionsphasen, zeitlich übereinstimmend
mit der Übertragung des Kältemitteldampfes, weiter
vorverlegt werden. Wenn die Drücke zwischen den beiden
Adsorptionskolonnen ausgeglichen sind, wird das dazwischen
befindliche Ventil geschlossen, um den Zyklus der
Adsorptions- und Desorptionsphasen zu beenden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung wird anschließend das auf der einen
Desorptionsseite vorhandene restliche Wärmeträgermedium, wie
etwa Warmwasser, auf die andere Adsorptionsseite zu deren
Vorwärmung für ihre anschließende Desorptionsphase über
führt. Nach der Vorwärmphase wird auf einen weiteren Zyklus
von genau umgekehrten Phasen umgeschaltet.
Nach dem Umschalten auf den nächsten Zyklus der Adsorptions-
und Desorptionsphasen in der einen und in der anderen
Adsorptionskolonne enthält die andere Adsorptionskolonne,
die neu in eine Desorptionsphase eingetreten ist, eine
größere Kältemittelmenge, weil der in der einen
Adsorptionskolonne, welche die Desorptionsphase beendet hat,
vorhandene Kältemitteldampf direkt in die andere
Adsorptionskolonne übertragen wurde, was insgesamt bedeutet,
daß die Desorption von mehr Kältemittel ermöglicht wird, so
daß eine größere Kältemittelflüssigkeitsmenge im Kondensator
gespeichert und dementsprechend an den Verdampfer geliefert
werden kann. Andererseits wird das Kältemittelgas in der
anderen Adsorptionskolonne, die das vom Verdampfer
gelieferte Kältemittel adsorbieren muß, verringert, so daß
die Adsorptionskapazität der Kolonne vergrößert wird und
daher das vom Verdampfer kommende Kältemittel ausreichend
adsorbieren kann.
Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 bis Fig. 6 sind schematische Darstellungen eines
Beispiels einer Adsorptionskühlanlage, bei der das
Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendbar ist; und sie
veranschaulichen die aufeinanderfolgenden Schritte beim
Ablaufen beider Adsorptions- und Desorptionsschritte in
jeder Adsorptionskolonne;
Fig. 1 zeigt einen Betriebszustand, bei dem sich eine
erste Adsorptionskolonne in der Adsorptionsphase und eine
zweite Adsorptionskolonne in der Desorptionsphase
befindet
Fig. 2 zeigt einen Schritt der Vorverlegung der Adsorptions-
und Desorptionsphasen kurz bevor ein Zyklus von Adsorptions-
und Desorptionsphasen gemäß Fig. 1 beendet ist;
Fig. 3 zeigt eine Vorwärmstufe für die erste
Adsorptionskolonne nach der Vorverlegungsstufe;
Fig. 4 zeigt einen Umschaltzustand, der dem Zustand nach
Fig. 1 entgegengesetzt ist, wenn sich die erste
Adsorptionskolonne in der Desorptionsphase und die zweite
Adsorptionskolonne in der Adsorptionsphase befindet;
Fig. 5 zeigt den analogen Zustand zu Fig. 2, aber für einen
Vorverlegungsschritt mit umgekehrten Phasen;
Fig. 6 zeigt den analogen Zustand zu Fig. 3, aber mit
einem Vorwärmschritt im Anschluß an den Vorverlegungs
schritt für die zweite Adsorptionskolonne; und
Fig. 7 stellt das Diagramm der Beziehung zwischen der
Adsorptionskapazität und der Betriebszeit für ein Beispiel
des Betriebsverfahrens der vorliegenden Erfindung im
Vergleich zu einem Verfahren des Standes der Technik dar.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 wird nachfolgend ein
Beispiel einer Adsorptionskühlanlage beschrieben, bei dem
das Betriebsverfahren der vorliegenden Erfindung Anwendung
findet.
In den Figuren ist der Strömungsweg, den ein Wärme
übertragungsmedium oder das Kältemittel nimmt, in durch
gezogenen Linien dargestellt, während der Weg, den das
Wärmeübertragungsmittel und das Kältemittel nicht nimmt,
gestrichelt dargestellt ist.
