WO2020007910A1 - Sorptionsbehälter, sorptionsspeicher, wärmepumpe und wärmetransformator - Google Patents

Sorptionsbehälter, sorptionsspeicher, wärmepumpe und wärmetransformator Download PDF

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WO2020007910A1
WO2020007910A1 PCT/EP2019/067844 EP2019067844W WO2020007910A1 WO 2020007910 A1 WO2020007910 A1 WO 2020007910A1 EP 2019067844 W EP2019067844 W EP 2019067844W WO 2020007910 A1 WO2020007910 A1 WO 2020007910A1
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WO
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sorption
heat
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sorption container
partial volume
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PCT/EP2019/067844
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Gerrit FÜLDNER
Eric Laurenz
Lena Schnabel
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • 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
    • 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
    • F25B37/00—Absorbers; Adsorbers
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the third sub-volume can have a shut-off device in order to control or monitor the passage of work equipment between the first and second sub-volumes.
  • the heat transfer medium can be liquid in some embodiments of the invention. In other embodiments of the invention, the heat transfer medium can be gaseous. In some
  • Embodiments of the invention can be used as the heat transfer medium water, oil, brine, air or flue gas.
  • a plurality of sorption containers can be arranged in a sorption store, a heat pump or a heat transformer such that the first partial volumes of adjacent sorption containers are opposed to one another.
  • second partial volumes of adjacent sorption containers can also face each other.
  • the heat transfer medium flowing in a fluid channel thus emits heat only to first or only to second partial volumes of adjacent sorption containers or absorbs heat only from first or second partial volumes.
  • the fluid channels can be limited by sealing elements.
  • sealing elements for example
  • FIG. 4 shows a stack of a plurality of sorption containers as part of a first embodiment of a sorption store, a heat pump or a heat transformer.
  • FIG. 5 shows a section along line B-B through the stack according to FIG. 4.
  • FIG. 8 shows a section through a sorption store, a heat pump or a heat transformer according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 10 shows a sorption container with a
  • FIG. 11 shows a sorption store, a heat pump or a heat transformer according to a fourth
  • FIG. 12 shows the sorption store, the heat pump or the heat transformer according to FIG. 11 in section.
  • the inner volume 11 is essentially sealed liquid and gas tight from the environment.
  • a weld seam 105 can be produced in the edge area 100.
  • the inner volume 11 is divided into a first partial volume 111 and a second partial volume 112.
  • a first support structure 31 is located in the first sub-volume 111.
  • a second support structure 32 is located in the second sub-volume 112.
  • the support structures 31 and 32 can be produced, for example, from a porous molded body.
  • the support structures can for example be made of a plastic or a metal, for example as a sintered body or as a foam.
  • the support structure 31 in the first partial volume 111 is coated with a first sorbent 3.
  • the first sorbent 3 can be selected from at least one zeolite
  • Activated carbon a silica gel, a salt hydrate, a
  • Salt ammonium or a salt alcoholate In some embodiments,
  • Sorbents are used.
  • the sorbent is firmly attached or introduced to the support structure 31 and thus at least partially fills its pores or cavities.
  • Both the first support structure 31 and the second support structure 32 thus have one
  • the second support structure 32 is not coated or filled with a sorbent. In other embodiments of the invention, the second support structure 32 is with a second sorbent
  • the third partial volume 113 is also provided with a third support structure 33, which, for example, is a polymer with comparatively low thermal conductivity may contain.
  • the third partial volume 113 leads to the spatial and thermal separation of the first partial volume 111 from the second partial volume 112.
  • the third support structure 33 can also have pores or channels, so that it remains permeable to gaseous and / or liquid working fluid.
  • the now gaseous working medium diffuses through the third partial volume 113 into the second partial volume 112 and can condense there on the second support structure 32, which now acts as a condenser, whereby in turn condensation heat is emitted, which can be dissipated via the flexible envelope 10.
  • the second part volume 112 is in the left part of the sorption container and the first part volume 111 is in the right part, so that when the sorption container is in operation, the right part and the left part of the sorption container have different operating or
  • sorption containers have working temperatures.
  • adjacent sorption containers are placed one above the other via sealing elements 45, so that fluid channels 4 are formed between adjacent sorption containers, which can be flowed through by a heat transfer medium, for example water, oil, brine or also air or flue gas.
  • a heat transfer medium for example water, oil, brine or also air or flue gas.
  • the flexible sheath 10 can be inert on the outside of the sorption container 1
  • the sorption container 1 has a comparatively small height of approximately 3 mm to approximately 30 mm. In the other two dimensions, the sorption container has a size between approximately 10 cm and approximately 200 cm or between approximately 60 cm and approximately 150 cm. As a result, a comparatively large surface is available for heat exchange with the support structure or the first sorbent arranged thereon.
  • the support structures 31, 32 and 33 can be connected to the flexible sheath 10 at least in sections, so that the cross-sectional shape remains essentially unchanged, even if the operating pressure of the working medium within the sorption container 1 is greater than that
  • shut-off element can act passively, for example in the form of a non-return valve.
  • Such an element can, for example, at least one
  • the second part volume 112b is supplied with heat in order to evaporate the working medium 7.
  • the gaseous working medium passes through the third partial volume 113b into the first partial volume 111 and is sorbed on the first sorbent. This releases heat, which is released via the flexible sleeve 10.
  • heat is fed into the first partial volume 111 via the flexible envelope 10, so that the
  • a first embodiment of a sorption store, a heat pump or a heat transformer 6 is explained in more detail with reference to FIGS. 4, 5 and 6.
  • the device contains a stack of sorption containers 1 as described above.
  • Four sorption containers la, lb, lc and ld are shown as examples. In other embodiments of the invention, the number of sorption containers can of course also be larger or smaller.
  • the invention does not teach the use of exactly four sorption containers as a solution principle.
  • FIG. 8 shows the cross section through a sorption store, a heat pump or a heat transformer according to a fourth embodiment of the invention.
  • the device 6 according to the fourth embodiment can have a cylindrical basic shape, for example.
  • the section shown in FIG. 8 shows that the sorption container or the sorption container 1 is not flat, but is quasi wound up, so that spiral fluid channels 4 result, through which the heat transfer medium flows in countercurrent from the inside to the outside and from the outside to the inside can be performed.
  • This embodiment of the invention is mechanically robust and insensitive to vibrations and also has a high power density.
  • Ambient pressure This is the case when the working medium in the sorption container 1 requires a low working pressure, which is below atmospheric pressure. In some embodiments of the invention, however, this can also be the case if the sorption containers 1 are located in a larger housing 60, in which a corresponding excess pressure is introduced.
  • Compression of the flexible sleeve 10 can also be generated by spring elements, for example by leaf springs, which act on the flexible sleeve 10 from the outside in the region of the third partial volume 113.
  • closure element 5 Between adjacent sorption containers 1 there is at least one closure element 5 which is rotatably mounted about an axis 50.
  • the closure element 5 has a greater longitudinal extent in at least one spatial direction than in an orthogonal spatial direction.
