WO2018033418A1 - Klimamaschine - Google Patents

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WO2018033418A1
WO2018033418A1 PCT/EP2017/069904 EP2017069904W WO2018033418A1 WO 2018033418 A1 WO2018033418 A1 WO 2018033418A1 EP 2017069904 W EP2017069904 W EP 2017069904W WO 2018033418 A1 WO2018033418 A1 WO 2018033418A1
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WO
WIPO (PCT)
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working fluid
working
gas bubbles
bubble generation
evaporator
Prior art date
Application number
PCT/EP2017/069904
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander WARLO
Lena Schnabel
Rahel VOLMER
Gerrit FÜLDNER
Jörg Weise
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority to EP17748788.1A priority Critical patent/EP3500807B1/de
Publication of WO2018033418A1 publication Critical patent/WO2018033418A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/026—Evaporators specially adapted for sorption type systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
    • F25B17/08—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt

Definitions

  • the invention relates to a climate machine with a heat transfer surface forming evaporator structure and a working fluid containing working ⁇ medium reservoir, wherein the evaporator structure a
  • the working ⁇ liquid is also referred to as a working medium or refrigerant.
  • Such air conditioning machines are designed either as refrigerators or as heat pumps.
  • evaporating working fluid is the
  • the vaporized working fluid ⁇ ness is first adsorbed onto an adsorbent.
  • Evaporator structure used for a technical application whereas in a heat pump, the heating of the condenser and / or the adsorber is used for a technical application.
  • the evaporator structure is therefore also called
  • Heat exchanger or heat exchanger structure called.
  • the Nutz policestrom can be removed by a coolant flow of the evaporator structure from the air conditioning machine.
  • Such a closed circuit of the coolant is realized.
  • air conditioning machines which may be designed, for example, as adsorption refrigeration machines or heat pumps, that is, the working medium is cyclically vaporized and adsorbed or desorbed and condensed.
  • chillers may include a sorber and a component combining the condenser and the evaporator structure, such as in the
  • EP 1 278 028 B1 discloses.
  • the evaporator structure is then operated in alternating operation as an evaporator and condenser.
  • the working fluid is vaporized on the evaporator in a temporally successive manner and, after adsorption and desorption on the sorber, condensed again at the evaporator at the condensation temperature.
  • the heat exchanger structure is sprayed or sprayed from above with refrigerant.
  • the refrigerant forms a thin film (trickle film) on the surface of which it evaporates.
  • very good heat transfer coefficients are achieved by the heat transfer structure to the working fluid with good distribution of refrigerant on the surface due to the thin films and due to adjusting in the trickle film convection.
  • a circulating pump for the working fluid is needed because non-evaporated refrigerant in the sump, that is collected in the accumulated in the working fluid reservoir working fluid, and must be reapplied to the heat exchanger structure.
  • a widely used approach in adsorption chillers and heat pumps is a partially flooded mode of operation, as disclosed, for example, in DE 1 00 33 972 B4.
  • the evaporator structure is partially flooded by the working fluid, ie partially submerged in the sump (structural flooding).
  • thin films of the working fluid can be generated on the heat transfer surface, which have a low heat resistance.
  • the wetting of the heat transfer surface with working fluid takes place, for example, in DE 10 2008 028 854 A1 by utilizing the capillary effect.
  • the heat transfer ⁇ surface is formed by a low-finned tube and thus forms a capillary structure.
  • Working fluid a double function: First, it causes an increase in the heat transfer surface; on the other hand, the refrigerant is drawn against the gravitational force on the capillary structure by the capillary effect and evenly distributed there. Out of the sun
  • DE 10 2011 015 153 A1 discloses an in situ storage of working fluid during the condensation / desorption phase on horizontal heat transfer surfaces, as e.g. in lamellar heat exchangers
  • the evaporation of the working fluid takes place in the described air conditioning machines by boiling, including a boiling without blistering is understood.
  • the heat transfer in the evaporation is limited in silent (convective) boiling with refrigerant films greater than 1 mm essentially by the transport of heat through the refrigerant film.
  • the thermal resistances are very large because only the surface of the water to evaporation contributes Ver ⁇ . For the best possible heat transfer therefore very low film thicknesses of the working fluid on the heat transfer surface of the evaporator structure are sought.
  • Density quotient of about 100000.
  • the large density quotient must be taken into account by designs in which is evaporated not in the flow boiling but in a free volume to keep pressure losses low and the blocking of the heat exchanger to avoid with due to the high pressure loss not exiting steam pads.
  • the requirements for space design are for water as working fluid in the described pressure and temperature range on smooth surfaces
  • the object of the present invention is to provide an air conditioning machine and a method for its use, which have the disadvantages of the prior art
  • Temperature differences allows and the use of water as a working fluid to be enabled.
  • Air machine of the invention has a, a heat transfer surface forming ⁇ evaporator structure and a working fluid containing low-key work equipment ⁇ reservoir, so a working sump on.
  • the evaporator structure has a cooling liquid passage.
  • a bubble generation structure According to the invention, a bubble generation structure
  • the bubble generation structure at least partially flooded by the working fluid, and / or wettable with working fluid, is arranged in the region of the working ⁇ medium reservoir.
  • the evaporator structure is arranged in such a way in a spray area of the working fluid, for example above the working fluid reservoir, that the heat Transfer surface by, from the bubble generation ⁇ structure in the working fluid generated and / or introduced and ascending in the working fluid gas bubbles, entrained working fluid with a
  • a spray area is a volume area which is reached by the entrained working fluid ejected from the gas reservoirs by the gas bubbles, i. in which the working fluid is injected
  • gas bubble is for the purposes of the present description, one generated by the bubble generation structure in the reservoir of the working fluid and in the working fluid
  • a hybrid evaporator is provided especially for low pressure applications.
  • the inventively ver ⁇ realized heat exchanger concept serves as an evaporator in ⁇ particular in chillers and heat pumps, so it can be used eg in sorption in low pressure applications, but also for distributing trickle films, for example, in absorption processes.
  • On the heat transfer surface of the evaporator structure such a thin liquid film of the working fluid can be formed, which is almost fully ⁇ constantly vaporized and offers low thermal resistance between the heat transfer surface and the adjacent surface of the working fluid.
  • heat can be introduced into the working liquid sump, which locally leads to the formation of the gas bubbles. The thus spilled refrigerant, so the
  • Working fluid hits the evaporator structure and forms the desired thin liquid film.
  • the Heating power can be introduced, for example, by a constant basic heating and control by a second, additional heat source and / or by a point-shaped heating, for example an electrical resistance.
  • the evaporator structure thus may be such structurally separated from the bubble generating structure, that the introduced for generating the gas bubbles from the bubble generating structure into the working medium reservoir energy at least in the Wesent ⁇ union is independent of the temperature of the cooling liquid in the cooling liquid passing the evaporator structure and / or can be controlled.
  • the evaporator structure of the climate machine according to the invention thus comprises at least two structural areas, wherein the one
  • Structured area is flooded as a bubble generation structure or at least partially flooded located in the working fluid reservoir and is designed such that on the outside of the structure bubble nucleate can be initiated.
  • the working fluid Due to the nucleate boiling, the working fluid is ejected from the working fluid reservoir and, in the second structural area designed as an evaporator structure, impinges on its heat transfer surface, which is embodied as the outside of a heat exchanger, which passes through it
  • geometric texture is designed such that the working fluid is distributed flat and so on
  • the evaporator structure to be wetted in this way can be arranged above the bubble generation structure or else laterally therefrom. It can be complete or in the working sump partially submerged. When partially immersed, at least in the presence of capillary active distribution structures on the surface of the evaporator structure, an additional absorption of the working fluid from the
  • gas bubbles are generated with a small proportion of the energy required for operation and / or withdrawn from a coolant, the task of which is to distribute the refrigerant, ie working fluid, on the evaporator structure (s).
  • the targeted generation of gas bubbles in the working fluid can by Design of structures or even by phased energy supply done.
  • the bubble generation structure is one
  • a cooling liquid can be guided, which is withdrawn to generate the gas bubbles heat. It can be the same
  • Act liquid coolant which is passed through the coolant ⁇ passage of the evaporator structure. Such is performed as for bubble generation and upon evaporation of the working fluid, a heat extraction from the cooling liquid ⁇ ness.
  • the hydraulic connection of the two fluid-carrying structures that is, the cooling liquid passage of the evaporator structure and the fluid guide tube of the bubble generation structure, can either in serial or
  • Fluid guide tube and the cooling liquid passage in a cooling liquid circuit arranged in series one behind the other In this case, the fluid guide tube is first flowed through by the cooling liquid, so that there is a higher
  • Coolant temperature than in the cooling liquid passage prevails.
  • the energy for forming the gas bubbles, that is for the formation of bubbles, is thermally so through the flow of the coolant formed by the
  • Coolant circuit eg a cold water circuit, the working fluid reservoir supplied.
  • the thermal energy for generating the gas bubbles is thus introduced directly via the cooling liquid circuit, by passing it through in series, ie the largest temperature difference between the cooling liquid and the working liquid then lies in the bubble generation structure.
  • a heat exchanger configured to be Cold water inlet area allows bubble forming overheating.
  • the bubble generation structure may be electrical heating means and / or a heat pipe and / or mechanical means for
  • Blistering may then be additionally or alternatively applied to the thermal feed by the forerun of e.g. Cold water circuit or other heat-transporting fluid circuits, by electrical heating elements, such as electrical resistors or introduction of microwaves and / or heat pipes and / or by mechanical methods, such as. Shaking and / or
  • the bubble generation structure may advantageously have a tube deflection and / or surface structures for increasing a heat transfer to the working fluid and / or for improving a bubble separation of the gas bubbles.
  • Support for gas bubble detachment serving surface structures may form gaps and / or cavities.
  • the fluid guide tube may be inhomogeneous
  • the bubble generation structure comprises means for introducing a two-phase flow of the working fluid containing the gas bubbles into the working fluid reservoir.
  • the gas bubbles required for spraying the working fluid can also by the introduction of a two-phase flow, for example, from the pressure difference in the working fluid between a Condenser and the evaporator structure by means of a
  • Throttle organ is generated to be generated. That the
  • Two-phase flow forming two-phase mixture is flowed into the refrigerant pool, ie the working fluid reservoir, from below.
  • the rising in the working fluid gas bubbles generate the entrainment of the
  • liquid refrigerant i. the working fluid
  • the evaporator structure on the cooling liquid passage to increase the heat transfer surfaces arranged fins (fins or - fins) and / or the cooling liquid passage is at least partially plate-shaped and / or the cooling liquid passage is at least partially designed as parallel to each other extending tubes.
  • the planteschreiber- ie the evaporator structure to which by the resulting gas bubbles refrigerant, ie working fluid, is sprayed, is arranged such that it is easily accessible for the sprayed refrigerant. This can be realized for example in the form of vertically or laterally aligned over the working fluid reservoir fins, flow-through plates or aligned superimposed tubes.
