DE69213699T2

DE69213699T2 - Kaelteerzeugungsanlage mittels einer reaktion zwischen einem festen koerper und einem gas, und von kuehlmitteln versehener reaktor

Info

Publication number: DE69213699T2
Application number: DE69213699T
Authority: DE
Inventors: Jacques Bernier
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Societe National Elf Aquitaine
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1992-07-24
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2012-07-25
Also published as: WO1993003314A1; US5335519A; FR2679633A1; ES2094366T3; FR2679633B1; DE69213699D1; ATE142770T1; EP0550748A1; AU2444292A; EP0550748B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Erzeugung von Kälte durch Durchführung einer Reaktion zwischen einem Feststoff und einem Gas (oder Fluid).
Bei einer bekannten Anlage wird beispielsweise eine Reaktion zwischen einem Salz, wie MnCl&sub2;, und einem Gas, wie Ammoniak (NH&sub3;), durchgeführt, wie es beispielsweise in dem französischen Patent 2 615 601 beschrieben ist.
Diese Anlage weist einen oder mehrere den Feststoff enthaltende Reaktoren auf, die über Rohre, in denen das Gas zirkuliert, mit einem Verdampfer und einem Kondensator verbunden sind.
Der Vorteil dieser Art von Anlage liegt darin, daß die für ihren Betrieb erforderliche Wärmeqelle im Gegensatz zu den herkömmlichen kälteerzeugenden Anlagen mit Kompressor durch wärmeenergie zur Verfügung gestellt werden kann.
Die Anlagen mit Feststoff/Gas-Reaktion der vorstehend erwähnten Art haben Rippenreaktoren, die zu ihrer Kühlung mit Ventilatoren zusammenwirken.
Diese Art der Kühlung weist insbesondere die folgenden Nachteile auf:
- Sie erhöht den Wärmeleitwiderstand des Reaktors sowie die Wärmeverluste in der Erwärmungsphase der Reaktoren.
- Sie erhöht den Platzbedarf der Anlage, vor allem deshalb, weil jeder Reaktor mit einem Ventilator verbunden werden muß.
- Durch das Vorhandensein der Ventilatoren ist keine kompakte Anlage möglich, die an einem beliebigen Ort aufgestellt werden kann.
Die Erfindung kann auch bei Anlagen zur Erzeugung von Kälte verwendet werden, bei denen eine Adsorption zwischen einem Feststoff, wie einem Zeolith, und einem Fluid, wie Wasser, durchgeführt wird.
Die US 2 587 996 beschreibt eine Anlage zur Erzeugung von Kälte durch Absorption, welche zwei Absorber, einen Kondensator und einen Verdampfer für das Reaktionsgas sowie einen sekundären Kondensator aufweist, der das Kühlfluid der Absorber behandeln soll.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der vorstehend beschriebenen, bekannten kälteerzeugenden Anlagen zu beseitigen.
Die Erfindung strebt also eine Anlage zur Erzeugung von Kälte durch Durchführung einer Reaktion zwischen einem Feststoff (S) und einem Gas (G) an, welche wenigstens zwei Räume (R1, R2) aufweist, die einen Feststoff (S1, S2) enthalten und jeweils Kühleinrichtungen aufweisen, welche über Rohre mit einem Kondensator verbunden sind, der dazu dient, die Reaktions- oder Kondensationswärme nach außen abzuführen, wobei die Wärmeübertragungen zwischen dem Kondensator und den Räumen (R1, R2) mittels eines Phasenumwandlungsfluids erfolgen und die Kühleinrichtungen jeweils einen Wärmeaustauscher umfassen, der als Kühlfluid das bei der Reaktion mit dem Feststoff (S) verwendete Gas (G) aufweist.