In den Fig. 1 bis 6 enthalten eine erste und eine zweite
Adsorptionskolonne 11, 11′ jeweils ein evakuiertes Gefäß
12, 12′ sowie Rippenrohre 13, 13′, die ein festes
Adsorbens S, wie beispielsweise Kieselsäuregel, Zeolith,
aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminiumoxid, etc.
aufweisen, das die Rippenzwischenräume ausfüllt. Die
Kolonnen sind durch eine Rohrleitung 10 verbunden, die in
der Mitte ein Ventil V₅ besitzt.
Durch die Rippenrohre 13, 13′ wird abwechselnd Warmwasser,
welches aus einer niederwertigen Wärmequelle, wie beispiels
weise Sonnenwärmekollektoren, Abwärme von Betriebsanlagen,
etc., über einen Wärmetauscher oder direkt geliefert wird,
oder Kühlwasser, abwechselnd hindurchgeleitet, das in einer
Kühlwasseranlage, wie beispielsweise einem Kühlturm, erzeugt
wird.
Mit den Gefäßen 12, 12′ der Adsorptionskolonnen 11, 11′
ist über die Leitungen 16, 16′ mit den Ventilen V₄, V₂ ein
Kondensator 14 verbunden, während ein Verdampfer 17 über
eine kniefallenförmige Rohrleitung 18 mit dem Boden des
Gehäuses 14a des Kondensators 14 verbunden ist. Der
Verdampfer 17 ist mit seinem Gehäuse 17a über Leitungen
20, 20′, die in der Mitte Ventile V₃, V₁ aufweisen, an die
evakuierten Gefäße 12, 12′ der ersten und zweiten
Adsorptionskolonnen 11, 11′ angeschlossen. Durch dieses
Rohrleitungssystem läuft eine vorbestimmte Menge an
Kältemittel, wie etwa Wasser, das in den evakuierten
Gefäßen 12, 12′ eingeschlossen ist, entsprechend dem
Öffnen und Schließen der Ventile V₁, V₂, V₃, V₄ um.
Im Kondensator 14 sind innerhalb des Gehäuses 14a gerippte
Rohre 21 untergebracht, beispielsweise Kreuzrippenrohre,
Flügelrippenrohre, etc., durch welche stets Kühlwasser
geleitet wird, so daß der vom festen Adsorbens S in den
Adsorptionskolonnen 11, 11′ ausgetriebene Kältemitteldampf
kondensiert und verflüssigt und am Boden des Gehäuses 14a
gesammelt und gespeichert sowie durch die Rohrleitung 18 in
den Verdampfer 17 gespeist wird.
Weiter enthält der Verdampfer 17 im seitlich verlängerten
Gehäuse 17a Wärmeübertragungsrohre 22 zur Durchleitung eines
nutzungsseitigen Wärmeübertragungsmediums sowie
Verdampferteller (nicht dargestellt) unterhalb der
Wärmeübertragungsrohre 22. Die vom Kondensator 14
eingespeiste Kältemittelflüssigkeit wird in den
Verdampfertellern gespeichert und auf den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre 22 unter Aufnahme von latenter
Verdampfungswärme aus dem nutzungsseitigen Wärmeüber
tragungsmedium verdampft und vergast, wodurch das Medium
abgekühlt wird.
In den Figuren kennzeichnen die Bezugszeichen V₁₁,
V₁₂ V₁₃, . . ., V₂₁ Ventile in Rohrleitungen für den
Anschluß an die Wärmeübertragungsrohre 13, 13′ der
Adsorptionskolonnen 11, 11′, an die Wärmeübertragungsrohre
21 des Kondensators 14, an den Kühlwassereinlaß 23, an den
Kühlwasserauslaß 24, an den Einlaß 25 des Wärmeübertragungs
mediums auf Seiten der Wärmequelle, und an den Auslaß 26 des
Wärmeübertragungsmediums auf Seiten der Wärmequelle. Die
Ventile V₁₁, V₁₂, V₁₃, . . . V₂₁ und die weiter oben
genannten Ventile V₁₁ V₂, . . ., V₅ sind so ausgelegt, daß sie
aufgrund von Vorgaben durch Steuermittel (nicht dargestellt)
nacheinander öffnen und schließen können.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren der wie
vorstehend aufgebauten Kühlanlage beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Verfahrensstufe, bei der die erste
Adsorptionskolonne 11 mit Kühlwasser als Kältemittel
versorgt wird und in einem Adsorptionsvorgang begriffen ist,
während die zweite Adsorptionskolonne 11′ mit einem
Wärmeträgermedium aus dem Bereich einer Wärmequelle versorgt
wird und in einem Desorptionsvorgang begriffen ist.