  • the cross section or the volume of the third partial volume 113 can thus be reduced. This prevents or at least reduces overflow of the working fluid from the second partial volume 112 into the first partial volume 111 or in the opposite direction. This is shown in Figure 10b.
  • a fourth is shown in FIGS
  • first partial volumes 111 of adjacent sorption containers 1 face each other and include first fluid channels 4b. Furthermore, second partial volumes 112 of adjacent sorption containers are located opposite one another and form a fluid channel 4a. In this way it is ensured that the heat transfer medium of a predeterminable temperature always heats or heats only first or only second partial volumes, so that unimpeded adsorption or desorption or condensation or
  • each sorption container has only a slight temperature spread during operation. With serial connection, however, the same loading turnover is the same in each sorption container Efficiency achieved so that the sum of the individual temperature spreads increases to a technically advantageous usable value.
  • between approximately 3 and approximately 10 sorption containers or between approximately 2 and approximately 20 sorption containers can be connected in series.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sorptionsbehälter (1) mit einer flexiblen Hülle (10), welche ein Innenvolumen (11) begrenzt, in welchem zumindest ein Arbeitsmittel (7) und ein erstes Sorptionsmittel (3) eingebracht ist, welches bei Wärmezufuhr das Arbeitsmittel (7) gasförmig freisetzt und bei Wärmeabfuhr das Arbeitsmittel bindet, wobei das Innenvolumen (11) in zumindest ein erstes Teilvolumen (111) und zumindest ein zweites Teilvolumen (112) und zumindest ein drittes Teilvolumen (113) unterteilt ist, wobei das erste Teilvolumen (111) das erste Sorptionsmittel (3) enthält und das zweite Teilvolumen (112) entweder zumindest einen Kondensator bzw. Verdampfer oder zumindest ein zweites Sorptionsmittel enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sorptionsspeicher oder eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator mit zumindest einem solchen Sorptionsbehälter.

Description

Sorptionsbehälter , Sorptionsspeicher ,
Wärmepumpe und Wärmetransformator
Die Erfindung betrifft einen Sorptionsbehälter mit einer flexiblen Hülle, welche ein Innenvolumen begrenzt, in welchem zumindest ein Arbeitsmittel und ein erstes
Sorptionsmittel eingebracht ist, welches bei Wärmezufuhr das Arbeitsmittel gasförmig desorbiert und bei Wärmeabfuhr das Arbeitsmittel sorbiert. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärme transformator mit zumindest einem solchen Sorptionsbehälter.
Aus der EP 1150077 Bl ist ein gattungsgemäßer Sorptionsbe hälter bekannt. Dieser weist eine flexible Hülle als
Behälteraußenwand auf, welche gleichzeitig als Wärmetauscher dient. In diese Hülle ist eine Sorptionsmittelfüllung in Form eines Granulats eingebracht.
Diese bekannten Sorptionsbehälter weisen den Nachteil auf, dass die Hülle selbst keine Zug- oder Druckkräfte aufnehmen kann, sodass die mechanische Belastbarkeit der bekannten Sorptionsbehälter nur gering ist. Sorptionsspeicher, Wärme pumpen, Wärmetransformatoren oder ähnliche Geräte mit diesen Sorptionsbehältern sind daher empfindlich und wenig
dauerhaft. Darüber hinaus kann der bekannte Sorptionsbe hälter nicht mit Überdruck betrieben werden. Die
verwendbaren Arbeitsmedien und Einsatztemperaturen sind daher sehr begrenzt.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Sorptionsbehälter, einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransfor mator anzugeben, welcher mechanisch robust und zuverlässig ist und ein breites Einsatzspektrum aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sorptionsbe hälter gemäß Anspruch 1 und einen Sorptionsspeicher oder eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator nach Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Sorptionsbehälter mit einer flexiblen Hülle vorgeschlagen, welcher ein Innenvolumen begrenzt. Die flexible Hülle kann beispielsweise eine Folie bzw. ein Dünnblech aus einem Metall oder einer Legierung enthalten oder daraus bestehen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Hülle zumindest ein Polymer ent halten. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Hülle ein Verbundmaterial aus einem ein- oder beid seitig metallisierten Polymer bzw. aus einem Blech bzw.
einer Folie aus einem metallischen Werkstoff mit einer ein- oder beidseitigen Polymerbeschichtung sein. Ein Polymer kann mit zumindest einem Füllstoff versehen sein, welcher den Wärmedurchgangskoeffizient der flexiblen Hülle erhöht.
Die flexible Hülle kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung eine Dicke zwischen etwa 10 ym und etwa 500 ym aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke der flexiblen Hülle zwischen etwa 50 ym und etwa 250 ym betragen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Dicke der flexiblen Hülle zwischen etwa 125 ym und etwa 200 ym betragen. Die flexible Hülle kann durch Ver schweißen oder Verkleben der Randbereiche einzelner
Materiallagen hergestellt werden, sodass diese im Wesent lichen gasdicht ist und ein Innenvolumen einschließt.
Im Innenvolumen der flexiblen Hülle befindet sich zumindest ein Arbeitsmittel und zumindest ein Sorptionsmittel. Das erste Sorptionsmittel ist dazu eingerichtet, das Arbeits mittel bei Wärmezufuhr gasförmig abzugeben, beispielsweise zu desorbieren und bei Wärmeabfuhr aufzunehmen,
beispielsweise zu sorbieren. Das Arbeitsmittel kann
beispielsweise ausgewählt sein aus Wasser und/oder Ammoniak und/oder einem Alkohol. Das Sorptionsmittel kann
beispielsweise Aktivkohle und/oder zumindest ein Zeolith und/oder ein Aluminiumphosphat und/oder Silico-Aluminium- phosphat und/oder zumindest ein Molekularsieb und/oder
Metallorganische Gerüstmaterialien (metal-organic framework, MOF) und/oder Zeolitic imidazolate frameworks (ZiF) und/oder ein Salzhydrat und/oder ein Salzammoniat und/oder ein
Salzalkoholat sein.
Das Sorptionsmittel kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung so gewählt sein, dass dieses bei der Adsorption bzw. Desorption einen Umsatz x von mehr als 0,1 g oder mehr als 0,2 g Arbeitsmittel pro 1 g Sorptionsmittel ermöglicht. Zur Bestimmung des Umsatzes hat sich dabei folgendes
Vorgehen bewährt:
1.) Bestimmung der Ausgangsmasse des Sorptionsmittels nach Ausheizen und Entgasen bei einer Temperatur der Probe von mehr als 100°C für mehr als 24h unter kontinuierlichen evakuieren mit einem Restdruck von weniger als lPa.
2.) Bestimmung der Arbeitsmittelaufnahme als Isotherme
Adsorptionsmessung analog zu Section 3.1 und Section 4 ff der IUPAC Empfehlungen 1984 als volumetrische Physisorption mit folgenden zusätzlichen/angepassten Bedingungen auf das Arbeitsmittel Wasser:
a) Probentemperatur 25°C, Abweichung +/-0.2 K
b) Isotherme Adsorption im relativen Druckbereich 0.01 - 0.8 p/pO, wobei p0 dem Sättigungsdampfdruck des Arbeitsmittels bei 25°C entspricht.