  • An offset arrangement of the structure can be formed in the uppermost structure row of structure rows arranged on top of one another. It can also be a terraced arrangement of the rows of structures
  • the to be wetted heat transfer surface ⁇ features such by a very good wetting behavior. This can be achieved either by surface structuring formed by mechanical structuring in the form of, for example, grooves, pins, etc., selectively generated roughnesses, porous layers having a structural height of less than 1 mm and / or by a hydrophilic or contact angle-reducing surface coating and / or chemical Pre-treatment of the heat transfer surface happen.
  • the heat transfer surface on which the thin film of the working fluid, such as a water film, evaporates may also have properties that contribute to a uniform distribution of the working fluid on the one hand, but also increase the residence time and mixing the
  • Working fluid contributes. This can e.g. herringbone wave structures and / or structural specifications that are consistent with the design of embossed
  • Grooves or applied porous structures e.g. Fibers, tissues, sponges, can be determined.
  • the working fluid may have a density ratio between about 4000 and about 60,000. In other embodiments of the invention, the working fluid may have a density ratio between about 15,000 and about 60,000, or between about 7,000 and about 25,000, or between about 4,000 and about 14,000. In some embodiments of the invention, the working fluid may have a density quotient greater than about 4,000 or greater than about 7,000 or greater than about 12,000. In some embodiments of the invention, the working fluid may have a density quotient of less than about 55,000 or less than about 25,000 or less than about 14,000. In some embodiments of the invention, the working fluid may include or consist of water and / or methanol and / or ethanol. Optionally, for example, an additive for surface tension reduction buried be.
  • water as a working fluid is very environmentally friendly, so that can be dispensed with harmful substances such as CFC or ammonia.
  • the air conditioning machine according to the invention can be achieved with a wall overheating on the heat transfer surface of the evaporator structure of only 3 to 5 Kelvin good power density.
  • porous particles can be introduced. Such embedded in the liquid refrigerant
  • Particles are particularly inert, highly porous and good
  • the particles mixed with the refrigerant are strongly agitated due to bubble formation. If these particles are inert, highly porous and have good thermal conductivity, they can quickly release the stored refrigerant in the vapor space.
  • the heat removed from the particle is returned to the latter as soon as the particle is submerged in the working fluid sump and can thus be returned via the working fluid sump to the circulation of the cooling fluid, e.g. a cold water circuit, be withdrawn.
  • the cooling fluid e.g. a cold water circuit
  • the evaporator structure may also be integrated into the bottom or sides of the working fluid reservoir.
  • a partially introduced bubble generation structure is thermally easy to isolate.
  • Fabric structures and / or wire structures can be arranged in the working medium reservoir. With partial immersion of the evaporator structure in the working fluid reservoir, at least in the presence of capillary active distribution structures on the surface of the evaporator structure an additional absorption of the working fluid from the
  • Working medium swamp be effected.
  • open cell fabric or wire structures can be used to distribute the working fluid.
  • the cooling liquid, e.g. Cold water, leading structure can also be incorporated directly into the fabric structure.
  • means for expanding and / or diverting the spray area in particular a distributor structure for collecting working fluid entrained by the gas bubbles and for distributing the
  • Distributor structure forms part of the evaporator structure.
  • a e.g. funnel-shaped working medium conveying tube wherein the working medium conveying tube with an open end, in the case of the funnel shape the wide
  • Funnel filling end immersed in the working fluid reservoir, ascending gas bubbles can pump working fluid, ie refrigerant, upwards against the force of gravity through the working fluid delivery tube, so that the spray area can be increased upward, eg beyond the evaporator structure.
  • working fluid ie refrigerant
  • liquid refrigerant may be distributed from above on the heat transfer surface.
  • the liquid refrigerant can be conveyed to a level above the heat exchanger and distributed from there by gravity driven on the evaporator structure.
  • Such a pump is realized, which conveys the liquid refrigerant specifically in the higher-lying Ver ⁇ liner structure. The required for this
  • the driving force of the rising gas bubbles is used to sprinkle the evaporator structure from above with working fluid.
  • a distribution network as a distributor structure, which ends in a targeted manner above the evaporator structure or its parts which form the heat transfer surface and is charged from above.
  • the distributor structure should be sufficiently porous in order to allow the vapor of the working fluid present in the gas bubbles to flow through to the adsorber without liquid entrainment .
  • the buoyancy of the gas bubbles can also elements, such as valves, flaps,
  • the method according to the invention for operating a climate machine according to the invention has the following method steps:
  • Ver ⁇ steamer structure of an air machine of the invention is both a pure evaporator as well as a combined
  • the latter mode of operation condenses the working fluid at the actively fluid-flow structures, ie the cooling liquid passage, the evaporator structure, wherein excess condensate can drip from the non-flooded Ver ⁇ steamer structure and collects in the working fluid reservoir in which the second structure, ie the bubble generation structure is located ,
  • An advantage of this design is that even with increasing refrigerant liquefaction, a constant condensation surface is available and all working fluid, even if it condenses in undesirable places, reactivated,
  • the working fluid ⁇ reservoir is preferably located at the bottom of a component that includes the working fluid and its vapor spatially.
  • less than 5 percent of the amount of heat energy used in cooling the cooling liquid flowing through the cooling liquid passage can be used to generate the gas bubbles.
  • a cold water circuit the cooling liquid is withdrawn.
  • Bladder boiling is generated, characterized by the fact that locally very limited high heat flux in the form of wall overheating of more than 10 Kelvin can be applied.
  • the thus generated heat and / or energy flow from the bubble generation structure in the working fluid can by thermal or electrical energy or by
  • Measures such as shaking, ultrasound, microwaves are generated.
  • the energy supply is designed such that the heat input into the liquid refrigerant remains low and is limited to the generation of the bubbles.
  • Bubble production is said to be significantly less than 5%, rather less than 1%, of the heat energy associated with e.g.
  • Blistering structure can also be a significantly higher temperature level and thus a higher wall overheating be generated than the wall overheating on the provided for the refrigerant evaporation, with a thin film of the working liquid wetted heat transfer surface of the evaporator structure. This heat supply on higher
  • the energy used to generate the gas bubbles is fed discontinuously to the bubble generation structure by means of a power control module .
  • the energy required for the generation of the bubbles is phased, pulsating
  • FIG. 1 shows an embodiment of a climate machine according to the invention, in which the bubble generation structure has a fluid guide tube.
  • FIGS. 2 a and 2 b each show an embodiment of a climate machine according to the invention, in which the bubble generation structure has electrical heating means.
  • Fig. 3 shows an embodiment of an inventive
  • An air conditioning machine wherein the bubble generation structure comprises means for introducing a two-phase flow of the working fluid into the working fluid reservoir.
  • Fig. 4 shows an embodiment of an inventive
  • Air conditioning machine in which a distribution structure for collecting the gas bubbles entrained working fluid and for distributing the working fluid is provided on the evaporator structure in the spray area and a working medium delivery tube is provided.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a climate machine 1 according to the invention, in which the bubble generation structure 2 has a fluid guide tube 3.
  • the bladder- generating structure 2 arranged in the region of the working-medium reservoir 5 is partially flooded by working fluid 7 collected in the working-medium reservoir 5.
  • working fluid 7 collected in the working-medium reservoir 5.
  • Structural area targeted strong spurting gas bubbles 8 are generated in the working fluid 7. Of entrained in the working ⁇ liquid 7 gas bubbles 8 entrained
  • Fluid guide tube 3 is traversed by a refrigerant whose temperature is sufficient to introduce sufficient heat energy in the working fluid 7 to produce the gas bubbles 8 by nucleate boiling.
  • the evaporator structure 10 is formed by a tube forming a coolant flow line 11.
  • the evaporator structure 10 has a heat transfer surface 13 formed by a porous material (porous layer), which is wetted by the entrained working fluid 7 with a working fluid film. The latter is due to the incident on the evaporator structure 10th
  • Gas bubbles 8 shown symbolically.
  • the evaporator structure 10 as a heat exchanger allows a surface wetting with thin working fluid films.
  • the working fluid 7 of the working fluid film evaporates, whereby the cooling liquid passage 11 and the coolant flowing through it is cooled.
  • Bubble generation structure 2 arranged spatially one above the other and can cyclically change as the evaporator and
  • the partial-flow bubble generation structure 2 based on tube geometries in this embodiment transfers heat the cooling liquid flowing through it to the working ⁇ liquid 7 and thus can be also called a lower heat exchanger ⁇ .
  • the hydraulic connection of the two heat exchangers can be serial or parallel. In the figures, only the connections of the cooling liquid passage 10 and the likewise
  • Coolant fluid conducting fluid guide tube 3
  • the bubble generation structure 10 may be constructed with different gap spacings of the grooves 15 in some embodiments of the invention. Between narrower gap distances, a greater overheating can form, whereby the generation of the gas bubbles 8 can be localized to certain parts of the longitudinal extent of the fluid guide tube 3.
  • the gap distances of the grooves 15 are advantageously in a range of less than 1 mm.
  • Grooves 15 thus form surface structures for increasing the heat transfer to the working fluid.
  • the increase in the heat transfer to the working fluid can also be achieved by closely juxtaposed round or flat tubes and deflections, so locally there is a greater heat input.
  • the heat transfer surface can also be treated by a surface treatment.
  • Surface of the evaporator structure a good wetting behavior can be achieved.
  • Porous structures have the advantage that they extend the residence time of the working fluid, but must be thermally well connected to the heat-emitting tube, ie thedefactkeits die admir, and should have only a small thickness of less than 5 mm on ⁇ wise.
  • Examples of porous structures are metallic fibers, sponges and / or foams. The advantages of these porous structures are high specific surface areas which allow a good absorption of the splashing working fluid, the good working fluid distribution due to capillary action and the increased thermal conductivity through the metallic porous structure in comparison to
  • the bubble generation structure 2 is in the illustrated embodiment in the working fluid sump, ie the working fluid reservoir 5, incorporated, but can also be supplied eg by capillary structures of a working fluid pool with working fluid 7. With alter ⁇ nierender use of the evaporator structure 10 as an evaporator and condenser, the working fluid sump as
  • Condensate collecting serve When used in parallel, the condensate supply via a throttle body from the condenser.
  • the existing pressure difference which comprises about 10 to 50 mbar, can also be used in the generation
  • spraying gas bubbles 8 are introduced by targeted introduction of the two-phase flow.
  • Working fluid reservoir 5 and the bubble generation structure 2 of the heat exchanger according to the invention is preferably carried out at the bottom of a sorption 17, ie under ⁇ half an evaporator structure.
  • This has the advantage that all dripping during the condensation work ⁇ liquid 7 collects in the working fluid sump on the ground and can be evaporated there again.