Das von Seiten der Wärmeträgerquelle durch den Einlaß 25
eingespeiste Wärmeträgermedium wird also über das Ventil
V₁₆ den Wärmeleitungsrohren 13′ der zweiten Adsorptions
kolonne 11′ zugeführt, wo es das feste Adsorbens S erwärmt
und desorbiert, dann durch das Ventil V₁₄ weiterströmt und
über den Auslaß 26 für das Wärmeträgermedium auf Seiten der
Wärmequelle in die Wärmequelle zurückgespeist wird.
Der in der zweiten Adsorptionskolonne 11′ erwärmte und
desorbierte Kältemitteldampf wird über das Ventil V₂ dem
Kondensator 14 zugeführt, wo er durch das durch die
Wärmeübertragungsrohre 21 strömende Kühlwasser gekühlt und
verflüssigt wird, dann am Boden des Gehäuses 14a gesammelt
und gespeichert wird, von wo die Flüssigkeit dann durch die
Rohrleitung 18 aufgrund des Druckunterschiedes, etc., zum
Verdampfer 17 weitergeleitet wird.
Während dieser Verfahrensphase wird Kühlwasser in die
Wärmeübertragungsrohre 21 des Kondensators 14 gespeist und
durch das Ventil V₁₅ ebenfalls in die Wärmeübertragungsrohre
13 der ersten Adsorptionskolonne 11 eingeleitet, wo das
feste Adsorbens S zum Adsorbieren des Kältemitteldampfes
abgekühlt wird, so daß die sich im Verdampfer 17 befindliche
Kältemittelflüssigkeit lebhaft von den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre 22 verdampft, um latente
Verdampfungswärme aus dem durch die
Wärmeübertragungsrohre 22 strömenden Wärmeübertragungsmedium
auf der Benutzungsseite zu entnehmen und so das Medium zu
kühlen. Dementsprechend kann das nutzungsseitige gekühlte
Wärmeübertragungsmedium einer
Ventilator-Kühlschlangeneinheit zugeführt werden, die in
einem Klimatisierungsraumbereich installiert ist, womit es
möglich ist, die allgemeinen Temperaturbedingungen eines
Luftklimatisierungssystems zu befriedigen (beispielsweise
eine Kühlwassereintrittstemperatur von 30°C, eine Eintritts
temperatur des nutzungsseitigen Wärmeübertragungsmediums von
12°C, eine Austrittstemperatur desselben von 7°C).
Mit Beendigung der Adsorptions- und Desorptionsphasen der
Adsorptionskolonnen 11, 11′ im vorgenannten Betriebszustand
werden die Ventile V₂, V₃ und V₅ zur gleichen Zeit
umgeschaltet, wie in Fig. 2 gezeigt ist, während die Ventile
V₁₁, V₁₂, . . ., V₂₁ ihre Betriebsstellung nicht verändern.
Dann werden Kühlwasser und Wärmeübertragungsmedium
unverändert jeweils an die erste und zweite
Adsorptionskolonne 11, 11′ geliefert, während der Durchfluß
des Kältemittels durch die Adsorptionskolonnen 11, 11′, den
Verdampfer 17 und den Kondensator 14 unterbrochen wird, so
daß das Kältemittel statt dessen nur zwischen der ersten
Adsorptionskolonne 11 und der zweiten Adsorptionskolonne 11′
fließt.