3.) Der Umsatz x ergibt sich als adsorbierte Menge mads geteilt durch die Ausgangsmasse mdry nach Punkt 1 des zu untersuchenden Materials beim höchsten gemessenen relativen Druckpunkt prel (max) = p/pO:
Figure imgf000006_0001
In der Einheit g (adsorbiertes Arbeitsmittel) / g (trockenes Sorptionsmaterial) . Ergänzende Details dieses Messverfahrens finden sich im IUPAC Technical Report, Pure Appl . Chem.
2015, 87 (9-10), 1051-1069 und Pure Appl. Chem. 1986, 57 (4), 603-619.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung wird nun
vorgeschlagen, im Innenvolumen weiterhin zumindest eine Stützstruktur anzuordnen und diese mit dem erste Sorptions mittel zu versehen. Die Stützstruktur erlaubt eine
mechanische Stabilisierung des Sorptionsbehälters, sodass dieser Druckkräfte aufnehmen kann. Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Sorptionsbehälters erheblich verbessert. Die Stützstruktur kann porös sein und mit dem ersten Sorptionsmittel versehen sein. Hierzu kann das erste Sorptionsmittel festhaftend auf die Stützstruktur bzw. auf Teilflächen der Stützstruktur aufgebracht werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Sorptions mittel auch als Granulat in Hohlräumen der Stützstruktur angeordnet werden. Die Hohlräume der Stützstruktur sind als offenporige Struktur ausgebildet, sodass gasförmiges
Arbeitsmittel die Stützstruktur durchströmen und zum ersten Sorptionsmittel gelangen kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Formkörper aus dem ersten
Sorptionsmittel bestehen oder das erste Sorptionsmittel enthalten .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stütz struktur hierzu ausgewählt sein aus zumindest einem offen porigen Schaum und/oder einem Gusskörper und/oder einem Blech und/oder einem Streckgitter und/oder einem Gewebe und/oder einem Gestricke und/oder einem Abstandsgewirk und/oder einem Gelege und/oder einem Vlies und/oder einem porösen Formkörper. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die flexible Hülle an der Stützstruktur befestigt sein. Hierdurch kann der Sorptionsbehälter auch mit Überdruck betrieben werden, ohne dass die flexible Hülle wesentlich verformt wird. Auch eine Verschiebung der Sorptionsmittel innerhalb der
flexiblen Hülle des Sorptionsbehälters, beispielsweise durch Vibrationen, kann durch die Stützstruktur vermieden werden. Somit können die erfindungsgemäßen Sorptionsbehälter auch für mobile Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise zur Fahrzeugklimatisierung oder -beheizung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stütz struktur ein Metall und/oder eine Legierung und/oder eine Keramik und/oder ein Polymer und/oder Graphit und/oder
Graphen und/oder Kohlenstoff enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stütz struktur auch in unterschiedlichen Teilvolumina unter schiedliche Materialien enthalten oder daraus bestehen.
Hierdurch können Stützstrukturen mit höherer oder niedriger Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden, sodass unter schiedliche Teilvolumina des Sorptionsbehälters unter schiedlichen Zwecken dienen können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Stütz struktur eine mehrskalige Porosität aufweisen. Beispiels weise kann die Stützstruktur Öffnungen bzw. Poren mit vergleichsweise großem Querschnitt aufweisen, um große
Mengen des Arbeitsmittels rasch zu transportieren. Diese Poren mit großem Querschnitt können sich in einer oder mehreren Stufen zu Öffnungen bzw. Poren geringerem
Querschnittes verzweigen. Diese erlauben eine lokale
Weiterverteilung des gasförmigen Arbeitsmittels. Weiterhin können Öffnungen bzw. Poren mit noch geringerem Querschnitt bereitgestellt werden, in welchen flüssiges Arbeitsmittel gespeichert werden kann, beispielsweise durch Kapillar kräfte . In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Innen volumen des Sorptionsbehälters in zumindest ein erstes Teil volumen und zumindest ein zweites Teilvolumen unterteilt sein, wobei das erste Teilvolumen das erste Sorptionsmittel enthält und das zweite Teilvolumen zumindest einen Konden sator bzw. einen Verdampfer enthält. Der Kondensator bzw. Verdampfer kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung als Stützstruktur ohne anhaftendes Sorptionsmittel ausge führt sein. In diesem Fall kann die Stützstruktur eine mehrskalige Porosität aufweisen, bei welcher ein Teil der Poren flüssiges Arbeitsmittel durch Kapillarkräfte fest- halten kann. Auf diese Weise kann Arbeitsmittel in der
Stützstruktur des zweiten Teilvolumens gespeichert und durch Wärmezufuhr verdampft werden, sodass dieses nachfolgend im ersten Teilvolumen am ersten Sorptionsmittel sorbiert wird. Bei Wärmezufuhr in das erste Teilvolumen des Sorptionsbe hälters kann das Arbeitsmittel vom ersten Sorptionsmittel desorbiert und nachfolgend im zweiten Teilvolumen an der als Kondensator wirkenden Stützstruktur kondensiert und nach folgend gespeichert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Innen volumen des Sorptionsbehälters in zumindest ein erstes Teil volumen und zumindest ein zweites Teilvolumen unterteilt sein, wobei das erste Teilvolumen das erste Sorptionsmittel enthält und das zweite Teilvolumen ein zweites Sorptions mittel enthält. Das zweite Sorptionsmittel kann vom ersten Sorptionsmittel verschieden sein und beispielsweise eine Adsorption bzw. Desorption bei einer anderen Temperatur ermöglichen. Hierdurch kann der Betriebsdruck gegenüber einem Kondensator bzw. Verdampfer gesenkt werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Sorptions mittel mit dem ersten Sorptionsmittel identisch sein. Auch im zweiten Teilvolumen kann weiterhin zumindest eine Stütz struktur angeordnet sein, welche mit dem zweiten Sorptions mittel versehen ist. Die Stützstruktur kann porös sein und mit dem zweiten Sorptionsmittel versehen sein. Hierzu kann das zweite Sorptionsmittel festhaftend auf die Stützstruktur bzw. auf Teilflächen der Stützstruktur aufgebracht werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite Sorptionsmittel auch als Granulat in Hohlräumen der Stütz struktur angeordnet werden. Die Hohlräume der Stützstruktur können als offenporige Struktur ausgebildet sein, sodass gasförmiges Arbeitsmittel die Stützstruktur durchströmen und zum ersten Sorptionsmittel gelangen kann. In einigen Aus führungsformen der Erfindung kann der Formkörper aus dem zweiten Sorptionsmittel bestehen oder das zweite Sorptions mittel enthalten.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Innen volumen weiterhin zumindest ein drittes Teilvolumen auf weisen, welches mit einer optionalen Stützstruktur ausge stattet ist. Das dritte Teilvolumen kann zur räumlichen Trennung des ersten und zweiten Teilvolumens eingesetzt werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das dritte Teilvolumen zusätzlich auch eine thermische Trennung des ersten und zweiten Teilvolumens ermöglichen. Hierzu kann eine Stützstruktur mit geringerer Wärmeleitfähigkeit einge setzt werden als im ersten und zweiten Teilvolumen.
