DE4444252A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen störender Gase oder Dämpfe aus Sorptionssystemen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Entfernen bzw. Binden störender Gase oder Dämpfe aus Sorptionssystemen gemäß dem Oberbe­ griff der Ansprüche 1 und 9.

Durch den Oberbegriff Sorption wird ein Energieumwandlungsprozeß beschrie­ ben, bei dem ein Sorptionsmittel ein Arbeitsmittel unter Energiefreisetzung aufsaugt (Sorption) und unter Energiezufuhr wieder abgibt (Desorption). Bei nach dem Sorp­ tionsprinzip arbeitenden Verfahren und Vorrichtungen wird ein leichterflüchtiges Arbeitsmittel von einem schwererflüchtigen Sorptionsmittel dampfförmig unter Freisetzung der sogenannten Sorptionswärme sorbiert. Bei der Verdampfung des Arbeitsmittels wird dem noch flüssigen dampfenden Arbeitsmittel Energie entzo­ gen, was dazu führt, daß dieses abkühlt. Zur Reaktivierung einer solchen Vorrich­ tung wird unter Zufuhr von Wärme das Arbeitsmittel aus dem Sorptionsmittel dampfförmig ausgetrieben (desorbiert) und unter Wärmeabgabe kondensiert. Die Vorgänge der Sorption eines Arbeitsmittels mit anschließender Desorption des Sorptionsmittels wird als Sorptionszyklus bezeichnet.

In der DE-OS-34 25 419 sind Heiz- und Kühlverfahren, die nach diesem Sorpti­ onsprinzip arbeiten, beschrieben. Diese Verfahren laufen in geschlossenen Syste­ men ab, wobei der erforderliche Unterdruck, um das Arbeitsmittel bei entsprechend tiefen Temperaturen verdampfen zu lassen, bei der Herstellung des Systems erzeugt wird. Ein hermetisch geschlossenes System soll auch während der dem Sorptions­ prozeß folgenden Desorptionsphase hermetisch dicht bleiben. Zwischen Sorptions­ mittelbehälter und Arbeitsmittelbehälter kann sich eine Absperreinrichtung befin­ den, welche im geschlossenen Zustand den Sorptionsvorgang verhindert. Wird die Absperreinrichtung geöffnet, kann der Sorptionsvorgang und die damit verbundene Kälte- bzw. Wärmeerzeugung beginnen.

In einem Sorptionssystem befindliche Materialien und Stoffe können ausgasen oder z. B. durch chemische Umwandlung Gase freisetzen. Diese störenden Inertga­ se oder -dämpfe verhindern einen schnellen Sorptionsvorgang, da sie den Zutritt des dampfförmigen Arbeitsmittels zum Sorptionsmittel erschweren, was zu einer extre­ men Verlangsamung der Kälte- bzw. Wärmeerzeugung führt. Ein erheblicher Lei­ stungsabfall dieser Sorptionssysteme ist die Folge. Als störende Inertgase oder -dämpfe, bezeichnet man in diesem Fall ganz allgemein Stoffe, die den Zutritt des Arbeitsmitteldampfes zum Sorptionsmittel beeinflussen und somit den Sorptions­ vorgang behindern. Diese Stoffe können im Sorptionsmittel vorsorbiert sein, durch chemische Reaktionen freigesetzt werden, aus den vorhandenen Materialien entga­ sen oder über Undichtigkeiten des Systems eintreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sorptionssystem anzugeben, in dem eine Beeinflussung des Sorptionsvorganges durch störende Inertgase oder -dämpfe unterbunden wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Teile der Patentansprü­ che 1 und 9.

Um für den Sorptionsvorgang das System von störendem Inertgas oder -dampf frei zu halten, so daß in der Dampfphase nur Arbeitsmitteldampf vorhanden ist, wird dem Sorptionssystem ein Bindemittel hinzugefügt. Das Bindemittel hat dabei die Aufgabe, die im Sorptionssystem vorhandenen oder freiwerdenden Inertgase oder -dämpfe zu binden und damit dem Arbeitsmitteldampfraum zu entziehen. Es muß dabei in der Lage sein, soviel Inertgas oder -dampf zu binden, wie im Sorptionssystem durch Entgasung oder chemischer Reaktion der darin enthaltenen Stoffe und Materialien frei wird. In einem hermetisch geschlossenen Sorptionssy­ stem kann deshalb nur eine begrenzte Menge an Inertgas oder -dampf anfallen und dies meist zu Beginn der Sorptionszyklen. Das Bindemittel braucht innerhalb dieses Zeitraums nur diese bestimmte Menge an Inertgas zu binden.