Hier steht die zweite Adsorptionskolonne 11′ unter hohem
Druck und ist mit dem desorbierten Kältemitteldampf
angefüllt, während die erste Adsorptionskolonne 11 unter
niedrigem Druck steht und das Kältemittel adsorbiert.
Dementsprechend schießt beim Öffnen des Ventils V₅ der Kälte
mitteldampf aus der ersten Adsorptionskolonne 11 durch
die Rohrleitung 10 in die zweite Adsorptionskolonne 11′
solange, bis sich die Drücke in den Adsorptionskolonnen
11, 11′ ausgeglichen haben.
Während dieser Verfahrensstufe strömt das Kühlwasser durch
die Wärmeübertragungsrohre 13 und kühlt das feste Adsorbens
S in der ersten Adsorptionskolonne 11, wodurch der gerade
übergewechselte Kältemitteldampf adsorbiert wird, während
das Wärmeträgermedium auf Seiten der Wärmequelle durch die
Wärmeübertragungsrohre 13′ strömt, um das feste Adsorbens S
der zweiten Adsorptionskolonne 11′ zu erwärmen, wodurch die
Adsorption gefördert und das Überströmen des Kälte
mitteldampfes unterstützt wird, so daß die Adsorptions- und
Desorptionsphasen jeweils in der ersten und in der zweiten
Adsorptionskolonne 11, 11′ weiter vorgerückt werden.
In dem Augenblick, in dem der Druck in beiden
Adsorptionskolonnen 11, 11′ ausgeglichen ist und die
Adsorptions- und Desorptionsphasen in beiden
Adsorptionskolonnen 11, 11′ nicht länger fortdauern, wird
das Ventil V₅ geschlossen, wie in Fig. 3 gezeigt ist, so
daß der Schritt der Adsorptions- und Desorptionsvor
verlegung beendet wird und ein Zyklus des Adsorptions- und
Desorptionsschrittes abgeschlossen ist.
Gleichzeitig werden die Ventile V₁₁, V₁₃, V₁₄, V₁₅, V₁₆ und
V₁₉ zur gleichen Zeit umgeschaltet. Damit wird ein vom
Einlaß 25 auf Seiten der Wärmeübertragungsquelle
eingespeistes Wärmeübertragungsmedium direkt über das Ventil
V₁₃ zum Auslaß 26 geleitet, während die Zufuhr desselben zur
zweiten Adsorptionskolonne 11′ unterbrochen wird, so daß
dementsprechend das bis dahin zugeführte Wärmeübertragungs
medium, beispielsweise Warmwasser, in den Wärmeüber
tragungsrohren 13′ der zweiten Adsorptionskolonne 11′
verbleibt. Andererseits wird Kühlwasser über das Ventil V₁₉
in die Wärmeübertragungsrohre 13 geleitet, so daß das
verbliebene Warmwasser ausgetrieben und durch das Ventil V₁₁
in die Wärmeübertragungsrohre 13 der ersten Adsorptions
kolonne 11 eingespeist wird, wo es zum Vorwärmen des festen
Adsorbens S kurz vor Eintritt in die Desorptionsphase zur
Verfügung steht.
Falls der Betriebsvorgang weiter fortgesetzt wird, wird das
in die erste Adsorptionskolonne 11 gerade eingeleitete
restliche Warmwasser durch den Kühlwasserauslaß 24 aufgrund
des in die zweite Adsorptionskolonne 11′ eingespeisten Kühl
wassers ausgelassen. Aus diesem Grunde werden die Ventile
V₁₁, V₁₂, V₁₇, V₁₈, V₂₁ gemäß Fig. 4 in einem solchen Zeit
punkt umgeschaltet, daß das Ausströmen des Warmwassers
verhindert wird und gleichzeitig die Ventile V₁ und V₄
geöffnet werden. Das durch den Einlaß 25 auf Seiten der
Wärmequelle zugeführte Wärmeübertragungsmedium wird über das
Ventil V₁₂ in die Wärmeübertragungsrohre 13 der ersten
Adsorptionskolonne 11 geleitet, und strömt beim Austreiben
des in den Wärmeübertragungsrohren 13 verbliebenen
restlichen Warmwassers zum Vorwärmen des Adsorbens über das
Ventil V₁₇ zum Auslaß 26 des Wärmeübertragungemediums auf
Seiten der Wärmequelle. Dementsprechend wird das restliche
Warmwasser zu einem Wärmetauscher auf Seiten der Wärmequelle
zurückgeleitet, wodurch ein Verlust an Wärmemenge des Warm
wassers verhindert wird.