  • Working fluid 7 can consequently not be lost, ie in places arrive where they can be difficult activated / evaporated.
  • FIGS. 2a and 2b respectively show an embodiment of a climate machine 1 according to the invention, in which the bubble generation structure 2 is e.g. electrical heating means (pins) for supplying heat to the working fluid 7
  • the bubble generation structure 2 is e.g. electrical heating means (pins) for supplying heat to the working fluid 7
  • the trained heating means are boiling structures 20 and are arranged at the bottom of the working fluid reservoir 5, so that boiling areas are formed there.
  • the figures show two differing arrangements of the boiling ranges and evaporator structures 10.
  • the evaporator structure 10 is arranged over the working medium reservoir 5 in a planar manner.
  • the heating means are arranged distributed over the surface of the working fluid reservoir 5.
  • the Ver ⁇ liner structure 10 has evenly along the cooling liquid through line 11 distributed cooling fins 22.
  • the heating means of the bubble generation structure 2 are arranged only in the regions with free channel cross sections of the evaporator structure 10 at the bottom of the working medium reservoir 5. They therefore form locally arranged
  • the evaporator structure 10 has a plurality of partial evaporators, each with a cooling fins 22 comprising cooling liquid passage 11. As free
  • Channel cross sections are the areas between the
  • Partial evaporators called.
  • the heating means can also be distributed in the working fluid reservoir or in the form of a
  • Heat exchanger be introduced.
  • the heating takes place from the bottom or the bottom of the working fluid reservoir 5.
  • B. be integrated small electrical heating elements and / or heat pipes. Is the required energy for gas bubble formation not by a
  • the evaporator structure 10 is characterized by a very good wetting behavior. This can e.g. be achieved by mechanical processing in the form of grooves, pins, selectively generated roughness and / or by a hydrophilic or contact angle reducing surface coating and / or chemical pretreatment.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a climate machine 1 according to the invention, in which the bubble generation structure 2 has means for introducing a two-phase flow 30 of the working fluid 7 into the working fluid reservoir 5.
  • the nucleate boiling and the associated spraying of the working fluid 7 are not initiated by a completely or partially flooded structure 35 for heating the working fluid 7, but rather by supplying the condensate reflux from a
  • the rising steam or gas bubbles 8 provide for spraying the working fluid 7 and wetting the non-flooded, cooling liquid-carrying evaporator structure 10 or its heat transfer surface with a film 31 of working fluid.
  • the means for introducing a two-phase flow 30 of the working fluid are referred to as a perforated tube
  • the structure 35 eg a coolant-carrying tube, is flooded in the illustrated embodiment in the working fluid reservoir 5.
  • This tube can be used for preheating the working fluid 7 in the working medium ⁇ reservoir 5.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a climate machine 1 according to the invention, in which a distributor structure 40 for collecting working fluid 7 entrained in the gas bubbles 8 and for distributing the working fluid onto the heat transfer surface of the spray zone Evaporator structure 10 is provided and a working medium delivery tube 42 is provided.
  • the entrained by the gas bubbles 8 working fluid 7 wets not directly, as in the embodiments of Figures 1 to 3, or only partially directly
  • Heat exchanger surface of the evaporator structure 10 but it is channeled through a distribution system 44 of the distribution structure 40 generates the wetting.
  • the evaporator structure 10 has two partial evaporators, each of a cooling liquid passage 11 with parallel to each other
  • the heat transfer surface of the evaporator structure 10 may also be e.g. be formed only from the surface of the cooling liquid passage 11.
  • the distributor structure 40 has a running as a splash guard 45 for the working fluid
  • the funnel-shaped Häscheaurschreibe 42 (funnel shape) is used to exploit the buoyancy of the gas bubbles 8 to the evaporator structure 10 from above with
  • Spraying working fluid 7 or sprinkle The wide, open filling end 47 of the funnel shape is for this purpose immersed in the working fluid 7 in the working fluid reservoir above a heating means forming the bubble generation structure 2.
  • a heating means By the heating means, the heat input into the working fluid 7 for gas bubble generation.
  • the rising above the heating medium in the working fluid 7 gas bubbles 8 are captured by the funnel shape and lead to a squirting of working fluid 7 from the narrow open end 48 of the funnel shape.
  • the working fluid ejected into the spray area in this way is deflected downwards by the distributor cap. This leads to a corresponding extension of the Spray area on the area of the distribution system 44 and the evaporator structure 10th
  • the invention relates to a climate machine 1 with a heat transfer surface 13 forming evaporator ⁇ structure 10 and a working fluid. 7
  • thermoelectric structure 10 including working fluid reservoir 5, wherein the evaporator structure 10 has a cooling liquid passage 11 and a method for their operation.
  • a bubble generating structure 2 is provided, wherein the bubble generating structure 2 at least partially flooded by the working liquid 7, and / or wettable working ⁇ liquid 7, is arranged in the region of the working medium ⁇ reservoirs 5 and wherein the evaporator structure 10 in such a manner in an injection area of the working liquid 7 arranged that the heat transfer surface 13 is wetted by a working fluid film 31 entrained by the bubble generating structure 2 in the working fluid 7 and can be introduced and / or introduced and ascending in the working fluid 7 gas bubbles 8 working fluid 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine (1) mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche (13) ausbildenden Verdampferstruktur (10) und einem eine Arbeitsflüssigkeit (7) beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir (5), wobei die Verdampferstruktur (10) eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blasenerzeugungsstruktur (2) vorhanden ist, wobei die Blasenerzeugungsstruktur (2) zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit (7) überflutbar und/oder mit Arbeitsflüssigkeit (7) benetzbar im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs (5) angeordnet ist und wobei die Verdampferstruktur (10) derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit (7) angeordnet ist, dass die Wärmeübertragungsoberfläche (13) durch von der Blasenerzeugungsstruktur (2) in der Arbeitsflüssigkeit (7) erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit (7) aufsteigenden Gasblasen (8) mitgerissene Arbeitsflüssigkeit (7) mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm (31) benetzbar ist, wobei die Blasenerzeugungsstruktur (2) ein Fluidführungsrohr (3) zur Erzeugung der Gasblasen (8) durch Blasensieden aufweist und das Fluidführungsrohr (3) und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander angeordnet sind.

Description

Klimamaschine
Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche ausbildenden Verdampferstruktur und einem eine Arbeitsflüssigkeit beinhaltenden Arbeits¬ mittelreservoir, wobei die Verdampferstruktur einen
Kühlmitteldurchfluss aufweist sowie ein Verfahren zum
Betreiben einer derartigen Klimamaschine. Die Arbeits¬ flüssigkeit wird auch als Arbeitsmedium oder Kältemittel bezeichnet .
Derartige Klimamaschinen sind entweder als Kältemaschinen oder als Wärmepumpen ausgeführt. Durch an der Verdampfer Struktur verdampfende Arbeitsflüssigkeit wird die
Verdampferstruktur gekühlt. Die verdampfte Arbeitsflüssig¬ keit wird zunächst an einem Adsorber adsorbiert. Der
beladene Adsorber wird auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, worauf die Arbeitsflüssigkeit wieder desorbiert und an einem Kondensator als Kondensat kondensiert wird. Bei einer Kältemaschine wird die Abkühlung der
Verdampferstruktur für eine technische Anwendung genutzt, wogegen bei einer Wärmepumpe die Erwärmung des Kondensators und/oder des Adsorbers für eine technische Anwendung genutzt wird. Die Verdampfer Struktur wird deshalb auch als
Wärmeübertrager oder Wärmeübertragerstruktur bezeichnet. Der Nutzwärmestrom kann durch einen Kühlmitteldurchfluss der Verdampferstruktur aus der Klimamaschine entnommen werden. Derart ist ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels realisiert . In derartigen Klimamaschinen, die z.B. als Adsorptionskältemaschinen oder —Wärmepumpen ausgeführt sein können, wird also das Arbeitsmedium zyklisch verdampft und adsorbiert bzw. desorbiert und kondensiert. Derartige Kältemaschinen können einen Sorber und ein Bauteil, das Kondensator und Verdampferstruktur vereint, aufweisen, wie z.B. in der
EP 1 278 028 Bl offenbart. Die Verdampferstruktur wird dann in alternierender Betriebsweise als Verdampfer und Kondensator betrieben. Das heißt zeitlich aufeinanderfolgend alternierend wird die Arbeitsflüssigkeit am Verdampfer verdampft und nach Adsorption und Desorption am Sorber wieder am Verdampfer bei Kondensationstemperatur kondensiert .
In Adsorptionswärmepumpen und Kältemaschinen werden bisher Wärmeübertrager zur Verdampfung/Kondensation eingesetzt, die nach dem Prinzip einer teilgefluteten Poolverdampfung arbeiten, teilweise auch in Verbindung mit kapillaren
Strukturen, an deren Oberfläche die Arbeitsflüssigkeit aus dünnen Filmen heraus verdampft. In als Absorptionskälte¬ maschinen ausgeführten Klimamaschinen werden meist
berieselte Rohrbündel als Verdampfer- oder Wärmeübertragerstruktur eingesetzt. Dabei wird die Wärmeübertragerstruktur von oben mit Kältemittel berieselt oder besprüht. Auf der Wärmeübertragerstruktur bildet das Kältemittel einen dünnen Film (Rieselfilm), an dessen Oberfläche es verdampft. Bei dieser Betriebsweise einer Klimamaschine werden bei guter Kältemittelverteilung auf der Oberfläche aufgrund der dünnen Filme und aufgrund von sich im Rieselfilm einstellender Konvektion sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmeübertragerstruktur auf die Arbeitsflüssigkeit erreicht. Allerdings wird eine Umwälzpumpe für die Arbeitsflüssigkeit benötigt, da sich nicht verdampftes Kältemittel im Sumpf, das heißt in der sich im Arbeitsmittelreservoir angesammelten Arbeitsflüssigkeit, sammelt und erneut auf die Wärmeübertragerstruktur aufgebracht werden muss. Ein in Adsorptionskältemaschinen und —Wärmepumpen weit verbreiteter Ansatz ist eine teilgeflutete Betriebsweise, wie z.B. in der DE 1 00 33 972 B4 offenbart. Bei dieser Betriebsweise ist die Verdampferstruktur teilweise von der Arbeitsflüssigkeit überflutet, d.h. teilweise im Sumpf eingetaucht ( Strukturflutung) . Dabei können dünne Filme der Arbeitsflüssigkeit auf der Wärmeübertragungsoberfläche erzeugt werden, welche einen geringen Wärmeleitwiderstand aufweisen. Die Benetzung der Wärmeübertragungsoberfläche mit Arbeitsflüssigkeit erfolgt z.B. in der DE 10 2008 028 854 AI durch Ausnutzung des Kapillareffekts. Die Wärmeübertragungs¬ oberfläche wird dabei von einem niedrig berippten Rohr ausgebildet und bildet so eine Kapillarstruktur aus. Die Kapillarstruktur erfüllt während der Verdampfung der
Arbeitsflüssigkeit eine Doppelfunktion: Zum einen bewirkt sie eine Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche; zum anderen wird durch den Kapillareffekt das Kältemittel entgegen der Gravitationskraft auf die Kapillarstruktur gezogen und dort gleichmäßig verteilt. Aus den so
entstehenden in Bereichen sehr dünnen Filmen entlang der sogenannten 3-Phasen-Grenze zwischen Dampf, Flüssigkeit und Metall verdampft die Arbeitsflüssigkeit.