Als Bindemittel eignen sich prinzipiell alle Stoffe, die in der Lage sind, die in einem Sorptionssystem anfallenden Inertgase oder -dämpfe zu binden. Das Binde­ mittel sollte dabei aber in der Lage sein, das gebundene Inertgas auch bei systembedingten Temperaturschwankungen nicht wieder freizusetzen. Da die mei­ sten Bindemittel hierzu bei hohen Temperaturen neigen, sollte das Bindemittel an einer Stelle angebracht sein, wo möglichst niedrige Temperaturen und nur leichte Temperaturschwankungen vorherrschen. In einem Sorptionssystem treten im Worpti­ onsmittelbehälter bei der Sorption sowie der Desorption die höchsten Temperaturen auf. Erfindungsgemäß wird das Bindemittel in einem Bereich angebracht, wo die vergleichsweise tieferen Systemtemperaturen vorliegen, z. B. im Kondensator, Ver­ dampfer oder Sammelbehälter.

Erfindungsgemäß wird das Bindemittel dort angeordnet, wo sich die Inertgase oder -dämpfe bevorzugt ansammeln. Erfahrungsgemäß handelt es sich dabei um Stellen im Kondensator oder nachgeschalteten Komponenten. Inertgase oder -dämpfe, welche bei der Desorption im Arbeitsmitteldampfraum sind, werden durch die Arbeitsmitteldampfströmung aus dem Sorptionsmittelbehälter in den Kondensa­ tor mitgerissen. Der nachströmende Arbeitsmitteldampf verhindert ein Rückströmen der auf diese Weise komprimierten Gase in strömungsabgewandten Regionen. Die Grenze zwischen Inertgasen und Arbeitsmitteldämpfen ist erfahrungsgemäß sehr klein. So ist aus Versuchen bekannt, daß die Grenze zwischen 100% Inertgas und 100% Arbeitsdampf in der Regel nicht breiter als 1 cm ist. Bindemittel, das an die­ sen Stellen in das Sorptionssystem eingebracht ist, kann somit das Inertgas unter re­ lativ hohem Druck und meist ohne Hinderung durch Arbeitsmitteldämpfe binden.

In Sorptionssystemen hat sich der Einsatz von Zeolithen als Sorptionsmittel und von Wasser als Arbeitsmittel als besonders vorteilhaft erwiesen. Zeolithe haben ei­ ne sehr hohe Fähigkeit, Wasser aufzunehmen. Dabei werden große Mengen an Sorptionswärme frei. Zusätzlich hat Wasser eine hohe Verdampfungs- sowie Er­ starrungsenthalpie, so daß sich dieses Stoffpaar besonders für Heiz- und Kühlver­ fahren nach dem Sorptionsprinzip eignet. Bei Verwendung dieses Stoffpaares tritt in Sorptionssystemen als Inertgas CO₂ auf. Wird dieses Inertgas nicht aus dem Sorptionssystem entfernt, so wird der Sorptionsvorgang spürbar behindert.

Für das Stoffpaar Wasser/Zeolith mit dem Inertgas CO₂ eignen sich erfindungs­ gemäß Stoffe, die eine chemische oder physikalische Bindung mit CO₂ eingehen und die beim Binden und Festhalten von CO₂ keine weiteren störenden Gase oder Dämpfe freisetzen. Vorteilhaft sind demnach Bindemittel, welche sich bei Anwe­ senheit von CO₂ in Carbonate umwandeln. Das Bindemittel kann in flüssiger oder fester Form vorliegen und muß die Entfernung des CO₂ aus dem Arbeitsmittel­ dampfraum nachhaltig unterstützen.

Für das Binden von CO₂ eignen sich erfindungsgemäß Bindemittel, die Ca(OH)₂ enthalten. Als Bindemittel wird deshalb frischer Zementmörtel eingesetzt, der beim Verfestigen und Aushärten Ca(OH)₂ bildet. Das so entstandene Ca(OH)₂ geht dann unter Aufnahme von CO₂ in CaCO₃ über. Durch diese Reaktion wird das Inertgas CO₂ dem Sorptionssystem ohne Eingriff von außen entzogen. Dieser Vor­ gang des "Bindens" von CO₂ wird beendet, wenn der Zementmörtel ausgehärtet ist. Die Menge an frischem Zementmörtel, die im Sorptionssystem enthalten ist, ist so bemessen, daß sämtliches im System vorhandenes und freigesetztes CO₂ gebunden werden kann. Der ausgehärtete Zementmörtel verbleibt im Sorptionssystem.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung skizziert und im folgenden kurz beschrieben.