Die erste Adsorptionskolonne 11 tritt also nach dem
Vorwärmschritt in eine Desorptionsphase ein. Vor dem
Aufwärmschritt weist die erste Adsorptionskolonne 11 eine
größere Menge an Kältemittel, das in der Vorverlegungsstufe
für die Adsorption und die Desorption adsorbiert wurde,
auf, als im Falle der Fig. 2, so daß vom festen Adsorbens S
eine große Menge an Kältemittelgas freigesetzt wird, und
über das Ventil V₄ sowie die Leitung 16′ in den Kondensator
14 eintritt, wo es kondensiert und verflüssigt und zum
Verdampfer 17 weitergeleitet wird.
Gleichzeitig tritt die zweite Adsorptionskolonne 11′ in die
Desorptionsphase ein, wobei die Menge des darin enthaltenen
Kältemitteldampfes aufgrund der Vorverlegung der Adsorption
und der Desorption gemäß Fig. 2 abnimmmt. Dementsprechend
verfügt die Adsorptionskolonne 11′ über eine Kapazität, die
ausreicht, eine große Menge an Kältemittelflüssigkeit im
Verdampfer 17 zu verflüssigen und am festen Adsorbens S zu
adsorbieren, wodurch die Erhöhung des Kühlwirkungsgrades
unterstützt wird.
Weiter wird beim Umkehren des Zustandes des Zyklus der
Adsorptions- und Desorptionsphasen in der zweiten und in
der ersten Adsorptionskolonne 11′, 11 in den in Fig. 1
dargestellten Zustand das gleiche Verfahren wie das obige
durchgeführt, d. h., daß die Ventile V₁ und V₄
geschlossen und das Ventil V₅ bereits zu Anfang geöffnet
werden, wodurch die erste Adsorptionskolonne 11 und die
zweite Adsorptionskolonne 11′ miteinander in Verbindung
gebracht werden. Dann wird das Kältemittelgas aus der
ersten Adsorptionskolonne 11 in die zweite
Adsorptionskolonne 11′ überführt, wodurch die
Adsorptionsphase in der ersten Adsorptionskolonne 11 und
die Adsorptionsphase in der zweiten Adsorptionskolonne 11′
(Fig. 5) weiter vorgerückt wird. Weiter wird mit Hilfe des
in der ersten Adsorptionskolonne 11 (Fig. 6) verbliebenen
restlichen Warmwassers ein Vorwärmschritt für die zweite
Adsorptionskolonne 11′ durchgeführt, auf die das Umschalten
des Adsorptions- und Desorptionsschrittes folgt.
Die während dieser Schritte erfolgende Ventilbedienungs
prozedur liegt auf der Hand und wird hier nicht näher
erläutert.
Der Schritt des Vorwärmens der Adsorptionskolonnenseite
kurz vor Eintritt in die Desorptionsphase wird normaler
weise im Anschluß an den Vorverlegungsschritt durchgeführt,
kann aber kurz vor Beendigung des Vorverlegungsschrittes
und vor Schließen des zwischen den beiden Adsorptions
kolonnen 11, 11′ befindlichen Ventils V₅ begonnen werden,
je nach Lage des Falles.
Um den Kühlwirkungsgrad zwischen der gemäß einem Beispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens betriebenen Adsorptions
kühlanlage und einer der Erfindung analogen konventionellen
Anlage, bei der es jedoch keine Rohrleitung 10 zwischen den
beiden Adsorptionskolonnen und kein Ventil V₅ gibt,
miteinander zu vergleichen, wurden bei Verwendung von
Kieselsäuregel und Wasser als Adsorbens bzw. Kältemittel
Vergleichsversuche durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse
sind weiter unten wiedergegeben.