Schließlich kann das dritte Teilvolumen eine Absperrein richtung aufweisen, um den Durchtritt von Arbeitsmittel zwischen dem ersten und zweiten Teilvolumen zu steuern bzw. zu kontrollieren.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erfin dungsgemäße Sorptionsbehälter in einer Dimension eine Größe zwischen etwa 3 mm und etwa 30 mm aufweisen und in den beiden anderen Dimensionen eine Größe zwischen etwa 10 cm und etwa 200 cm oder zwischen etwa 60 cm und etwa 150 cm. Es ist darauf hinzuweisen, dass der Sorptionsbehälter in den beiden anderen Dimensionen nicht die gleiche Größe aufweisen muss. Die Grundfläche des Sorptionsbehälters muss somit nicht notwendigerweise quadratisch bzw. rechteckig sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Sorptions- behälter auch eine andere polygonale oder auch runde Form aufweisen oder auch als Freiformfläche gestaltet sein. Der Sorptionsbehälter ist aber in einigen Ausführungsformen der Erfindung vergleichsweise dünn und großflächig, sodass die zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Fläche
vergleichsweise groß ist und der Wärmetransport innerhalb des Sorptionsbehälters nurmehr über geringe Strecken
erfolgen muss.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste Teilvolumen angrenzend an eine erste Seite des Sorptionsbe hälters und das zweite Teilvolumen angrenzend an eine gegenüberliegende zweite Seite des Sorptionsbehälters angeordnet sein. Das optionale dritte Teilvolumen kann in diesem Fall in der Mitte des Sorptionsbehälters zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet sein. Diese Aus führungsform weist mehrere Vorteile auf. Beispielsweise kann die erste Seite und die zweite Seite des Sorptionsbehälters auf unterschiedlicher Temperatur gehalten werden, sodass Sorption bzw. Desorption einerseits und Kondensation bzw. Verdampfung andererseits auf gegenüberliegenden Seiten des Sorptionsbehälters erfolgen. Weiterhin kann jedes Teil volumen mit einer vergleichsweise großen Wärmeaustausch fläche an ein außerhalb des Sorptionsbehälters strömendes Wärmeübertragungsmedium angebunden werden. Schließlich kann das Arbeitsmedium großflächig und mit kurzen Diffusions längen vom ersten Teilvolumen in das zweite Teilvolumen überführt werden.
Der erfindungsgemäße Sorptionsbehälter kann in einigen
Ausführungsformen der Erfindung in einem Sorptionsspeicher eingesetzt werden, welcher Wärme speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgeben kann. Auf diese Weise kann beispielsweise Solarenergie zur nächtlichen Nutzung
bereitgestellt werden. In anderen Anwendungsfällen kann Abwärme einer Brennkraftmaschine oder eines industriellen Fertigungs- oder Reinigungsprozesses zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden, beispielsweise zur Beheizung oder zur Trocknung.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erfin dungsgemäße Sorptionsbehälter in einer Wärmepumpe eingesetzt werden. Da Adsorption bzw. Desorption einerseits und
Kondensation bzw. Verdampfung andererseits auf unter
schiedlichen Temperaturniveaus erfolgen, kann mit dem erfin dungsgemäßen Sorptionsbehälter ein thermischer Kompressor realisiert werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erfin dungsgemäße Sorptionsbehälter in einem Wärmetransformator Verwendung finden, welcher Wärme veredelt, d. h. eine bestimmte Wärmemenge ausgehend von einem niedrigeren Tempe raturniveau auf ein höheres Temperaturniveau transformiert. Auf diese Weise kann beispielsweise Abwärme, welche auf einem niedrigen Temperaturniveau von etwa 30°C bis etwa 40°C anfällt, auf ein höheres Temperaturniveau von etwa 60°C bis etwa 80°C gebracht werden, um auf diese Weise zur Beheizung, zur Brauchwassererwärmung oder zur Trocknung verwendet zu werden .
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein
Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder ein Wärmetransfor mator eine Mehrzahl von Sorptionsbehältern aufweisen, welche beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Sorptionsbehältern Fluidkanäle ausgebildet sind. Bei Betrieb werden diese Fluidkanäle von einem Wärme trägermedium durchströmt, welches dem Innenraum des
Sorptionsspeichers und damit der Stützstruktur und/oder dem Sorptionsmittel Wärme zuführt bzw. Wärme abführt. Das Wärme trägermedium kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung flüssig sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das Wärmeträgermedium gasförmig sein. In einigen
Ausführungsformen der Erfindung kann als Wärmeträgermedium Wasser, Öl, Sole, Luft oder Rauchgas verwendet werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Mehr zahl von Sorptionsbehältern in einem Sorptionsspeicher, einer Wärmepumpe oder einem Wärmetransformator so angeordnet sein, dass sich erste Teilvolumina benachbarter Sorptionsbe hälter gegenüberstehen. Dementsprechend können sich auch zweite Teilvolumina benachbarter Sorptionsbehälter gegen überstehen. Das in einem Fluidkanal strömende Wärmeträger medium gibt Wärme somit nur an erste oder nur an zweite Teilvolumina benachbarter Sorptionsbehälter ab bzw. nimmt Wärme nur aus ersten bzw. zweiten Teilvolumina auf.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fluid kanäle durch Dichtungselemente begrenzt sein. Hierdurch können unterschiedliche Teilflächen der flexiblen Hülle mit unterschiedlichen Wärmeträgermedien in Kontakt gebracht werden. Darüber hinaus wird ein unkontrollierter Austritt des Wärmeträgermediums aus den Fluidkanälen verhindert. Die Verwendung von Dichtungselementen, beispielsweise aus
Elastomeren wie Fluorkautschuk oder Ethylen-Propylen-Dien- Kautschuk wird durch die erfindungsgemäße Stützstruktur überhaupt erst ermöglicht, da auf mehrere, übereinander liegende Sorptionsbehälter eine dichtende Anpresskraft aufgebracht werden kann, ohne dass die flexible Hülle oder dass Sorptionsmittel im Innenraum verformt wird.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Fluid kanäle eine Dicke von etwa 1 mm bis etwa 4 mm aufweisen. Die Dicke wird in diesem Fall entlang des Normalenvektors der größten Ausdehnung des Fluidkanals gemessen. Solche
vergleichsweise großflächigen, aber dünnen Fluidkanäle ermöglichen einen guten Wärmeaustausch durch die Hülle des Sorptionsbehälters hinweg.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann außerhalb des dritten Teilvolumens eines Sorptionsbehälters ein
Verschlusselement angeordnet sein, welches dazu eingerichtet ist, eine Kraft auf die flexible Hülle auszuüben. Hierdurch kann die flexible Hülle in einer Teilfläche komprimiert werden, sodass das Überströmen von Arbeitsmittel durch das dritte Teilvolumen verhindert wird oder zumindest reduziert ist. Dies erlaubt eine Kontrolle des Massenstroms des
Arbeitsmittels zwischen dem ersten und dem zweiten Teil volumen des Innenraums des Sorptionsbehälters.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Sorptionsbehälter so gelagert sein, dass dieser in einer Richtung orthogonal zu seinem Normalenvektor gestaucht bzw. gedehnt werden kann. Soweit der Arbeitsdruck im Innenraum des Sorptionsbehälters niedriger ist als der Umgebungsdruck, kann durch Stauchen des Sorptionsspeichers die flexible Hülle nach innen verformt werden, sodass der Querschnitt des dritten Teilvolumens reduziert wird. Durch Dehnen des
Sorptionsspeichers entsteht in der flexiblen Hülle eine dem Außendruck entgegenwirkende Zugspannung, welche zu einer Vergrößerung des Innenquerschnitts des dritten Teilvolumens des Innenraums des Sorptionsbehälters führt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zumindest ein Sorptionsbehälter eine Durchführung aufweisen. Diese erlaubt ein Durchströmen des Sorptionsbehälters mit dem Wärmeträgermedium. Gleichwohl bleibt das Innenvolumen des Sorptionsbehälters gegenüber seiner Umgebung abgedichtet, sodass das Arbeitsmittel und/oder das Sorptionsmittel nicht austreten können.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt
Figur 1 einen Querschnitt durch einen Sorptionsbehälter in einer ersten Ausführungsform.