Die DE 10 2011 015 153 AI offenbart eine in situ Speicherung von Arbeitsmittel während der Kondensations- /Desorptionsphase auf waagerechten Wärmeübertragungsoberflächen, wie sie z.B. in Lamellenwärmeübertragern
existieren. Während der Verdampfungs-/Adsorptionsphase wird die auf der Struktur vorliegende Arbeitsflüssigkeit wieder verdampft. Das Problem dieses Ansatzes ist, dass Arbeits¬ flüssigkeit auch an Stellen kondensiert, an denen sie keinen dünnen Film bildet sondern Strukturbereiche komplett füllt, partiell abtropft und so thermisch nicht oder nur mit einem sehr großen thermischen Widerstand aktiviert werden kann.
Das Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit erfolgt bei den beschriebenen Klimamaschinen durch stilles Sieden, worunter ein Sieden ohne Blasenbildung verstanden wird. Der Wärmeübergang bei der Verdampfung wird im stillen ( konvektiven) Sieden mit Kältemittelfilmen größer 1 mm im Wesentlichen durch den Transport der Wärme durch den Kältemittelfilm limitiert. Je größer die Filmdicke desto größer sind die zu überwindenden Wärmeübergangswiderstände. Bei einem über¬ fluteten Wärmeübertrager, wie er bei einem Behältersieden von Wasser zum Einsatz kommt, sind die thermischen Widerstände sehr groß, da nur die Wasseroberfläche zur Ver¬ dampfung beiträgt. Für einen möglichst guten Wärmeübergang werden daher sehr geringe Filmdicken der Arbeitsflüssigkeit auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur angestrebt .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die
Verdampfung von Wasser als Reinstoff in einem Temperaturbereich von 0°C bis 30°C statt. Die Drücke sind dement¬ sprechend niedrig im Bereich von 0,006 bar (0°C) bis 0,042 bar bei 30°C. In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird Wasser als Reinstoff zyklisch in einem Temperaturbereich von -10°C bis 0°C von der festen in die gasförmige Phase überführt. Die Dichtedifferenz zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase ist sehr groß. Bei 10 °C beträgt die Dichte der flüssigen Phase 999,7 kg/m3, die der
gasförmigen Phase 0,0094 kg/m3. Daraus ergibt sich ein
Dichtequotient von etwa 100000. In der apparativen Umsetzung von Verdampfern nach dem Stand der Technik muss insbesondere dem großen Dichtequotient durch Bauformen Rechnung getragen werden, in denen nicht im Strömungssieden sondern in ein freies Volumen verdampft wird, um Druckverluste gering zu halten und die Verblockung des Wärmeübertragers mit aufgrund des hohen Druckverlustes nicht austretenden Dampfpolstern zu vermeiden. Neben den Anforderungen an die Bauraumgestaltung sind für Wasser als Arbeitsflüssigkeit in dem beschriebenen Druck- und Temperaturbereich auf glatten Flächen
Wandüberhitzungen von mehr als 20 K, an strukturierten
Oberflächen Wandüberhitzungen von wenigstens 7 K erforderlich, um ein kontinuierliches Blasensieden mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten einzustellen. Wandüberhitzungen in der genannten Größenordnung sind in den
Anwendungen der Wärmepumpen oder Kältetechnik nicht umsetzbar, da hohe Wandüberhitzungen gleichbedeutend mit erhöhten Kaltwassertemperaturen oder mit reduzierten Siededrücken sind, die sich ungünstig auf des erforderliche Verdichtungs¬ verhältnis oder den Sorptionsdruck und damit auf die
Effizienz des Kreisprozesses auswirken. Dazu ist insbe¬ sondere für Wasser der Gefrierpunkt eine weitere
limitierende Betriebsgröße.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimamaschine und ein Verfahren zu deren Verwendung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik
verringert, wobei insbesondere eine Leistungsverbesserung bei zum Stand der Technik vergleichbaren treibenden
Temperaturdifferenzen ermöglicht und die Verwendung von Wasser als Arbeitsflüssigkeit ermöglicht werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Klimamaschine weist eine, eine Wärme¬ übertragungsoberfläche ausbildende Verdampferstruktur und ein, eine Arbeitsflüssigkeit beinhaltendes Arbeitsmittel¬ reservoir, also einen Arbeitsmittelsumpf, auf. Die Verdampferstruktur weist eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung auf. Erfindungsgemäß ist eine Blasenerzeugungsstruktur
vorgesehen, wobei die Blasenerzeugungsstruktur zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit überflutet, und/oder mit Arbeitsflüssigkeit benetzbar, im Bereich des Arbeits¬ mittelreservoirs angeordnet ist. Die Verdampferstruktur ist derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit, z.B. über dem Arbeitsmittelreservoir, angeordnet, dass die Wärme- Übertragungsoberfläche durch, von der Blasenerzeugungs¬ struktur in der Arbeitsflüssigkeit erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen, mitgerissene Arbeitsflüssigkeit mit einem
Arbeitsflüssigkeitsfilm benetzt wird. Als Spritzbereich wird dabei ein Volumenbereich bezeichnet, der von der mitgerissenen und von den Gasblasen aus dem Arbeitsmittelreservoir herausgeschleuderten Arbeitsflüssigkeit erreicht wird, d.h. in den die Arbeitsflüssigkeit spritzt
(Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit) und/oder über
Bauelemente umgelenkt wird. Unter dem Begriff „Gasblase" wird für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung eine von der Blasenerzeugungsstruktur im Reservoir der Arbeitsflüssigkeit erzeugte und in der Arbeitsflüssigkeit
aufsteigende Dampf lase verstanden.
Derart wird ein hybrider Verdampfer insbesondere für Niederdruckanwendungen bereitgestellt. Das erfindungsgemäß ver¬ wirklichte Wärmeübertragerkonzept dient als Verdampfer ins¬ besondere in Kältemaschinen und Wärmepumpen, kann also z.B. in Sorptionssystemen in Niederdruckanwendungen, aber auch zum Verteilen von Rieselfilmen z.B. in Absorptionsprozessen eingesetzt werden. Auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur kann so ein dünner Flüssigkeitsfilm der Arbeitsflüssigkeit ausgebildet werden, der nahezu voll¬ ständig zu verdampfen ist und einen geringen Wärmewiderstand zwischen Wärmeübertragungsoberfläche und der angrenzenden Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit bietet. Beim Betrieb der Klimamaschine kann in den Arbeitsflüssigkeitssumpf Wärme eingetragen werden, was lokal zur Bildung der Gasblasen führt. Das dadurch verspritzte Kältemittel, also die
Arbeitsflüssigkeit, trifft auf die Verdampferstruktur und bildet dort den gewünschten dünnen Flüssigkeitsfilm. Durch Regelung einer Heizleistung kann die Blasenbildung im
Arbeitsflüssigkeitssumpf und damit die Verdampfungsleistung eingestellt werden. Bei niedrigem Druck kann es zu einem starken Spritzen der Arbeitsflüssigkeit kommen. Die Heizleistung kann dabei z.B. durch eine konstante Grundheizung und Regelung durch eine zweite, zusätzliche Wärmequelle und/oder durch eine punktförmige Heizung, z.B. einen elektrischen Widerstand, eingebracht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann somit die Verdampferstruktur derart konstruktiv von der Blasenerzeugungsstruktur getrennt sein, dass die zur Erzeugung der Gasblasen von der Blasenerzeugungsstruktur in das Arbeitsmittelreservoir eingebrachte Energie zumindest im Wesent¬ lichen unabhängig von der Temperatur der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsdurchleitung der Verdampferstruktur ist und/oder gesteuert werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Verdampferstruktur der erfindungsgemäßen Klimamaschine somit mindestens zwei Strukturbereiche, wobei der eine
Strukturbereich sich als Blasenerzeugungsstruktur geflutet oder zumindest teilgeflutet in dem Arbeitsmittelreservoir befindet und derartig ausgestaltet ist, dass auf dessen Strukturaußenseite Blasensieden initiiert werden kann.
Bedingt durch den großen Dichtequotient zwischen Flüssigkeit und Dampf erreichen als Dampfblasen erzeugte Gasblasen ein großes Volumen, das bei Ablösung und Aufsteigen der
Gasblasen zu einem starken Mitreißen der Arbeitsflüssigkeit führt. Durch das Blasensieden spritzt die Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsmittelreservoir heraus und trifft, im als Verdampferstruktur ausgeführten zweiten Strukturbereich auf dessen Wärmeübertragungsoberfläche, die als Außenseite eines Wärmeübertragers ausgeführt ist, der durch seine
geometrische Beschaffenheit derart gestaltet ist, dass die Arbeitsflüssigkeit flächig verteilt wird und aus so
entstandenen dünnen Filmen heraus verdampfen kann.
Die derart zu benetzende Verdampferstruktur kann über der Blasenerzeugungsstruktur oder auch seitlich davon angeordnet sein. Sie kann im Arbeitsmittelsumpf vollständig oder teilweise eingetaucht sein. Bei teilweisem Eintauchen kann zumindest bei Vorhandensein von kapillar aktiven Verteilstrukturen auf der Oberfläche der Verdampferstruktur ein zusätzliches Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem
Arbeitsmittelsumpf bewirkt werden. Es wird keine Pumpe innerhalb des Vakuumsystems, d.h. des Systems in dem die Arbeitsflüssigkeit verdampft wird, benötigt. Dadurch müssen keine mechanisch beweglichen Bauteile vorhanden sein, so dass sich eine lange Lebensdauer ergeben kann. Ferner wird eine einfache Regelung der Klimamaschine über die Energie¬ zufuhr der Blasenerzeugungsstruktur ermöglicht. Es wird eine steuerbare Benetzung von der Wärmeübertragungsoberfläche mit dünnen Arbeitsflüssigkeitsfilmen ermöglicht, so dass hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreichbar sind. Hierfür ist keine Pumpe und auch keine kapillar Kältemittel verteilende Struktur erforderlich. Damit wird insbesondere für Wasser als Arbeitsflüssigkeit und andere Niederdruckarbeitsmittel, wie z.B. Methanol, ein Verdampfer mit hoher Leistungsdichte bei kleinen treibenden Temperaturdifferenzen bereitgestellt. Die Ergebnisse, die sich mit der erfindungsgemäßen Klima¬ maschine mit der Verdampfung aus dünnen verrieselten, d.h. aus der verspritzten Arbeitsflüssigkeit erzeugten,
Wasserfilmen erzielen lassen, erreichen im Vergleich zu kapillar erzeugten Wasserfilmen um wenigstens 15% höhere Leistungen bei vergleichbaren treibenden Temperaturdifferenzen. Gleichzeitig sind insbesondere in Adsorptions¬ geräten bewegte Teile unerwünscht, da dies sich nachteilig auf die Vakuumstabilität und den Energieaufwand auswirkt, durch Verschleiß zusätzlichen Wartungsaufwand und
Stillstandszeiten bewirkt und als technischer Vorteil der Absorption gegenüber nicht aufgegeben werden soll. Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Klimamaschine werden mit einem geringen Anteil, der zum Betrieb nötigen und/oder einem Kühlmittel entzogenen Energie Gasblasen erzeugt, deren Aufgabe es ist, Kältemittel, d.h. Arbeitsflüssigkeit, auf der bzw. den Verdampferstrukturen zu verteilen. Die gezielte Erzeugung von Gasblasen in der Arbeitsflüssigkeit kann durch Auslegung von Strukturen oder auch durch nur phasenweise Energiezufuhr erfolgen.