Erfindungsgemäß sind die Wärmeaustauscher und die Räume (R1, R2) direkt mit dem einzigen Kondensator der Anlage verbunden, der das einzige Element zum Kondensieren des Kühlfluids sowie des Reaktionsgases bildet.
Die erfindungsgemäße Anlage weist also die folgenden Vorteile auf:
Der Wärmeleitwiderstand des Reaktors ist wesentlich geringer als bei von einem Ventilator gekühlten Rippenreaktoren.
Die Wärmeverluste in der Erwärmungsphase des Reaktors sind geringer.
Ein einziger Austauscher-Kondensator kann mehrere Reaktoren kühlen, wodurch der Platzbedarf der Anlage reduziert werden kann.
Außerdem kann das Abführen von Wärme an einem beliebigen Ort erfolgen, was das Einbauen der Anlage, beispielsweise in einem Straßenfahrzeug, erleichtert.
Die einen Raum um den Reaktor bildende Umhüllung gewährleistet eine Wärmeisolierung, die, außer daß sie Wärmeverluste verringert, auch verhindert, daß das in dem Reaktor enthaltene Gas sich bei einer sehr niedrigen Außentemperatur auf einer bezogen auf das thermische Gleichgewicht ungenügenden Temperatur befindet.
Außerdem verringert der Wegfall der jedem Reaktor zugeordneten Ventilatoren die Energiekosten sowie den Betriebslärm.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Kondensator mit dem Raum über ein erstes Rohr verbunden, das mit dem unteren Teil des Raums in Verbindung steht und mit einem Ventil versehen ist, wobei ein zweites Rohr mit dem oberen Teil des Raums verbunden ist.
Das kälteerzeugende Fluid kann Ammoniak sein, wenn es sich um eine Reaktion zwischen einem Salz, wie MnCl&sub2;, und NH&sub3; handelt. Die erfindungsgemäße Anlage ist also von sehr einfacher Bauart. Außerdem enthält sie nur ein einziges Fluid, nämlich Ammoniak, was die Füllungen erleichtert.
Außerdem hat Ammoniak den Vorteil, eine hohe latente Verdampfungswärme aufzuweisen, und es besteht bei einer sehr großen Bandbreite von Temperaturen nicht die Gefahr, daß er erstarrt oder sich zersetzt.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden noch aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
In den beigefügten, als nicht beschränkendes Beispiel gegebenen Zeichnungen sind
Fig. 1 das Schema einer Ausführung einer kälteerzeugenden Anlage, die nicht Teil der Erfindung ist,
Fig. 2 das Schema einer Ausführung einer erfindungsgemäßen kälteerzeugenden Anlage,
Fig. 3 das Schema einer anderen Ausführung einer kälteerzeugenden Anlage, wobei diese verschiedenen Ausführungen zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben werden,
Fig. 4 das Schema einer erfindungsgemäßen kälteerzeugenden Anlage mit drei Reaktoren und
Fig. 5 das Schema einer anderen kälteerzeugenden Anlage mit drei Reaktoren, die ebenfalls zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben wird, aber nicht Teil der Erfindung ist.
Bei der Ausführung von Fig. 1 weist die Anlage zur Erzeugung von Kälte, in der eine Reaktion zwischen einem Feststoff und einem Gas durchgeführt wird, einen Reaktor R auf, der den Feststoff S enthält und über Rohre 100, 200, in denen ein Fluid G zirkuliert, mit einem Verdampfer E und einem Kondensator C verbunden ist.
Die Einrichtungen zum Gewährleisten der Kühlung des Reaktors R weisen eine Umhüllung 300 auf, die die Wand 400 des Reaktors R umgibt und mit dieser einen Raum 500 bildet, der mit einem kälteerzeugenden Fluid gefüllt ist und über Rohre 600, 700 mit einem Kondensator 900 verbunden ist, der in Wärmeaustausch beziehung mit einem Ventilator 110 steht. Ein Ventilator 110 ist ebenfalls mit dem Verdampfer E und dem Kondensator C verbunden.