Dargestellt ist ein hermetisch geschlossenes Sorptionsaggregat. Ein Sorptionsmittelbehälter 1 und ein Arbeitsmittelsammelbehälter 2 sind durch einen Strömungskanal 3 miteinander verbunden. Der Arbeitsmittelsammelbehälter 2 hat in diesem Beispiel zugleich die Funktion eines Verdampfers und eines Verflüssi­ gers. Im Strömungskanal 3 ist ein Ventil 4 angeordnet, das Sorptionsmittelbehälter 1 und Arbeitsmittelsammelbehälter 2 voneinander trennt. Das Ventil 4 ist über eine Betätigung 5 von außen verstellbar. Im Sorptionsmittelbehälter 1 befindet sich Zeo­ lith 6 und im Arbeitsmittelsammelbehälter 2 das Arbeitsmittel Wasser 7. An der Be­ tätigung 5 ist als Bindemittel frischer Zementmörtel 8 in einem Drahtnetz 9 haltbar aufgetragen. Im Sorptionsmittelbehälter 1 herrscht ein Absolutdruck von weniger als 6 mbar.

Bei geöffnetem Ventil 4, adsorbiert der Zeolith 6 den von der Wasseroberfläche abdampfenden Wasserdampf. Nur wenn im Sorptionssystem kein Inertgas oder -dampf vorhanden ist, kann der Wasserdampf ungehindert in den Sorptionsmittelbe­ hälter 1 strömen und vom Zeolith 6 adsorbiert werden. Die Adsorptionstemperatu­ ren erreichen dabei im Zeolith 6 nach einigen Minuten bis zu 150°C. Für das Ver­ dampfen von Wasser im Arbeitsmittelsammelbehälter wird Wärme auf Kosten sei­ ner inneren Energie bereitgestellt, so daß das restliche noch nicht verdampfte Was­ ser 7 zu Eis gefriert. Ist der Zeolith 6 mit Wasser vollständig beladen, ist der Vor­ gang der Adsorption beendet.

Nun muß der Sorptionsmittelbehälter 1 auf einem hohen Temperaturniveau von 180-350°C desorbiert werden. Das Ventil 4 ist bei diesem Vorgang geöffnet und der ausgetriebene Wasserdampf strömt zurück in den Arbeitsmittelsammelbehälter 2, wo er kondensiert. Das Ventil 4 wird nun geschlossen, der aufgeheizte Zeolith 6 kühlt aus und anschließend steht das hermetisch geschlossene Sorptionsaggregat für einen erneuten Sorptionszyklus wieder zur Verfügung.

Das im Vakuumsystem freigesetzte CO₂ wird vom aushärtenden frischen Ze­ mentmörtel 8 im Arbeitsmittelsammelbehälter 2 gebunden. Das im Sorptionsmittel­ behälter 1 vorhandene und freigesetzte CO₂ wird beim Desorptionsvorgang durch den desorbierten und zurückströmenden Arbeitsmitteldampf in den Arbeitsmittel­ sammelbehälter 2 gedrückt, sammelt sich dort an und wird so dem frischen Zement­ mörtel 8 zugeführt und von ihm gebunden. Da der Zementmörtel 8 bis er vollstän­ dig ausgehärtet ist, sämtliches im Sorptionssystem enthaltenes oder freigewordenes CO₂ bindet, kann dieses nicht mehr störend auf den Sorptionsprozeß einwirken.

Claims (10)

1. Sorptionsverfahren, bei dem ein Sorptionsmittel (6) ein Arbeitsmittel (7) unter Wärmefreisetzung sorbiert und unter Wärmeaufnahme desorbiert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß störende gas- oder dampfförmige Stoffe, die den Sorptionsprozeß behindern von einem Bindemittel (8) aus dem Arbeitsmitteldampfraum (2) entfernt wer­ den und dabei keine anderen störenden Stoffe freigesetzt werden.

2. Sorptionsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (8) in fester Form vorliegt und fest bleibt.

3. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gas- oder dampfförmigen Stoffe CO₂ enthalten.

4. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich Teile des Bindemittels (8) in ein Carbonat umwandeln.

5. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bindemittel (8) Ca(OH)₂ enthält.

6. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bindemittel (8) Zement enthält.

7. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bindemittel (8) an einer relativ kalten Stelle angebracht ist.

8. Sorptionsverfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bindemittel (8) in einem Bereich angebracht wird, wo sich die störenden gas- oder dampfförmigen Stoffe ansammeln.

9. Sorptionsvorrichtung aus einem Sorptionsmittelbehälter (1), gefüllt mit einem Sorptionsmittel (6), das ein Arbeitsmittel (7) unter Wärmefreisetzung sorbiert und unter Wärmeaufnahme desorbiert, und einem Arbeitsmitteldampfraum (2), dadurch gekennzeichnet, daß ein Bindemittel (8), das im Arbeitsmitteldampfraum (2) angeordnet ist, stören­ de Inertgase oder -dämpfe aufnimmt und bindet.

10. Sorptionsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (8) im Kondensationsraum des Arbeitsmittels angeordnet ist.