Vorteilhaft weist die Blasenerzeugungsstruktur ein
Fluidführungsrohr zur Erzeugung der Gasblasen durch
Blasensieden auf. Durch das Fluidführungsrohr kann eine Kühlflüssigkeit geführt sein, der zum Erzeugen der Gasblasen Wärme entzogen wird. Es kann sich dabei um die gleiche
Kühlflüssigkeit handeln, die durch die Kühlflüssigkeits¬ durchleitung der Verdampferstruktur geleitet wird. Derart erfolgt sowohl beim Blasenerzeugen als auch beim Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit ein Wärmeentzug aus der Kühlflüssig¬ keit.
Die hydraulische Verschaltung der beiden fluidführenden Strukturen, also der Kühlflüssigkeitsdurchleitung der Verdampferstruktur und dem Fluidführungsrohr der Blasenerzeugungsstruktur, kann entweder in serieller oder
paralleler Ausführung erfolgen. Vorteilhaft sind das
Fluidführungsrohr und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander angeordnet. Dabei wird das Fluidführungsrohr zuerst von der Kühlflüssigkeit durchströmt, so dass dort eine höhere
Kühlflüssigkeitstemperatur als in der Kühlflüssigkeitsdurchleitung herrscht. Die Energie zur Ausbildung der Gasblasen, also zur Blasenbildung, wird derart thermisch durch den Vorlauf des von der Kühlflüssigkeit ausgebildeten
Kühlflüssigkeitskreislaufes , z.B. eines Kaltwasserkreises, dem Arbeitsmittelreservoir zugeführt. Die thermische Energie zur Erzeugung der Gasblasen wird dabei also direkt über den Kühlflüssigkeitskreislauf eingebracht, indem dieser seriell durchfahren wird, d.h. in der Blasenerzeugungsstruktur liegt dann die größte Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeit und Arbeitsflüssigkeit an. In dieser Ausführungsform kann als Blasenbildungstruktur ein Wärmeübertrager genutzt werden, der derart gestaltet ist, dass sein Kaltwassereintrittsbereich blasenbildende Überhitzungen ermöglicht .
Die Blasenerzeugungsstruktur kann elektrische Heizmittel und/oder ein Heatpipe und/oder mechanische Mittel zur
Erzeugung der Gasblasen aufweisen. Die Energie zur
Blasenbildung kann dann zusätzlich oder alternativ zur thermischen Zuführung durch den Vorlauf des z.B. Kaltwasserkreises oder andere Wärme transportierende Fluidkreise, durch elektrische Heizelemente, wie elektrische Widerstände oder Einleiten von Mikrowellen und/oder Heatpipes und/oder durch mechanische Verfahren wie z.B. Rütteln und/oder
Einleiten von Ultraschall zugeführt werden. Ist bei der Energiezufuhr durch andere Fluidkreise oder die letztge¬ nannten Möglichkeiten davon auszugehen, dass die Wandüber- hitzung, also die Temperatur der Außenwand der Blasenerzeugungsstruktur, die mit der Arbeitsflüssigkeit in
Kontakt steht, die der Wärmeübertragungsoberfläche der Ver¬ dampferstruktur, durch die der Kühlflüssigkeitskreislauf, z.B. ein Kaltwasserkreislauf, geführt ist, wesentlich überschreitet, so ist die Blasenerzeugungsstruktur thermisch gut von der Verdampferstruktur zu isolieren.
Die Blasenerzeugungsstruktur kann vorteilhaft eine Rohrumlenkung und/oder Oberflächenstrukturen zur Vergrößerung eines Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit und/oder zur Verbesserung einer Blasenablösung der Gasblasen aufweisen. Zur Unterstützung der Gasblasenbildung und zur
Unterstützung der Gasblasenablösung dienende Oberflächenstrukturen können Spalte und/oder Kavitäten ausbilden.
Weiter kann das Fluidführungsrohr eine inhomogene
Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere partielle Ober¬ flächenisolierungen und/oder abwechselnd hydrophile und hydrophobe Bereiche aufweisen. Die sich an der Blasenerzeugungsstruktur ausbildenden Gasblasen können zu einer beachtlichen Größe, z.B. mehrere Zentimeter, heranwachsen. Dadurch kann je nach Bauraum beim Blasenabriss ein starkes Spritzen und eine ausgeprägte Konvektion verursacht werden. Die Blasenentstehung kann lokal häufig Spalten am Strukturrand der Blasenerzeugungsstruktur mit weniger als 1 mm
Spaltbreite oder auch gut wärmeleitenden Mikrostrukturen, z.B. Fasern und/oder Rillen, zugeordnet werden. Derartige Oberflächenstrukturen dienen zur Verbesserung der
Blasenablösung und/oder Blasenbildung.
Das Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit kann beispielsweise durch eine gezielte geometrische Anordnung von
fluidführenden Rohren bzw. Kanälen der Blasenerzeugungsstruktur und/oder durch aufgebrachte oder in die
wärmeübertragende Oberfläche der Blasenerzeugungsstruktur eingearbeitete Strukturen, wie z. B. Pins, Stifte, Rillen, Gewebe, perforierte Folien, Fasern, Schwämme, etc. verstärkt werden. Bei bestimmten Abständen, z.B. Spalte von kleiner 3 mm, zwischen den fluidführenden Rohren/Kanälen wird das Arbeitsmittel an Stellen wie z.B. Rohrumlenkungen lokal überhitzt, so dass es dort schneller zur Dampfblasenbildung kommt und Arbeitsmittel aus dem Arbeitsmittelreservoir herausspritzt. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Erzeugung von Dampfblasen ist die Einbringung von schlecht wärmeleitenden Materialien an die Grenzfläche zwischen
Arbeitsflüssigkeit und äußerer Oberfläche der Blasen¬ erzeugungsstruktur, z.B. einer fluiddurchströmten Struktur. Durch eine derartige Anordnung werden große
Temperaturunterschiede auf der Oberfläche der Blasen¬ erzeugungsstruktur erzeugt, was die Blasenbildung und
Blasenablösung unterstützt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Blasenerzeugungsstruktur Mittel zum Einbringen einer die Gasblasen beinhaltenden Zweiphasenströmung der Arbeitsflüssigkeit in das Arbeitsmittelreservoir auf. Die zum Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit erforderlichen Gasblasen können auch durch das Einbringen einer Zweiphasenströmung, die z.B. aus der Druckdifferenz in der Arbeitsflüssigkeit zwischen einem Kondensator und der Verdampferstruktur mittels eines
Drosselorgans erzeugt wird, generiert werden. Das die
Zweiphasenströmung ausbildende zweiphasige Gemisch wird in den Kältemittelpool, also das Arbeitsmittelreservoir, von unten eingeströmt. Die dann in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen generieren das Mitreißen des
flüssigen Kältemittels, d.h. der Arbeitsflüssigkeit.
Vorteilhaft weist die Verdampferstruktur an der Kühl- flüssigkeitsdurchleitung zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsoberflächen angeordnete Lamellen (Kühlrippen oder - lamellen) auf und/oder die Kühlflüssigkeitsdurchleitung ist dazu zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet und/oder die Kühlflüssigkeitsdurchleitung ist dazu zumindest teilweise als parallel zueinander verlaufende Rohre ausgebildet. Die Wärmeübertrager- d.h. die Verdampferstruktur, auf die durch die entstehenden Gasblasen Kältemittel, d.h. Arbeitsflüssigkeit, verspritzt wird, ist derart angeordnet, dass sie für das verspritzte Kältemittel gut zugänglich ist. Dies kann beispielsweise in Form von vertikal oder seitlich über dem Arbeitsmittelreservoir ausgerichteten Lamellen, durchströmten Platten oder fluchtend übereinander angeordneten Rohren verwirklicht sein. Zur Vermeidung von spritzender Arbeitsflüssigkeit außerhalb des Raumbereiches der Ver¬ dampferstruktur, die z.B. zu einem für den Prozess
ungünstigen Übertrag von Arbeitsflüssigkeit in andere
Bauteile führen könnte, kann bei einer in mehreren
übereinander angeordneten Strukturreihen ausgebildeten Verdampferstruktur in der obersten Strukturreihe eine versetzte Anordnung der Struktur ausgebildet sein. Es kann dabei auch eine terrassenförmige Anordnung der Strukturreihen
vorgesehen sein, so dass abfließendes Kältemittel gesammelt und gleichmäßig weiterverteilt wird.