Figur 2 zeigt den Querschnitt durch einen Sorptionsbe hälter in einer zweiten Ausführungsform. Figur 3 zeigt den Querschnitt durch einen Sorptionsbe hälter in einer dritten Ausführungsform.
Figur 4 zeigt einen Stapel mehrerer Sorptionsbehälter als Teil einer ersten Ausführungsform eines Sorptionsspeichers, einer Wärmepumpe oder eines Wärmetransformators.
Figur 5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B durch den Stapel gemäß Figur 4.
Figur 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A durch den Stapel gemäß Figur 4.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 8 zeigt einen Schnitt durch einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Figur 9 zeigt einen Sorptionsbehälter mit einer
Absperrvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform.
Figur 10 zeigt einen Sorptionsbehälter mit einer
Absperrvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Figur 11 zeigt einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator gemäß einer vierten
Ausführungsform in der Ansicht.
Figur 12 zeigt den Sorptionsspeicher, die Wärmepumpe oder den Wärmetransformator gemäß Figur 11 im Schnitt.
Figur 13 erläutert die Wirkungsweise eines erfindungs gemäßen Wärmepumpenzyklus. Figur 1 zeigt einen Sorptionsbehälter gemäß einer ersten Ausführungsform im Schnitt. Der Sorptionsbehälter 1 enthält eine flexible Hülle 10, welche beispielsweise aus einer Folie gefertigt ist, welche ein Metall und/oder eine
Legierung und/oder ein Polymer enthält oder daraus besteht. Beispielsweise kann eine Schicht aus einem Metall oder einer Legierung mit einem Polymer einseitig oder zweiseitig beschichtet sein. Dies ermöglicht es einerseits, einen korrosiven Angriff des Arbeitsmittels und/oder des
Sorptionsmittels auf das Metall zu vermeiden oder zu
reduzieren und andererseits die flexiblen Hüllen zu ver schweißen, um auf diese Weise einen geschlossenen Körper zu erzeugen, welcher ein Innenvolumen 11 aufweist. Das Innen volumen 11 ist im Wesentlichen flüssigkeits- und gasdicht gegen die Umgebung abgedichtet. Hierzu kann im Randbereich 100 eine Schweißnaht 105 erzeugt werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Innenvolumen 11 in ein erstes Teilvolumen 111 und ein zweites Teilvolumen 112 unterteilt. Im ersten Teilvolumen 111 befindet sich eine erste Stützstruktur 31. Im zweiten Teilvolumen 112 befindet sich eine zweite Stützstruktur 32. Die Stützstrukturen 31 und 32 können beispielsweise aus einem porösen Formkörper gefertigt sein. Die Stützstrukturen können beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Metall gefertigt sein, beispielsweise als Sinterkörper oder als Schaum. Die Stütz struktur 31 im ersten Teilvolumen 111 ist mit einem ersten Sorptionsmittel 3 beschichtet. Das erste Sorptionsmittel 3 kann ausgewählt sein aus zumindest einem Zeolith, aus
Aktivkohle, einem Silikagel, einem Salzhydrat, einem
Salzammoniat oder einem Salzalkoholat . In einigen
Ausführungsformen der Erfindung können mehrere dieser
Sorptionsmittel zum Einsatz kommen. Das Sorptionsmittel ist auf der Stützstruktur 31 festhaftend an- oder eingebracht und füllt so dessen Poren bzw. Hohlräume zumindest teilweise aus . Im zweiten Teilvolumen 112 des Innenvolumens 11 ist
ebenfalls eine Stützstruktur 32 angeordnet, welche
beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung
gefertigt sein kann. Sowohl die erste Stützstruktur 31 als auch die zweite Stützstruktur 32 weisen somit eine
vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf. In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist die zweite Stützstruktur 32 nicht mit einem Sorptionsmittel beschichtet oder gefüllt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist die zweite Stützstruktur 32 mit einem zweiten Sorptionsmittel
beschichtet oder gefüllt wie vorstehend beschrieben.
Zwischen dem ersten Teilvolumen 111 und dem zweiten Teil volumen 112 befindet sich in der dargestellten Ausführungs form ein drittes Teilvolumen 113. Im dargestellten Aus führungsbeispiel ist auch das dritte Teilvolumen 113 mit einer dritten Stützstruktur 33 versehen, welche beispiels weise ein Polymer mit vergleichsweise niedriger Wärmeleit fähigkeit enthalten kann. Auf diese Weise führt das dritte Teilvolumen 113 zur räumlichen und thermischen Trennung des ersten Teilvolumens 111 vom zweiten Teilvolumen 112. Auch die dritte Stützstruktur 33 kann poren bzw. Kanäle auf weisen, so dass diese für gasförmiges und/oder flüssiges Arbeitsmittel durchlässig bleibt.