Beim Vergleichstest wurde jeder Druck in der ersten und in
der zweiten Adsorptionskolonne sowie der Druck im Verdampfer
gemessen, um die Größe der zur Kühlung beitragenden
Adsorptionskapazität in Gewichtsprozenten zu bestimmen.
Bei der konventionellen Adsorptionskühlanlage betrugen die
gemessenen Druckwerte der einen Adsorptionskolonne auf der
Desorptionsseite, der anderen Adsorptionskolonne auf der
Adsorptionsseite und des Verdampfers jeweils: 433.3 mmHg,
33.7 mmHg und 7.5 mmHg. Die Adsorptionskapazität (q) wurde
gemäß folgender Gleichung berechnet:
Desorptionsseite: qd = 0.346(33.7/433.6)1/1.6 = 0.07
Adsorptionsseite: qa = 0.346(7.5/33.7)1/1.6 = 0.135
Entsprechend beträgt die zur Kühlung beitragende Adsorptionskapazität: (0.135-0.07) × 100 = 6.5% Gewichtsprozente.
Desorptionsseite: qd = 0.346(33.7/433.6)1/1.6 = 0.07
Adsorptionsseite: qa = 0.346(7.5/33.7)1/1.6 = 0.135
Entsprechend beträgt die zur Kühlung beitragende Adsorptionskapazität: (0.135-0.07) × 100 = 6.5% Gewichtsprozente.
Bei der Adsorptionskühlanlage gemäß der vorliegenden
Erfindung betrug der Druck in jeder Adsorptionskolonne
nach Erreichen des Druckausgleichs zwischen den
Adsorptionskolonnen durch Öffnen des Ventils V₅ vor dem
Umschalten 10.89 mmHg. Demgemäß wurde am Ende eines Zyklus
des Adsorptions- und Desorptionsschrittes die Adsorptions
kapazität wie folgt berechnet:
Desorptionsseite: q′d = 0.346(10.89/433.6)1/1.6 = 0.035
Δq′ = 0.07-0.035 = 0.035; 3.5 Gewichtsprozente
Adsorptionsseite: q′a = 0.346(10.89/33.7)1/1.6 = 0.17
Δq′ = 0.17--0.135 = 0.035; 3.5 Gewichtsprozente.
Desorptionsseite: q′d = 0.346(10.89/433.6)1/1.6 = 0.035
Δq′ = 0.07-0.035 = 0.035; 3.5 Gewichtsprozente
Adsorptionsseite: q′a = 0.346(10.89/33.7)1/1.6 = 0.17
Δq′ = 0.17--0.135 = 0.035; 3.5 Gewichtsprozente.
Die an der Kühlung teilhabende Adsorptionskapazität
wird um den Betrag Δq′ vergrößert, so daß
dementsprechend eine Adsorptionskapazität von 10
Gewichtsprozenten erzielt werden kann: 6.5 + 3.5 = 10
Gewichtsprozente.
Die Beziehung zwischen der Adsorptionskapazität und der
Betriebsdauer ist grafisch in Fig. 7 dargestellt, in der
jede voll ausgezogene Linie einen Schritt bezeichnet,
währenddessen die Adsorptions- und Desorptionsphasen bei
geöffnetem Ventil V₅ weiter vorgerückt werden. Als die
konventionelle Adsorptionskühlanlage mit einem Zyklus von
Adsorptions- und Desorptionsschritten von jeweils 5.5
Minuten betrieben wurde, wurde eine Kühlkapazität von 100 RT
erzielt (R: die Gaskonstante, T: die absolute Temperatur),
während in dem Falle, daß die Kühlanlage in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise betrieben
wurde, jedoch ohne daß das Ventil V₅ vor dem Umschalten für
1 Minute geöffnet wurde, eine Kühlkapazität von 130 RT
erzielt wurde, was eine Erhöhung der Kapazität um den Faktor
1.3 bedeutet.