Wenn auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampfer¬ struktur eine Oberflächenstrukturierung und/oder eine hydrophile Beschichtung und/oder eine poröse Schicht aufgebracht ist, kann eine Verbesserung der Verteilung der Arbeitsflüssigkeit erreicht werden. Die zu benetzende Wärme¬ übertragungsoberfläche zeichnet sich derart durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten aus. Dies kann entweder durch eine durch mechanische Strukturierung ausgeformte Oberflächen- strukturierung in Form von z.B. Rillen, Pins, etc. gezielt erzeugten Rauigkeiten, poröse Schichten mit einer Strukturhöhe von weniger als 1 mm und/oder durch eine hydrophile bzw. kontaktwinkelreduzierende Oberflächenbeschichtung und/oder chemische Vorbehandlung der Wärmeübertragungsoberfläche geschehen. Die Wärmeübertragungsoberfläche, auf der der dünne Film der Arbeitsflüssigkeit, z.B. ein Wasserfilm, verdampft, kann auch Eigenschaften aufweisen, die zu einer gleichmäßigen Verteilung der Arbeitsflüssigkeit einerseits, aber auch Erhöhung der Verweilzeit und Vermischung der
Arbeitsflüssigkeit andererseits beiträgt. Dies können z.B. fischgrätenartige Wellenstrukturen und/oder auch Strukturvorgaben sein, die mit der Gestaltung von eingeprägten
Rillen oder aufgebrachten porösen Strukturen, z.B. Fasern, Gewebe, Schwämme, bestimmt werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 4000 und etwa 60000 aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 15000 und etwa 60000 oder zwischen etwa 7000 und etwa 25000 oder zwischen etwa 4000 und etwa 14000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von mehr als etwa 4000 oder mehr als etwa 7000 oder mehr als etwa 12000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von weniger als etwa 55000 oder weniger als etwa 25000 oder weniger als etwa 14000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit Wasser und/oder Methanol und/oder Ethanol enthalten oder daraus bestehen. Optional kann z.B. ein Additiv zur Oberflächenspannungsreduktion beigesetzt sein. Insbesondere Wasser als Arbeitsflüssigkeit ist sehr umweltfreundlich, so dass auf schädliche Substanzen wie FCKW oder Ammoniak verzichtet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Klimamaschine kann mit einer Wandüberhitzung an der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur von lediglich 3 bis 5 Kelvin eine gute Leistungsdichte erreicht werden .
In der Arbeitsflüssigkeit können poröse Partikel eingebracht sein. Derartige im flüssigen Kältemittel eingebettete
Partikel sind insbesondere inert, hochporös und gut
wärmeleitend. Durch Konvektion im Arbeitsmittelreservoir werden diese Partikel immer wieder an die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit geschleudert und können dort aufgrund ihrer sehr großen Kontaktfläche zum Dampfraum über dem
Arbeitsmittelreservoir schnell Kältemittel verdampfen. Die dafür erforderliche Wärme wird zunächst dem Partikel
entzogen, der sie nach Eintreten in die Flüssigkeit der Arbeitsflüssigkeit und damit z.B. einem Kaltwasserkreis entzieht. Die dem Kältemittel beigemischten Partikel werden aufgrund der Blasenbildung stark bewegt. Sind diese Partikel inert, hochporös und gut wärmeleitend, so können sie im Dampfraum schnell das in ihnen gespeicherte Kältemittel freisetzen. Die dabei dem Partikel entzogene Wärme wird diesem wieder zugeführt, sobald der Partikel in den Arbeits- flüssigkeitssumpf wieder eintaucht und kann somit über den Arbeitsflüssigkeitssumpf dem Kreislauf der Kühlflüssigkeit, z.B. einem Kaltwasserkreis, entzogen werden. In dieser
Ausführung kann die Verdampferstruktur auch in den Boden oder die Seiten des Arbeitsmittelreservoirs integriert sein. Eine partiell eingebrachte Blasenerzeugungsstruktur ist thermisch gut zu isolieren.
Im Arbeitsmittelreservoir können Gewebestrukturen und/oder Drahtstrukturen angeordnet sein. Bei teilweisem Eintauchen der Verdampferstruktur in das Arbeitsmittelreservoir kann zumindest bei Vorhandensein von kapillar aktiven Verteil- strukturen auf der Oberfläche der Verdampferstruktur ein zusätzliches Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem
Arbeitsmittelsumpf bewirkt werden. Bei diesem Ansatz können offenporige Gewebe- oder Drahtstrukturen zur Verteilung der Arbeitsflüssigkeit verwendet werden. Die Kühlflüssigkeit, z.B. Kaltwasser, führende Struktur kann auch direkt in die Gewebestruktur eingearbeitet sein.
Vorteilhaft können im Spritzbereich Mittel zum Erweitern und/oder Umlenken des Spritzbereiches, insbesondere eine Verteilerstruktur zum Auffangen von von den Gasblasen mitgerissener Arbeitsflüssigkeit und zum Verteilen der
Arbeitsflüssigkeit auf und/oder über die Verdampferstruktur, d.h. deren Wärmeübertragungsoberfläche, und/oder eine
Arbeitsmittelförderröhre, die mit einem offenen Ende in das Arbeitsmittelreservoir eintaucht, vorgesehen sein. Die
Verteilerstruktur bildet einen Teil der Verdampferstruktur aus .
Wenn eine z.B. trichterförmige Arbeitsmittelförderröhre vorgesehen ist, wobei die Arbeitsmittelförderröhre mit einem offenen Ende, im Falle der Trichterform dem weiten
Trichterbefüllungsende, in das Arbeitsmittelreservoir eintaucht, können aufsteigende Gasblasen Arbeitsflüssigkeit, d.h. Kältemittel, durch die Arbeitsmittelförderröhre gegen die Schwerkraft nach oben pumpen, so dass der Spritzbereich nach oben z.B. über die Verdampferstruktur hinaus vergrößert werden kann. Z.B. derart kann flüssiges Kältemittel von oben auf der Wärmeübertragungsoberfläche verteilt werden. Durch eine Querschnittsverengung der Arbeitsmittelförderröhre oder andere Fluidführungsstrukturen kann das flüssige Kältemittel auf ein Niveau oberhalb des Wärmeübertragers gefördert und von dort aus schwerkraftgetrieben auf die Verdampferstruktur verteilt werden. Derart wird eine Pumpe realisiert, die das flüssige Kältemittel gezielt in die höher gelegene Ver¬ dampferstruktur befördert. Die hierfür erforderliche
mechanische Energie wird aus der thermisch getriebenen Blasenbildung und der dadurch bedingten Volumenvergrößerung des Kältemittels gezogen. Die Effizienz des
Verdampfungsprozesses wird hierdurch praktisch nicht
reduziert, da die benötigte mechanische Energie zum Pumpen einer zu verdampfenden Kältemittelmenge nur einen
vernachlässigbaren Bruchteil der umgesetzten Wärmemenge beträgt. Zum Beispiel wird für 1 Gramm Wasser, das um 0,1 Meter angehoben wird 0,001 Joule mechanische Energie im Vergleich zu 2400 Joule/Gramm Verdampfungsenthalpie
benötigt. Es kann auch eine Kombination einer Benetzung der Verdampferstruktur von unten und oben vorgenommen werden. Bei der Benetzung von oben wird die Antriebskraft der aufsteigenden Gasblasen genutzt, um die Verdampferstruktur von oben mit Arbeitsflüssigkeit zu berieseln. Dies kann z.B. durch ein Verteilnetz als Verteilerstruktur geschehen, das gezielt über der Verdampferstruktur, bzw. deren Teile die die Wärmeübertragungsoberfläche ausbilden, endet und von oben beaufschlagt wird. Die Verteilerstruktur sollte dazu ausreichend porös sein, um den in den Gasblasen vorhandenen Dampf der Arbeitsflüssigkeit zum Adsorber ohne Flüssigkeits¬ mitreißen strömen zu lassen. Mit der Auftriebskraft der Gasblasen können auch Elemente, z.B. Ventile, Klappen,
Strömungsträger, bewegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Klimamaschine weist folgende Verfahrensschritte auf :
— Erzeugen und/oder Einbringen von Gasblasen in die
Arbeitsflüssigkeit mittels der Blasenerzeugungsstruktur im Arbeitsmittelreservoir,
— Benetzen der Wärmeübertragungsoberfläche der Ver¬ dampferstruktur mit von in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen mitgerissener und in den
Spritzbereich spritzender Arbeitsflüssigkeit, und — Kühlen einer die Kühlflüssigkeitsdurchleitung durchströmenden Kühlflüssigkeit durch Verdampfen der die Wärmeübertragungsoberfläche benetzenden Arbeits¬ flüssigkeit .
Derart kann ein effizienter Kreisprozess einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe verwirklicht werden.
Wenn in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die desor- bierte Arbeitsflüssigkeit an der Verdampferstruktur kondensiert wird, kann auf ein zusätzliches, einen Kondensator ausbildendes, Modul verzichtet werden. Der Betrieb der Ver¬ dampferstruktur einer erfindungsgemäßen Klimamaschine ist sowohl als reiner Verdampfer als auch als kombinierter
Verdampfer/Kondensator in einem Bauteil möglich. Bei
letzterer Betriebsweise kondensiert die Arbeitsflüssigkeit an den aktiv fluiddurchströmten Strukturen, d.h. der Kühl- flüssigkeitsdurchleitung, der Verdampferstruktur, wobei überschüssiges Kondensat von der nicht gefluteten Ver¬ dampferstruktur abtropfen kann und sich im Arbeitsmittelreservoir sammelt, in welchem sich die zweite Struktur, d.h. die Blasenerzeugungsstruktur, befindet. Ein Vorteil dieser Bauweise ist, dass auch mit steigender Kältemittelverflüssigung eine konstante Kondensationsfläche zur Verfügung steht und sämtliche Arbeitsflüssigkeit, auch wenn sie an ungewünschten Stellen kondensiert, wieder aktiviert,
respektive verdampft werden kann, da sich das Arbeitsmittel¬ reservoir vorzugsweise am Boden eines Bauteils befindet, das die Arbeitsflüssigkeit und deren Dampf räumlich umfasst.
Zum Erzeugen der Gasblasen kann vorteilhaft weniger als 5 Prozent der Wärmeenergiemenge verwendet werden, die beim Kühlen der die Kühlflüssigkeitsdurchleitung durchströmenden Kühlflüssigkeit, also einem Kühlflüssigkeitskreislauf z.B. einem Kaltwasserkreislauf, der Kühlflüssigkeit entzogen wird. Die Blasenerzeugungsstruktur, mittels der das
Blasensieden erzeugt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass lokal sehr begrenzt eine hohe Wärmestromdichte in Form von Wandüberhitzungen von mehr als 10 Kelvin aufgebracht werden kann. Der so erzeugte Wärme- und/oder Energiestrom von der Blasenerzeugungsstruktur in die Arbeitsflüssigkeit kann durch thermische oder elektrische Energie oder durch
Maßnahmen wie Rütteln, Ultraschall, Mikrowellen erzeugt werden. Die Energiezufuhr ist derart gestaltet, dass der Wärmeeintrag in das flüssige Kältemittel gering bleibt und sich auf die Erzeugung der Blasen beschränkt. Für die
Blasenerzeugung soll dabei deutlich weniger als 5 %, eher weniger als 1% der Wärmeenergie, die dem z.B.
Kaltwasserkreislauf als Energie entzogen wird, genutzt werden .