Im Sorptionsbehälter 1 befindet sich weiterhin ein
zeichnerisch nicht dargestelltes Arbeitsmittel,
beispielsweise ein Alkohol, Ammoniak oder Wasser. Bei Wärme zufuhr in das zweite Teilvolumen 112 wird das in der zweiten Stützstruktur 32 kondensierte Arbeitsmittel verdampft und strömt durch die dritte Stützstruktur 33 im dritten Teil volumen 113 in das erste Teilvolumen 111. Dort dringt es in die Poren bzw. Hohlräume der ersten Stützstruktur 31 ein und kann am ersten Sorptionsmittel 3 sorbiert werden. Hierbei wird die erste Stützstruktur 31 durch die frei werdende Sorptionswärme erwärmt. Die Wärme kann über die flexible Hülle 10 nach außen abgeführt werden. Bei Wärmezufuhr in das erste Teilvolumen 111 wird die Stütz struktur 31 und nachfolgend das erste Sorptionsmittel 3 erwärmt, sodass das Arbeitsmittel desorbiert. Das nun gasförmige Arbeitsmittel diffundiert durch das dritte Teil volumen 113 in das zweite Teilvolumen 112 und kann dort an der nunmehr als Kondensator wirkenden zweiten Stützstruktur 32 kondensieren, wobei wiederum Kondensationswärme abgegeben wird, welche über die flexible Hülle 10 abgeführt werden kann .
Wie Figur 1 weiter zeigt, befindet sich das zweite Teil volumen 112 im linken Teil des Sorptionsbehälters und das erste Teilvolumen 111 im rechten Teil, sodass bei Betrieb des Sorptionsbehälters der rechte Teil und der linke Teil des Sorptionsbehälters unterschiedliche Betriebs- bzw.
Arbeitstemperaturen aufweisen. Um unterschiedlichen Teil flächen des Sorptionsbehälters 1 gleichwohl Wärme zuzuführen bzw. Wärme abzuführen, sind benachbarte Sorptionsbehälter über Dichtungselemente 45 aufeinandergesetzt, sodass sich zwischen benachbarten Sorptionsbehältern Fluidkanäle 4 ausbilden, welche von einem Wärmeträgermedium durchströmt werden können, beispielsweise Wasser, Öl, Sole oder auch Luft oder Rauchgas. Hierzu kann die flexible Hülle 10 auf der Außenseite des Sorptionsbehälters 1 eine inerte
Beschichtung aufweisen, sodass der Sorptionsbehälter 1 von einem korrosiven Wärmeträgermedium nicht angegriffen wird.
Wie aus Figur 1 weiter ersichtlich ist, weist der Sorptions behälter 1 eine vergleichsweise geringe Höhe von etwa 3 mm bis etwa 30 mm auf. In den beiden anderen Dimensionen weist der Sorptionsbehälter eine Größe zwischen etwa 10 cm und etwa 200 cm oder zwischen etwa 60 cm und etwa 150 cm auf. Hierdurch steht eine vergleichsweise große Oberfläche zum Wärmeaustausch mit der Stützstruktur bzw. dem darauf angeordneten ersten Sorptionsmittel zur Verfügung. Die Stützstrukturen 31, 32 und 33 können zumindest abschnittsweise mit der flexiblen Hülle 10 verbunden sein, sodass die Querschnittsform im Wesentlichen unverändert bleibt, selbst wenn der Betriebsdruck des Arbeitsmittels innerhalb des Sorptionsbehälters 1 größer als der
Umgebungsdruck ist.
Anhand von Figur 2 wird eine zweite Ausführungsform eines Sorptionsbehälters erläutert. Gleiche Bestandteile der
Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist das Innenvolumen 11 des Sorptionsbehälters 1 so unterteilt, dass das erste Teil volumen 111 an eine erste Seite 101 des Sorptionsbehälters angrenzt und das zweite Teilvolumen 112 an die gegenüber liegende zweite Seite 102 des Sorptionsbehälters 1 angrenzt. Das dritte Teilvolumen 113 ist wiederum zwischen dem ersten und dem zweiten Teilvolumen 111 bzw. 112 angeordnet. Die Trennung zwischen dem ersten Teilvolumen 111 und dem zweiten Teilvolumen 112 verläuft somit in etwa in einer Ebene, welche parallel zu derjenigen Ebene verläuft, welche durch die beiden längsten Kanten des Sorptionsbehälters
aufgespannt wird. Auf diese Weise kann dem ersten Teil volumen 111 mit der ersten Stützstruktur 31 über die erste Seite 101 Wärme zu- oder abgeführt werden. Dem zweiten Teil volumen 112 mit der zweiten Stützstruktur 32 kann über die gegenüberliegende zweite Seite 102 Wärme zu- oder abgeführt werden. Somit verlaufen die Fluidkanäle 4 beidseitig des Sorptionsbehälters 1 und können mit jeweils unterschied licher Temperatur betrieben werden, ohne dass die Fluid kanäle durch Dichtungselemente 45 weiter unterteilt werden müssen. Hierdurch kann die Komplexität des Sorptionsbe hälters bzw. eines daraus aufgebauten Sorptionsspeichers, einer Wärmepumpe oder eines Wärmetransformators reduziert sein und die Leistungsfähigkeit steigen. Figur 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines erfindungs gemäßen Sorptionsbehälters. Auch in diesem Fall sind gleiche Bestandteile der Erfindung mit gleichen Bezugszeichen ver sehen. Der Sorptionsbehälter weist zwei zweite Teilvolumina 112a und 112b auf. Diese befinden sich beidseits eines ersten Teilvolumens 111 und sind jeweils durch ein drittes Teilvolumen 113a und 113b von diesem getrennt. Dieses Merk mal hat die Wirkung, dass die beiden Teilvolumina 112a und 112b die Funktionen Verdampfen und Kondensieren räumlich trennen, wohingegen die Adsorption bzw. Desorption im ersten Teilvolumen 111 an der ersten Stützstruktur 31 und dem damit verbundenen ersten Sorptionsmittel erfolgt. Die dritten Teilvolumina 113a und 113b können jeweils ein Absperrelement aufweisen, wie dieses nachfolgend anhand der Figuren 9 und 10 näher erläutert wird.
In anderen Ausführungen kann das Absperrelement passiv wirken, beispielsweise in Form einer Rückschlagklappe. Ein solches Element kann beispielsweise zumindest einem
Folienlappen enthalten, welcher bei Druckbeaufschlagung von einer Seite an eine Dichtfläche gedrückt wird und dadurch den Durchfluss reduziert oder verhindert und bei
Druckbeaufschlagung von der gegenüberliegenden Seite durch das strömende Medium von der Dichtfläche abgehoben wird.
Bei Betrieb des Sorptionsbehälters wird dem zweiten Teil volumen 112b Wärme zugeführt, um das Arbeitsmittel 7 zu verdampfen. Das gasförmige Arbeitsmittel gelangt durch das dritte Teilvolumen 113b in das erste Teilvolumen 111 und wird am ersten Sorptionsmittel sorbiert. Dabei wird Wärme frei, welche über die flexible Hülle 10 abgegeben wird. Im nächsten Arbeitsschritt wird Wärme über die flexible Hülle 10 in das erste Teilvolumen 111 zugeführt, sodass das
Arbeitsmittel aus dem ersten Sorptionsmittel ausgetrieben wird. Durch Sperren des Absperrelementes im dritten Teil volumen 113b gelangt das nun wieder gasförmige Arbeitsmittel in das untere zweite Teilvolumen 112a, wo dieses kondensiert und in flüssiger Form über die Rohrleitung 70 wiederum in das zweite Teilvolumen 112b transferiert wird. Auch die dabei freiwerdende Kondensationswärme kann über die flexible Hülle 10 abgeführt werden.