Der Raum 500 bildet so einen Verdampfer. Der Kondensator 900 ist mit dem Raum 500 durch ein erstes Rohr 600 verbunden, das mit dem unteren Teil des Raums 500 in Verbindung steht und mit einem Ventil 111 versehen ist, wobei ein zweites Rohr 700 mit dem oberen Teil des Raums 500 verbunden ist.
Im Beispiel von Fig. 1 ist der mit dem Raum 500 verbundene Kondensator 900 von dem Kondensator C verschieden, der mit dem Reaktor R und dem Verdampfer E verbunden ist. Der Raum 500 und der Kondensator 900 ersetzen so die Kühlrippen der bekannten Reaktoren.
In der in Fig. 2 dargestellten Ausführung ist das kälteerzeugende Fluid G, das in dem Raum 500 zirkuliert, das gleiche wie das für die Durchführung der Feststoff/Gas-Reaktion in dem Reaktor R verwendete.
In diesem Beispiel ist der Raum 500 des Reaktors R durch ein Rohr 120 mit dem Speicherbehälter 130 für das Fluid G verbunden, der sich zwischen dem Verdampfer E und dem Kondensator C&sub1; befindet. Dieses Rohr 120 ist mit einem Ventil 140 verbunden und steht mit dem unteren Teil des Raums 500 in Verbindung.
In der Ausführung von Fig. 2 weist die Anlage nur einen einzigen Kondensator C&sub1; auf. Der Raum 500 zur Kühlung des Reaktors R ist über ein Rohr 150, das mit dem oberen Teil dieses Raums in Verbindung steht, mit einem Kondensator C&sub1; verbunden.
Der einzige Kondensator C&sub1; hat ein höheres Wärmeaustauschvermögen als das (Kondensator C von Fig. 1), das verwendet wird, wenn die Kühlung des Reaktors R durch einen unterschiedlichen Kondensator gewährleistet wird.
Im Beispiel von Fig. 2 ist das zur Kühlung des Reaktors R verwendete kälteerzeugende Fluid Ammoniak.
In der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform umfaßt die Anlage eine äußere Energiequelle 160 zur Erwärmung des Reaktors R. In diesem Beispiel weist der Reaktor R Kühlrippen 170 auf, denen ein Ventilator 18 zugeordnet ist.
Im Inneren des Reaktors R sind Wärmeaustauscheinrichtungen 19 vorgesehen, die über Rohre 200, 210 mit einem Speicher 220 in Verbindung stehen, der mit einem Wärmeträgerfluid 230 gefüllt ist, das durch die äußere Energiequelle 160 erwärmt wird.
In diesem Beispiel werden die Wärmeaustauscheinrichtungen 190 von einem Rohr 190a gebildet, das im Inneren des Reaktors R eine Rohrschlange bildet.
Das Wärmeträgerfluid 230 wird so weit erwärmt, daß es ein Gleichgewicht zwischen der flüssigen und der Dampfphase bildet, wobei das Zirkulieren des Fluids in den Wärmeaustauscheinrichtungen 190 durch einen Thermosiphon erfolgt.
Vorzugsweise ist das Fluid Wasser, das bei einem Druck von etwa 15 10&sup5; Pascal auf etwa 200ºC gebracht wurde.
Wenn die Anlage in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor vorgesehen ist, kann die Energiequelle 160 durch Wärmerückgewinnung am Auspuff des Verbrennungsmotors bereitgestellt werden. Diese Energiequelle kann aber auch ein Gas- oder Ölbrenner, ein elektrischer Widerstand oder ein Sonnenkollektor sein.
In der Ausgestaltung von Fig. 4 weist die erfindungsgemäße kälteerzeugende Anlage drei Feststoff/Gas-Reaktoren R1, R2, R3 auf, die jeweils ein Salz S1, S2, S3, wie Manganchlorid, enthalten. Jeder Reaktor hat einen Einlaß/Auslaß für Ammoniakgas 2&sub1;, 2&sub2;, 2&sub3;.
Der Betrieb der Anlage umfaßt die folgenden drei Phasen:

- Phase 1:

Dem Reaktor R1 wird von dem den Reaktor umgebenden Austauscher 3&sub1; Wärmeenergie zugeführt. Diese Wärmeenergie kommt aus der Wärmequelle 31. Diese führt eine in einem mit Druck beaufschlagten Speicher 29 enthaltene Flüssigkeit (beispielsweise Wasser) siedend zu. Der gebildete Wasserdampf strömt dürch die Rohrleitung 28 zum Sammler 12. Dieser Dampf mit einer Temperatur in der Größenordnung von 180ºC dringt durch die Rohrleitung 27 in den Austauscher 3&sub1; des Reaktors R1 ein, wo er kondensiert und damit den Reaktor erhitzt. Das kondensierte Wasser strömt anschließend durch das sich in Offenstellung befindende Magnetventil 6&sub1; zum Auslaß des Austauschers und strömt durch Einwirkung der Schwerkraft zum Sammler 14, der das Wasser über die Rohrleitung 30 zur Bildung eines neuen Zyklus an den Speicher 29 zurückleitet. Während dieser Phase der Erhitzung des Reaktors R1 ist das Magnetventil 7&sub1; geöffnet und ermöglicht die Desorption von Ammoniak aus dem Reaktor R1. Das Ammoniakgas strömt über den Sammler 11 und die Rohrleitung 15 zum Kondensator 16. Dort kondensiert das Gas aufgrund der durch den Ventilator 17 bewirkten Abkühlung der Außenluft. Die gebildete Flüssigkeit wird durch die Rohrleitung 18 dem Speicher 19 zugeführt.
Wenn der Reaktor R2 in der Absorptionsphase ist, wird das Magnetventil 8&sub2; geöffnet, was ein Ansaugen von Ammoniak mit der niedrigen Temperatur des Verdampfers 22 zum Einlaß 2&sub2; des Reaktors R2 bewirkt. Der Verdampfer 22 wird über eine Expansionsvorrichtung 21 mit flüssigem Ammoniak versorgt. Das Ventil 25 ist ein Stellventil, das das Einstellen der Verdampfungstemperatur in dem Verdampfer 22 und anschließend die Erzeugung von Kälte ermöglicht. Die Phase der Absorption des Ammoniaks durch das Salz in dem Reaktor R2 ist exotherm, weshalb es erforderlich ist, die erzeugte Wärme über den Austauscher 4&sub2; des Reaktors abzuführen, wobei sich das Magnetventil 5&sub2; dann in geöffneter Stellung befindet. Der Austauscher 4&sub2; wird in seinem unteren Teil mit flüssigem Ammoniak versorgt, der über die Rohrleitung 26 und den Sammler 13 aus der Flasche 19 durch Wirkung der Schwerkraft zugeführt wird. Die Flüssigkeit verdampft in dem Austauscher 4&sub2; und der gebildete Dampf wird am Auslaß des Austauschers dadurch die Rohrleitung 9&sub2; zurückgewonnen, durch die er über den Sammler 11 und die Rohrleitung 15 dem Kondensator 16 zugeführt wird. Im Kondensator 16 kondensiert das gasförmige Ammoniak aufgrund der Kühlung durch die dort aufgrund des Ventilators 17 zirkulierende Außenluft. Die gebildete Flüssigkeit fließt zur Bildung eines neuen Zyklus in den Speicher 19 zurück.
Der Reaktor R3 ist in der Kühlphase.
Das Ventil 5&sub3; ist geöffnet und dem Austauscher 4&sub3; wird aus dem Speicher 19 flüssiges Ammoniak zugeführt. Dort verdampft die Flüssigkeit und kühlt dadurch den Reaktor von 180ºC bis auf die Kondensationstemperatur des Kondensators 16 ab. Der Dampf strömt durch die Rohrleitung 9&sub3; und über den Sammler 11 und die Rohrleitung 15 zum Kondensator 16.

- Phase 2:

Der Reaktor R1 ist in der Kühlphase.
Der Reaktor R2 ist in der Erwärmungsphase.
Der Reaktor R3 ist in der Absorptionsphase.

- Phase 3:

Der Reaktor R1 ist in der Absorptionsphase.
Der Reaktor R2 ist in der Erwärmungsphase.
Der Reaktor R3 ist in der Kühlphase.
Während der Phasen 2 und 3 sind die jeweiligen Ventile der Reaktoren geöffnet, wie in Phase 1 bereits gezeigt wurde.
Die von dem Austauscher 31 aufgenommene Wärmeenergie kann von einem Gas- oder Ölbrenner oder von jeder anderen Wärmequelle mit ausreichender Temperatur zugeführt werden.
Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante ist der Kühlkreislauf der Reaktoren R1, R2, R3 unabhängig vom kälteerzeugenden Kreislauf. Die Anlage weist in diesem Fall einen zweiten Kondensator 42 auf. Die Rohrleitungen 9&sub1;, 9&sub2;, 9&sub3; am Auslaß der Austauscher 4&sub1;, 4&sub2;, 4&sub3; sind mit einem Kollektor 40 verbunden, der über die Rohrleitung 41 mit dem oberen Teil des Kondensators 42 verbunden ist. Die in dem Kondensator 42 gebildete Flüssigkeit strömt durch die Rohrleitung 43 in einen anderen Speicher 44. In diesem Fall ist die Rohrleitung 26 mit diesem Speicher 44 verbunden und ermöglicht über den Sammler 13 und die Magnetventile 5&sub1;, 5&sub2;, 5&sub3; die Versorgung der Austauscher- Verdampfer 4&sub1;, 4&sub2;, 4&sub3; mit Flüssigkeit.
Bei einer ebenfalls in Fig. 5 dargestellten Variante wird die Wärmeenergiequelle durch einen Wärmerückgewinnungsaustauscher 46 bereitgestellt, der bei 49 mit einem heißen Fluid, wie den Abgasen eines Verbrennungsmotors, versorgt wird. Nach der Abkühlung in dem Austauscher 48 tritt dieses Fluid durch den Strahl 50 aus dem Austauscher aus. Die Austauschoberfläche ist bei 47 dargestellt. Die Wärme bewirkt ein Verdampfen der durch Schwerkraft vom Speicher 29 über das Einlaßmagnetventil 55 und die Rohrleitung 45 in den Austauscher 46 geströmten Flüssigkeit.
Der in dem Austauscher 46 gebildete Dampf strömt über die Rohrleitung 48 zum oberen Teil des Speichers 29 zurück. Die Rohrleitungen 45 und 48, die den Speicher 29 mit dem Austauscher 46 verbinden, können zur Vereinfachung des Einbaus des Systems mit automatischen Kupplungen 51, 52, 53, 54 ausgestattet sein. Der Austauscher 46 kann auch ein Sonnenkollektor sein.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Ventile 5&sub1;, 5&sub2;, 5&sub3;, ..., 6&sub1;, 6&sub2;, 6&sub3; und 55 durch Thermoemulsoren ersetzt werden, die während ihres Betriebs eine Rückkehr der Flüssigkeit zum entsprechenden Verdampfer unterbinden.
Die Erfindung kann insbesondere für die Kühlung von Kühlwagen, für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen aller Typen, für die Heizung und für die Warmwasserbereitung verwendet werden.
Darüberhinaus können die Kondensatoren, anstelle von Luft durch einen Wasserkühlkreislauf gekühlt werden.
Andererseits wird die Erfindung auch für die Erzeugung von Kälte durch Adsorption zwischen einem Feststoff und einem Fluid verwendet.

Claims

1. Anlage zur Erzeugung von Kälte durch Durchführung einer Reaktion zwischen einem Feststoff (S) und einem Gas (G), mit wenigstens zwei Räumen (R1, R2), die einen Feststoff (S1, S2) enthalten und jeweils Kühleinrichtungen aufweisen, welche über Rohre (15, 26) mit einem Kondensator (16) verbunden sind, der dazu dient, die Reaktions- oder Kondensationswärme nach außen abzuführen, wobei die Wärmeübertragungen zwischen dem Kondensator und den Räumen (R1, R2) mittels eines Phasenumwandlungsfluids erfolgen und die Kühleinrichtungen jeweils einen Wärmeaustauscher umfassen, der als Kühlfluid das bei der Reaktion mit dem Feststoff (S) verwendete Gas (G) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher und die Räume (R1, R2) direkt mit dem einzigen Kondensator der Anlage verbunden sind, der das einzige Element zum Kondensieren des Kühlfluids sowie des Reaktionsgases bildet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (16) mit einem Ventilator (17) in Wärmeaustauschbeziehung steht.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Speicher (19) versehen ist, der über eine Rohrleitung (26) mit dem unteren Teil eines der Austauscher (4&sub1;, 4&sub2;) der Reaktoren verbunden ist.

4. Anlage nach Anspruch 1 mit einer äußeren Energiequelle (31) zum Erwärmen der Reaktoren (R1, R2), dadurch gekennzeichnet, daß sie im Inneren der Reaktoren angeordnete Wärmeaustauscheinrichtungen (3&sub1;, 3&sub2;) aufweist, die über Rohre (28, 30) mit der Quelle (31) in Verbindung stehen.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Heizeinrichtung (31) für die Reaktoren vorgesehen und mit den Reaktoren (R&sub1;, R&sub2;, R&sub3;) über Ventile (6&sub1;, 6&sub2;, 6&sub3;) verbunden ist, die eine Auswahl des zu erwärmenden Reaktors ermöglichen.

6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Flüssigkeitsleitung der Austauscher (4&sub1;, 4&sub2;, 4&sub3;) Ventile (5&sub1;, 5&sub2;, 5&sub3;) angebracht sind, die eine Auswahl des zu kühlenden Reaktors oder der zu kühlenden Reaktoren ermöglichen.

7. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsfluid Ammoniak ist.