Neben der Energiezufuhr in die Blasenbildungsstruktur über den Kühlflüssigkeitskreislauf kann alternativ oder
zusätzlich auf anderen Temperaturniveaus, also auf zum
Temperaturniveau des Kühlflüssigkeitskreislaufs
unterschiedlichen Temperaturniveaus, verfügbare Wärme zur Gasblasenbildung zugeführt werden. Bei Verwendung einer elektrisch versorgten Wärmequelle oder auch den anderen genannten Möglichkeiten der Ausführungsformen der
Blasenbildungsstruktur kann ebenfalls ein deutlich höheres Temperaturniveau und damit eine höhere Wandüberhitzung erzeugt werden, als der Wandüberhitzung auf der für die Kältemittelverdampfung vorgesehenen, mit einem dünnen Film der Arbeitsflüssigkeit benetzten Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur. Diese Wärmezufuhr auf höherem
Temperaturniveau verursacht nur einen sehr geringen
Wärmeeintrag. Dabei ist eine gute thermische Abgrenzung der Bereiche hoher Wandüberhitzung gegen die anderen
Verdampfungsbereiche, also insbesondere die
Verdampfungsstruktur, vorgesehen .
Vorteilhaft wird die zum Erzeugen der Gasblasen verwendete Energie mittels eines Leistungsregelungsmoduls der Blasen¬ erzeugungsstruktur diskontinuierlich zugeführt. Bei der diskontinuierlichen Zuführung wird die für die Erzeugung der Blasen erforderliche Energie phasenweise, pulsierend
und/oder entsprechend von Prozessanforderungen mit
geregelter Leistung zugeführt.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur ein Fluidführungsrohr aufweist.
Fig. 2a und 2b zeigen jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur elektrische Heizmittel aufweist.
Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung der Arbeitsflüssigkeit in das Arbeitsmittelreservoir aufweist .
Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Klimamaschine, bei der im Spritzbereich eine Verteilerstruktur zum Auffangen von den Gasblasen mitgerissener Arbeitsflüssigkeit und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit auf die Verdampferstruktur vorgesehen ist sowie eine Arbeitsmittelförderröhre vorgesehen ist.
In Figur 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungs¬ struktur 2 ein Fluidführungsrohr 3 aufweist. Dazu ist die im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnete Blasen¬ erzeugungsstruktur 2 teilweise von in dem Arbeitsmittelreservoir 5 gesammelter Arbeitsflüssigkeit 7 überflutet. In dem von der Blasenerzeugungsstruktur 2 ausgebildeten
Strukturbereich werden gezielt stark spritzende Gasblasen 8 in der Arbeitsflüssigkeit 7 erzeugt. Von in der Arbeits¬ flüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 mitgerissene
Arbeitsflüssigkeit 7 spritzt über die Oberfläche 9 der
Arbeitsflüssigkeit 7 im Arbeitsmittelreservoir 5 hinaus in einen Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit 7. Das
Fluidführungsrohr 3 wird von einem Kältemittel durchflössen, dessen Temperatur ausreicht, um ausreichend Wärmeenergie in die Arbeitsflüssigkeit 7 einzuleiten um die Gasblasen 8 durch Blasensieden zu erzeugen.
Über dem Arbeitsmittelreservoir 5 und der darin teilgeflutet angeordneten Blasenerzeugungsstruktur 2 ist in dem
Spritzbereich eine Verdampferstruktur 10 angeordnet. Die Verdampferstruktur 10 wird von einem, eine Kühlflüssigkeits- durchleitung 11 ausbildenden Rohr ausgebildet. Die Verdampferstruktur 10 weist eine von einem porösen Material (poröse Schicht) ausgebildete Wärmeübertragungsoberfläche 13 auf, die von der mitgerissenen Arbeitsflüssigkeit 7 mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm benetzt wird. Letzteres ist durch die auf die Verdampferstruktur 10 auftreffenden
Gasblasen 8 symbolisch dargestellt. Die Verdampferstruktur 10 ermöglicht als Wärmeübertrager eine flächige Benetzung mit dünnen Arbeitsflüssigkeitsfilmen . Die Arbeitsflüssigkeit 7 des Arbeitsflüssigkeitsfilms verdampft, wodurch die Kühl- flüssigkeitsdurchleitung 11 und die diese durchströmende Kühlflüssigkeit abgekühlt wird. In der für Adsorptionskälte¬ maschinen und —Wärmepumpen bestimmten dargestellten
Ausführungsvariante sind die beiden fluiddurchströmten
Strukturen, nämlich die Verdampferstruktur 10 und die
Blasenerzeugungsstruktur 2, räumlich übereinander angeordnet und können im zyklischen Wechsel als Verdampfer und
Kondensator agieren.
Die in dieser Ausführungsform auf Rohrgeometrien basierende teilgeflutete Blasenerzeugungsstruktur 2 überträgt Wärme aus der sie durchfließenden Kühlflüssigkeit auf die Arbeits¬ flüssigkeit 7 und kann somit auch als ein unterer Wärme¬ übertrager bezeichnet werden. Die hydraulische Verschaltung der beiden Wärmeübertrager kann seriell oder parallel erfolgen. In den Figuren sind lediglich die Anschlüsse der Kühlflüssigkeitsdurchleitung 10 und des ebenfalls
Kühlflüssigkeit durchleitenden Fluidführungsrohres 3
angedeutet .
Die Blasenerzeugungsstruktur 10 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlichen Spaltabständen der Rillen 15 aufgebaut sein. Zwischen engeren Spaltabständen kann sich eine größere Überhitzung ausbilden, wodurch die Erzeugung der Gasblasen 8 auf bestimmte Teile der Längserstreckung des Fluidführungsrohres 3 lokalisiert werden kann. Die Spaltabstände der Rillen 15 liegen dabei vorteilhaft in einem Bereich von weniger als 1 mm. Die
Rillen 15 bilden also Oberflächenstrukturen zur Vergrößerung des Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit aus. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergrößerung des Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit auch durch dicht nebeneinander angeordnete Rund- oder Flachrohre sowie Umlenkungen erzielt werden, so dass lokal ein größerer Wärmeeintrag erfolgt. Weiter kann ein Wechsel in der
Oberflächenbeschaffenheit, z.B. hydrophil/hydrophob, die Gasblasenablösung unterstützen. Die Teilflutung der Blasenerzeugungsstruktur 2 stellt sicher, dass ein ausreichend großes Arbeitsflüssigkeitsreservoir 5 bereitsteht, aus welchem die Arbeitsflüssigkeit 7 herausspritzt und damit die räumlich höher angeordnete Verdampferstruktur 10 benetzen kann .
Alternativ zur dargestellten Ausführungsform der als oberer Wärmeübertrager ausgebildeten Verdampferstruktur 10 mit einem kühlflüssigkeitsdurchströmten Rohr/Kanal, auf dessen Außenfläche eine poröse Struktur aufgebracht ist, kann auch durch eine Oberflächenbehandlung der Wärmeübertragungsober- fläche der Verdampferstruktur ein gutes Benetzungsverhalten erreicht werden. Poröse Strukturen haben den Vorteil, dass sie die Verweilzeit der Arbeitsflüssigkeit verlängern, müssen aber thermisch gut an das Wärme abgebende Rohr, d.h. die Kühlflüssigkeitsdurchleitung, angebunden sein und sollten nur eine geringe Dicke von weniger als 5 mm auf¬ weisen. Beispiele für poröse Strukturen sind metallische Fasern, Schwämme und/oder Schäume. Die Vorteile dieser porösen Strukturen sind hohe spezifische Oberflächen, die eine gute Aufnahme der spritzenden Arbeitsflüssigkeit erlauben, die gute Arbeitsflüssigkeitsverteilung aufgrund von Kapillarwirkung und die erhöhte Wärmeleitfähigkeit durch die metallische poröse Struktur im Vergleich zur
Wärmeleitfähigkeit von reinem Wasser.
Die Blasenerzeugungsstruktur 2 ist in der dargestellten Ausführungsform in den Arbeitsflüssigkeitssumpf, d.h. dem Arbeitsmittelreservoir 5, eingearbeitet, kann aber z.B. auch durch Kapillarstrukturen von einem Arbeitsflüssigkeitspool aus mit Arbeitsflüssigkeit 7 versorgt werden. Bei alter¬ nierender Nutzung der Verdampferstruktur 10 als Verdampfer und Kondensator kann der Arbeitsflüssigkeitssumpf als
Kondensatsammelbereich dienen. Bei paralleler Verwendung erfolgt die Kondensatzufuhr über ein Drosselorgan aus dem Kondensator. Die hier vorhandene Druckdifferenz, die etwa 10 bis 50 mbar umfasst, kann ebenfalls in die Erzeugung
spritzender Gasblasen 8 durch gezieltes Einbringen der Zweiphasenströmung eingebracht werden. Die Anordnung des
Arbeitsmittelreservoirs 5 und der Blasenerzeugungsstruktur 2 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragerkonzepts erfolgt vorzugsweise am Boden eines Sorptionsmoduls 17, d.h. unter¬ halb einer Verdampferstruktur. Dies hat den Vorteil, dass sich sämtliche während der Kondensation abtropfende Arbeits¬ flüssigkeit 7 im Arbeitsflüssigkeitssumpf am Boden sammelt und dort wieder verdampft werden kann. Arbeitsflüssigkeit 7 kann folglich nicht verloren gehen, d. h. an Stellen gelangen, an denen sie nur noch schwer aktiviert/verdampft werden kann.
In den Figuren 2a und 2b ist jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungsstruktur 2 z.B. elektrische Heizmittel (Stifte) zur Wärmezufuhr in die Arbeitsflüssigkeit 7
aufweisen. Diese z.B. von elektrischen Widerständen
ausgebildeten Heizmittel stellen Siedestrukturen 20 dar und sind am Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet, so dass dort Siedebereiche ausgebildet sind. Die Figuren zeigen zwei sich unterscheidende Anordnungen der Siedebereiche und Verdampferstrukturen 10. In Figur 2a ist die Verdampferstruktur 10 flächig über dem Arbeitsmittelreservoir 5 angeordnet. Die Heizmittel sind dabei flächig verteilt über den Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet. Die Ver¬ dampferstruktur 10 weist gleichmäßig entlang deren Kühl- flüssigkeitsdurchleitung 11 verteilte Kühllamellen 22 auf. In Figur 2b sind die Heizmittel der Blasenerzeugungsstruktur 2 nur in den Bereichen mit freien Kanalquerschnitten der Verdampferstruktur 10 am Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet. Sie bilden also lokal angeordnete
Siedestrukturen aus. Die Verdampferstruktur 10 weist mehrere Teilverdampfer mit jeweils einer Kühllamellen 22 umfassenden Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 auf. Als freie
Kanalquerschnitte werden die Bereiche zwischen den
Teilverdampfern bezeichnet. Die Heizmittel können auch im Arbeitsmittelreservoir verteilt oder in Form eines
Wärmeübertragers eingebracht sein. Die Beheizung erfolgt von der Unterseite bzw. dem Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5. Neben der flächigen thermischen Wärmezufuhr könnten in den einzelnen Stiften z. B. kleine elektrische Heizelemente und/oder Heatpipes integriert sein. Wird die erforderliche Energie zur Gasblasenbildung nicht durch einen
Kaltwasserkreis zugeführt, so sollten die Blasenerzeugungs¬ strukturen 2 thermisch isoliert werden. Auch in dieser Ausführungsform ist der zu benetzende
Wärmeübertrager, also die Verdampferstruktur 10, gut
zugänglich oberhalb oder seitlich von der Blasenerzeugungsstruktur 2 angeordnet. Die Verdampferstruktur 10 zeichnet sich durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten aus. Dies kann z.B. durch mechanische Bearbeitung in Form von Rillen, Pins, gezielt erzeugten Rauigkeiten und/oder durch eine hydrophile bzw. kontaktwinkelreduzierende Oberflächenbeschichtung und/oder chemische Vorbehandlung erreicht sein.