Wie oben beschrieben, kann, wenn die Kühlanlage gemäß der
vorliegenden Erfindung, die eine Rohrleitung zur Verbindung
der beiden Adsorptionskolonnen mit einem in die Mitte der
Rohrleitung eingeschalteten Ventil besitzt, in Überein
stimmung mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
betrieben wird, der in der Adsorptionskolonne der
Desorptionsseite befindliche Kältemitteldampf kurz vor dem
Umschalten der Adsorptions- und Desorptionsphasen in genau
entgegengesetzte Phasen in die andere Adsorptionskolonne der
Adsorptionsseite überführt werden, so daß der Kälte
mitteldampf, der bisher für die Kühlung nicht herangezogen
wurde, wirksam genutzt und der Adsorptions- und
Desorptionsschritt weiter vorverlegt werden kann.
Infolgedessen kann der Kühlwirkungsgrad unmittelbar nach dem
Umschalten erhöht und eine leistungsfähige Adsorbtions
kühlanlage geschaffen werden.
Claims (5)
1. Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionskälteanlage,
die zwei Adsorptionskolonnen (11, 11′), von denen jede
ein festes Adsorbens (S) und von einem Kältemittel
umströmte Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) enthält,
einen Kondensator (14), einen Verdampfer (17) und Kälte
mittelwege (16, 16′′, 20, 20′) aufweist, welche die
Adsorptionskolonnen (11, 11′) mit dem Kondensator (14)
und dem Verdampfer (17) verbinden, so daß das Kälte
mittel durch die Adsorptionskolonnen (11, 11′) fließen
kann, wobei die Adsorptions- und Desorptionsphasen
zwischen den Adsorptionskolonnen (11, 11′) periodisch
und abwechselnd in der Weise umgeschaltet werden, daß
sich die eine Adsorptionskolonne und die andere
Adsorptionskolonne in gegenseitig unterschiedlichen
Phasen befinden, und daß ein Wärmeübertragungsmedium auf
Seiten einer Wärmequelle und ein Kühlmittel abwechselnd
durch die Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) der einen
Adsorptionskolonne und durch die andere Adsorptions
kolonne entsprechend den Desorptions- und
Adsorptionsphasen geleitet werden, sowie während der
Umschaltung die Kältemittelwege (16, 16′, 20, 20′) von
den Adsorptionskolonnen (11, 11′) zum Kondensator (14)
und Verdampfer (17) abgeschaltet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Verfahren weiter kurz vor dem Ende eines Zyklus
einer Adsorptions- und Desorptionsphase das Abschalten
der Kältemittelwege (16, 16′, 20, 20′) von den
Adsorptionskolonnen (11, 11′) zum Kondensator (14) und
Verdampfer (17) und das weitere Vorrücken der
Adsorptions- und Desorptionsphasen zwischen den
Adsorptionskolonnen (11, 11′) bei fortgesetzter Zufuhr
des Wärmeübertragungsmediums und des Kühlmittels umfaßt,
wodurch der Zyklus der Adsorptions- und Desorptions
phasen beendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
kurz vor dem Ende eines Zyklus einer Adsorptions- und
Desorptionsphase beim Abschalten der Kältemittelwege
(16, 16′, 20, 20′) der direkte Kältemittelweg (10)
zwischen den zwei Adsorptionskolonnen (11, 11′) geöffnet
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
sobald der Druck in beiden Adsorptionskolonnen (11, 11′)
ausgeglichen ist und die Adsorptions- und
Desorptionsphasen in beiden Adsorptionskolonnen (11,
11′) nicht länger fortdauern, der direkte Kältemittelweg
(10) zwischen den Adsorptionskolonnen (11, 11′)
unterbrochen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Schritt des Vorrückens der Adsorptions- und
Desorptionsphasen ein Vorwärmschritt durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Vorwärmschritt das Unterbrechen der Zufuhr des
Wärmeträgermediums und das Austreiben des nach der
Desorption in der desorptionsseitigen Kolonne
verbliebenen Wärmeträgermediums in die andere
Adsorptionskolonne durch die Zufuhr des Kühlmittel kurz
vor dem Eintritt in die Desorptionsphase einschließt.
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