Anhand der Figuren 4, 5 und 6 wird eine erste Ausführungs form eines Sorptionsspeichers, einer Wärmepumpe oder eines Wärmetransformators 6 näher erläutert. Die Vorrichtung enthält einen Stapel von Sorptionsbehältern 1 wie vorstehend beschrieben. Exemplarisch sind vier Sorptionsbehälter la, lb, lc und ld zeichnerisch dargestellt. In anderen Aus führungsformen der Erfindung kann die Anzahl der Sorptions behälter selbstverständlich auch größer oder geringer sein. Die Erfindung lehrt nicht die Verwendung von genau vier Sorptionsbehältern als Lösungsprinzip.
Wie die beiden orthogonalen Querschnitte der Figuren 5 und 6 zeigen, werden Sorptionsbehälter gemäß der in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsform verwendet. Diese werden mittels Dichtungselementen 45 aufeinander gestapelt, sodass zwischen benachbarten Sorptionsbehältern 1 jeweils Fluid kanäle 4 mit einer Höhe von wenigen Millimetern verbleiben. Durch diese Fluidkanäle 4 strömt ein Wärmeträgermedium, welches flüssig oder gasförmig sein kann und der Stütz struktur im Inneren der Sorptionsbehälter Wärme über die flexible Hülle 10 zuführt bzw. Wärme abführt. Wie Figur 6 zeigt, sind die Fluidkanäle 4 durch die Dichtungselemente 45 unterteilt, sodass diese nicht die gesamte Fläche der
Sorptionsbehälter 1 einnehmen. Vielmehr sind die Fluidkanäle korrespondierend zum ersten Teilvolumen 111 und dem zweiten Teilvolumen 112 angeordnet, sodass Wärme kontrolliert einem bestimmten Teilvolumen zugeführt bzw. von dort abgeführt werden kann.
Der in Figur 5 dargestellte Querschnitt zeigt, dass die Sorptionsbehälter 1 nicht zwingend bis zu einer Gehäusewand 60 reichen, sodass sich zwischen der Schmalseite des Sorptionsbehälters 1 und dem Gehäuse 60 Überströmkanäle 41 ausbilden. Auf diese Weise können die Sorptionsbehälter 1 vom Wärmeträgermedium sequenziell angeströmt werden, sodass jeder Sorptionsbehälter 1 auf unterschiedlichem Temperatur niveau betrieben wird. So kann dem in Strömungsrichtung vorne liegenden Sorptionsbehälter 1 Wärme auf einem höheren Temperaturniveau zugeführt werden als den in Strömungs richtung dahinterliegenden, später angeströmten Sorptionsbe hältern. Wird das zur Wärmeabfuhr dienende Wärmeträgermedium im Gegenstrom geführt, so kann dieses zunächst Wärme auf einem niedrigeren Temperaturniveau aufnehmen. Das auf diese Weise vorgewärmte Wärmeträgermedium gelangt sodann zu einem Sorptionsbehälter, welcher auf höherem Temperaturniveau betrieben wird, sodass weitere Wärme zugeführt werden kann, bis das Wärmeträgermedium an dessen Austritt aus der
Vorrichtung 6 die maximal mögliche Temperatur erreicht hat.
Figur 7 zeigt den Querschnitt durch einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator 6 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Gleiche Bestandteile sind wiederum mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass sich die
Erfindung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die
Sorptionsbehälter zumindest teilweise Durchführungen 13 aufweisen, welche vom Wärmeträgerfluid im Fluidkanal
durchströmt werden können. Gleichwohl ist das Innenvolumen 11 der Sorptionsbehälter 1 hermetisch gegen die Fluidkanäle 4 abgeschlossen, sodass das Wärmeträgermedium nicht in die Sorptionsbehälter 1 eindringen kann. Auf diese Weise wird eine größere Flexibilität beim Design eines Sorptions speichers, einer Wärmepumpe oder eines Wärmetransformators ermöglicht. Ersichtlich ist aus Figur 7 nochmals, wie das Wärmeträgermedium über den jeweiligen Einlass 441a und 441b eintritt und über den jeweils zugeordneten Auslass 442a und 442b austritt, wobei die beiden Fluidkreisläufe für die Wärmezu- bzw. -abfuhr zum ersten und zweiten Teilvolumen 111 und 112 getrennt und im Gegenstrom geführt sind.
Figur 8 zeigt den Querschnitt durch einen Sorptionsspeicher, eine Wärmepumpe oder einen Wärmetransformator gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 6 gemäß der vierten Ausführungsform kann beispielsweise eine zylindrische Grundform aufweisen. Der in Figur 8 darge stellte Schnitt zeigt, dass die Sorptionsbehälter bzw. der Sorptionsbehälter 1 nicht eben ausgeführt ist, sondern quasi aufgewickelt wird, sodass sich spiralförmig verlaufende Fluidkanäle 4 ergeben, durch welche das Wärmeträgermedium im Gegenstrom von innen nach außen und von außen nach innen geführt werden kann. Diese Ausführungsform der Erfindung ist mechanisch robust und unempfindlich gegen Vibrationen und weist darüber hinaus eine hohe Leistungsdichte auf.
Anhand der Figur 9 wird eine erste Ausführungsform einer Absperrvorrichtung erläutert, mit welcher der Übertritt von Arbeitsmedium von einem ersten Teilvolumen 111 in das zweite Teilvolumen 112 oder umgekehrt zumindest zeitweise unter bunden oder zumindest beschränkt werden kann.
Wie aus Figur 9 ersichtlich ist, ist das erste Teilvolumen 111 durch ein drittes Teilvolumen 113 vom zweiten Teil volumen 112 getrennt. Im dritten Teilvolumen 113 befindet sich keine Stützstruktur. Eine solche Stützstruktur wie vorstehend beschrieben ist nur im ersten Teilvolumen 111 und im zweiten Teilvolumen 112 angeordnet.
Figur 9a zeigt die Absperrvorrichtung in einer geöffneten Stellung und Figur 9b zeigt die Absperrvorrichtung in einer geschlossenen Stellung. Hierzu werden die Sorptionsbehälter 1 in sich gedehnt bzw. gestaucht. Bei einer Stauchung wird die flexible Hülle 10 komprimiert, sodass sich der
Querschnitt bzw. das Volumen des dritten Teilvolumens 113 reduziert. Diese Kompression kann beispielsweise durch den herrschenden Luftdruck erfolgen, wenn der Arbeitsdruck im Inneren der Sorptionsbehälter 1 geringer ist als der
Umgebungsdruck. Dies ist der Fall, wenn das Arbeitsmittel im Sorptionsbehälter 1 einen niedrigen Arbeitsdruck erfordert, welcher unterhalb des Atmosphärendruckes liegt. Dies kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung jedoch auch dann der Fall sein, wenn sich die Sorptionsbehälter 1 in einem größeren Gehäuse 60 befinden, in welchem ein entsprechender Überdruck eingebracht ist.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die
Kompression der flexiblen Hülle 10 auch durch Federelemente erzeugt werden, beispielsweise durch Blattfedern, welche im Bereich des dritten Teilvolumens 113 von außen auf die flexible Hülle 10 einwirken.