In Figur 3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungs¬ struktur 2 Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung 30 der Arbeitsflüssigkeit 7 in das Arbeitsmittelreservoir 5 aufweist. Bei dieser Ausführungsform werden das Blasensieden und das damit einhergehende Spritzen der Arbeitsflüssigkeit 7 nicht durch eine ganz oder teilgeflutete Struktur 35 zum Aufheizen der Arbeitsflüssigkeit 7 initiiert, sondern z.B. durch Zuführung des Kondensatrückflusses aus einem
Kondensator. Die aufsteigenden Dampf- bzw. Gasblasen 8 sorgen für ein Spritzen der Arbeitsflüssigkeit 7 und eine Benetzung der nicht gefluteten, kühlflüssigkeitführenden Verdampferstruktur 10 bzw. deren Wärmeübertragungsoberfläche mit einem Film 31 aus Arbeitsflüssigkeit. Die Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung 30 der Arbeitsflüssigkeit sind als ein mit Perforationen versehenes Rohr
ausgebildet. Die Struktur 35, z.B. ein Kühlflüssigkeit führendes Rohr, ist in der dargestellten Ausführungsform geflutet im Arbeitsmittelreservoir 5 angeordnet. Dieses Rohr kann zur Vorheizung des Arbeitsmittels 7 im Arbeitsmittel¬ reservoir 5 genutzt werden.
In Figur 4 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der im Spritzbereich eine Verteilerstruktur 40 zum Auffangen von den Gasblasen 8 mitgerissener Arbeitsflüssigkeit 7 und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit auf die Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur 10 vorgesehen ist sowie eine Arbeitsmittelförderröhre 42 vorgesehen ist. Die von den Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 benetzt dabei nicht direkt, wie bei den Ausführungsformen der Figuren 1 bis 3, oder nur zum Teil direkt die
Wärmeübertrageroberfläche der Verdampferstruktur 10, sondern es wird über ein Verteilsystem 44 der Verteilerstruktur 40 kanalisiert die Benetzung erzeugt. Die Verdampferstruktur 10 weist zwei Teilverdampfer auf, die jeweils von einer Kühl- flüssigkeitsdurchleitung 11 mit parallel zueinander
verlaufenden, Wärmeübertrageroberflächen ausbildenden
Lamellen 22 ausgebildet sind. Die Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur 10 kann auch z.B. lediglich von der Oberfläche der Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 ausgebildet sein. Die Verteilerstruktur 40 weist eine als Spritzschutz 45 für die Arbeitsflüssigkeit ausgeführte
Verteilerkappe und das z.B. als ein Gewebe und/oder eine Drahtstruktur zur Arbeitsflüssigkeitsverteilung ausgebildete Verteilsystem 44 auf.
Die trichterförmig ausgebildete Arbeitsmittelförderröhre 42 (Trichterform) dient zum Ausnutzen der Auftriebskraft der Gasblasen 8, um die Verdampferstruktur 10 von oben mit
Arbeitsflüssigkeit 7 zu bespritzen bzw. zu berieseln. Das weite, offene Einfüllende 47 der Trichterform ist dazu in die Arbeitsflüssigkeit 7 im Arbeitsmittelreservoir über einem die Blasenerzeugungsstruktur 2 ausbildenden Heizmittel eingetaucht. Durch das Heizmittel erfolgt der Wärmeeintrag in die Arbeitsflüssigkeit 7 zur Gasblasenerzeugung. Die über dem Heizmittel in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 werden von der Trichterform eingefangen und führen zu einem Herausspritzen von Arbeitsflüssigkeit 7 aus dem schmalen offenen Ende 48 der Trichterform. Die derart in den Spritzbereich herausspritzende Arbeitsflüssigkeit wird von der Verteilerkappe nach unten umgelenkt. Dies führt derart zu einer entsprechenden Erweiterung des Spritzbereiches auf den Bereich des Verteilsystems 44 und der Verdampferstruktur 10.
Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine 1 mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche 13 ausbildenden Verdampfer¬ struktur 10 und einem eine Arbeitsflüssigkeit 7
beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir 5, wobei die Verdampferstruktur 10 eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 aufweist sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Dabei ist eine Blasenerzeugungsstruktur 2 vorgesehen, wobei die Blasenerzeugungsstruktur 2 zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit 7 überflutet, und/oder mit Arbeits¬ flüssigkeit 7 benetzbar, im Bereich des Arbeitsmittel¬ reservoirs 5 angeordnet ist und wobei die Verdampferstruktur 10 derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit 7 angeordnet ist, dass die Wärmeübertragungsoberfläche 13 durch von der Blasenerzeugungsstruktur 2 in der Arbeitsflüssigkeit 7 erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm 31 benetzt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Be¬ schreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Klimamaschine (1) mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche (13) ausbildenden Verdampferstruktur (10) und einem eine Arbeitsflüssigkeit (7) beinhaltenden Arbeits¬ mittelreservoir (5), wobei die Verdampferstruktur (10) eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Blasenerzeugungsstruktur (2) vorhanden ist, wobei die Blasenerzeugungsstruktur (2) zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit (7) überflutbar und/oder mit
Arbeitsflüssigkeit (7) benetzbar im Bereich des Arbeits¬ mittelreservoirs (5) angeordnet ist und wobei die Ver¬ dampferstruktur (10) derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit (7) angeordnet ist, dass die Wärme¬ übertragungsoberfläche (13) durch von der Blasen¬ erzeugungsstruktur (2) in der Arbeitsflüssigkeit (7) erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit (7) aufsteigenden Gasblasen (8) mitgerissene Arbeitsflüssigkeit (7) mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm (31) benetzbar ist, wobei die Blasenerzeugungsstruktur
(2) ein Fluidführungsrohr (3) zur Erzeugung der Gasblasen (8) durch Blasensieden aufweist und das Fluidführungsrohr
(3) und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander
angeordnet sind.
2. Klimamaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) weiterhin zumindest ein elektrisches Heizmittel und/oder eine
Heatpipe und/oder Mittel zur mechanischen Erzeugung der Gasblasen (8) aufweist.
3. Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) eine Rohrumlenkung und/oder Oberflächenstrukturen (15) zur Vergrößerung eines Wärmeübertrages auf die
Arbeitsflüssigkeit (7) und/oder zur Verbesserung einer Blasenablösung der Gasblasen (8) aufweist und/oder dass das Fluidführungsrohr (3) eine inhomogene Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere partielle Oberflächen¬ isolierungen und/oder abwechselnd hydrophile und
hydrophobe Bereiche, aufweist.
Klimamaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) Mittel zum Einbringen einer die Gasblasen (8) beinhaltenden Zweiphasenströmung (30) der Arbeitsflüssigkeit (7) in das Arbeitsmittelreservoir (5) aufweist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferstruktur (10) an die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) angeordnete Lamellen (22) und/oder Rippen aufweist und/oder
dass die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet ist und/oder
dass die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) zumindest teilweise als parallel zueinander verlaufende Rohre ausgebildet ist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmeübertragungs¬ oberfläche (13) der Verdampferstruktur (10) eine Ober- flächenstrukturierung und/oder eine hydrophile
Beschichtung und/oder eine poröse Schicht aufgebracht ist .
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 4000 und etwa 60000 aufweist oder
dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von mehr als etwa 4000 oder mehr als etwa 7000 oder mehr als etwa 12000 aufweist oder
dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von weniger als etwa 55000 oder weniger als etwa 25000 oder weniger als etwa 14000 aufweist.
8. Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (7) Wasser und/oder Ethanol und/oder Methanol enthält oder daraus besteht.
9. Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in der Arbeitsflüssigkeit (7) poröse Partikel eingebracht sind und/oder dass im Arbeitsmittelreservoir (5) Gewebestrukturen und/oder Drahtstrukturen angeordnet sind.
10. Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass im Spritzbereich Mittel zum Erweitern und/oder Umlenken des Spritzbereiches,
insbesondere eine Verteilerstruktur (40) zum Auffangen von von den Gasblasen (8) mitgerissener Arbeitsflüssigkeit (7) und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit (7) auf und/oder über die Verdampferstruktur (10) und/oder eine Arbeitsmittelförderröhre (42), die mit einem offenen Ende in das Arbeitsmittelreservoir (5) eintaucht, vorgesehen sind .
11. Verfahren zum Betreiben einer Klimamaschine (1) nach
einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den Verfahrensschritten
- Erzeugen und/oder Einbringen von Gasblasen (8) in die Arbeitsflüssigkeit (7) mittels der Blasenerzeugungs¬ struktur (2) im Arbeitsmittelreservoir (5), welche ein Fluidführungsrohr (3) zur Erzeugung der Gasblasen (8) durch Blasensieden aufweist, wobei das Fluidführungsrohr (3) und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander
angeordnet sind
- Benetzen der Wärmeübertragungsoberfläche (13) der Ver¬ dampferstruktur (10) mit von in der Arbeitsflüssigkeit (7) aufsteigenden Gasblasen (8) mitgerissener und in den Spritzbereich spritzender Arbeitsflüssigkeit (7), und
- Kühlen einer die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) durchströmenden Kühlflüssigkeit durch Verdampfen der die Wärmeübertragungsoberfläche (13) benetzenden Arbeits¬ flüssigkeit ( 7 ) .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die desorbierte Arbeitsflüssigkeit an der Verdampferstruktur (10) kondensiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Gasblasen (8) weniger als 5 Prozent der Wärmeenergiemenge verwendet wird, die beim Kühlen der die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) durchströmenden Kühlflüssigkeit der
Kühlflüssigkeit entzogen wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der Gasblasen (8) verwendete Energie mittels eines Leistungsregelungsmoduls der Blasenerzeugungsstruktur (2) diskontinuierlich zugeführt wird und/oder in Abhängigkeit des Leistungs¬ bedarfs des Adsorbers gesteuert und/oder geregelt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Benetzen der Wärmeübertragungs¬ oberfläche (13) der Verdampferstruktur (10) zusätzlich durch Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeits¬ mittelsumpf mittels kapillar aktiven Verteilstrukturen bewirkt wird.
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