Durch Dehnen der Sorptionsbehälter 1 wird in der flexiblen Hülle 10 eine Zugspannung erzeugt, welche der Kompression entgegenwirkt. Hierdurch wird das dritte Teilvolumen 113 bzw. dessen Querschnitt wieder vergrößert, wie anhand der Figur 9a dargestellt ist.
Anhand der Figur 10 wird eine zweite Ausführungsform eines Absperrelementes erläutert. Auch in der zweiten Ausführungs form weisen die Sorptionsbehälter 1 ein drittes Teilvolumen 113 auf, in welchem keine Stützstruktur angeordnet ist.
Zwischen benachbarten Sorptionsbehältern 1 befindet sich zumindest ein Verschlusselement 5, welches um eine Achse 50 drehbar gelagert ist. Das Verschlusselement 5 weist in zumindest einer Raumrichtung eine größere Längsausdehnung auf als in einer hierzu orthogonalen Raumrichtung. Durch Drehen des Verschlusselementes 5 kann somit der Querschnitt bzw. das Volumen des dritten Teilvolumens 113 reduziert werden. Hierdurch wird ein Überströmen des Arbeitsmittels vom zweiten Teilvolumen 112 ins erste Teilvolumen 111 oder in entgegengesetzter Richtung verhindert oder zumindest reduziert. Dies ist in Figur 10b dargestellt. Anhand der Figuren 11 und 12 wird ein viertes
Ausführungsbeispiel eines Sorptionsspeichers, einer Wärme pumpe oder eines Wärmetransformators erläutert. Die
Vorrichtung 6 gemäß der vierten Ausführungsform weist die Bauform eines an sich bekannten Plattenwärmetauschers auf. Wie bereits vorstehend im Zusammenhang mit Figur 7
erläutert, weist die Vorrichtung für die Zuführung eines Wärmeträgermediums zwei Zufuhröffnungen 441a und 441b auf. Das Wärmeträgermedium verlässt die Vorrichtung durch entsprechende Abflussöffnungen 442a und 442b. Wie im
Querschnitt gemäß Figur 12 ersichtlich ist, werden die in Figur 2 dargestellten Sorptionsbehälter gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt. Diese sind innerhalb der
Vorrichtung 6 so angeordnet, dass sich erste Teilvolumina 111 benachbarter Sorptionsbehälter 1 gegenüberstehen und erste Fluidkanäle 4b einschließen. Weiterhin befinden sich zweite Teilvolumina 112 benachbarter Sorptionsbehälter gegenüberliegend und bilden einen Fluidkanal 4a. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass das Wärmeträgermedium einer vorgebbaren Temperatur stets nur erste oder nur zweite Teilvolumina erwärmt bzw. entwärmt, sodass ungehinderte Adsorption bzw. Desorption oder Kondensation bzw.
Verdampfung ermöglicht wird.
Anhand von Figur 13 wird die Funktionsweise eines erfin dungsgemäßen Wärmepumpe nochmals erläutert. Dargestellt ist der natürliche Logarithmus des Druckes p innerhalb eines Sorptionsbehälters auf der Ordinate und der negative Kehr wert der Temperatur auf der Abszisse. Dargestellt sind weiter Linien gleicher Beladung 9 eines Sorptionsmittels mit Arbeitsmittel. Dargestellt sind exemplarisch die
Arbeitspunkte von drei seriell verschalteten Sorptionsbe hältern, welche in Figur 13 mit Modul 1, Modul 2 und Modul 3 bezeichnet sind. Wie sich aus Figur 13 ergibt, weist jeder Sorptionsbehälter nur eine geringe Temperaturspreizung im Betrieb auf. Bei serieller Verschaltung wird jedoch in jedem Sorptionsbehälter der gleiche Beladungsumsatz bei gleicher Effizienz erzielt, sodass die Summe der einzelnen Tempera turspreizungen zu einem technisch vorteilhaft nutzbaren Wert anwächst. Hierzu können in einigen Ausführungsformen der Erfindung zwischen etwa 3 und etwa 10 Sorptionsbehälter oder zwischen etwa 2 und etwa 20 Sorptionsbehälter seriell verschaltet werden. Wie anhand der vorangegangenen
Ausführungsbeispiele gezeigt ist, kann eine solche Ver schaltung nach Art eines Plattenwärmetauschers oder durch einfaches Stapeln mit zwischenliegenden Dichtungselementen 45 in einfacher Weise hergestellt werden.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die darge stellten 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" Aus-führungsformen definieren, so dient diese
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Aus führungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Claims

Ansprüche
1. Sorptionsbehälter (1) mit einer flexiblen Hülle (10), welche ein Innenvolumen (11) begrenzt, in welchem
zumindest ein Arbeitsmittel (7) und ein erstes Sorptions mittel (3) eingebracht ist, welches bei Wärmezufuhr das Arbeitsmittel (7) gasförmig freisetzt und bei Wärmeabfuhr das Arbeitsmittel bindet, wobei das Innenvolumen (11) in zumindest ein erstes Teilvolumen (111) und zumindest ein zweites Teilvolumen (112) unterteilt ist,
wobei das erste Teilvolumen (111) das erste Sorptions mittel (3) enthält und
das zweite Teilvolumen (112) entweder zumindest einen Kondensator bzw. Verdampfer oder zumindest ein zweites Sorptionsmittel enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenvolumen (11) weiterhin zumindest ein drittes Teil volumen (113) enthält.
2. Sorptionsbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Stützstruktur (31) ausgewählt ist aus zumindest einem offenporigen Schaum und/oder einem
Gusskörper und/oder einem Blech und/oder einem
Streckgitter und/oder einem Gewebe und/oder einem
Gestricke und/oder einem Abstandsgewirk und/oder einem Gelege und/oder einem Vlies und/oder einem porösen
Formkörper .
3. Sorptionsbehälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Stützstruktur (31) ein Metall und/oder eine Legierung und/oder eine Keramik und/oder ein Polymer und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Kohlenstoff enthält oder daraus besteht.
4. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (31) stoffschlüssig mit der Hülle (10) verbunden ist.
5. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (31) eine mehrskalige Porosität aufweist.
6. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das Innenvolumen (11) weiterhin zumindest eine Stützstruktur (31) enthält, welche mit dem ersten Sorptionsmittel (3) versehen ist..
7. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Teilvolumen (113) mit einer optionalen Stützstruktur (33) ausgestattet ist.
8. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass dieser in einer Dimension eine Größe zwischen etwa 3 mm und etwa 30 mm aufweist und in den beiden anderen Dimensionen eine Größe zwischen etwa 10 cm und etwa 200 cm oder zwischen etwa 60 cm und etwa 150 cm aufweist.
9. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilvolumen (111) angrenzend an eine erste Seite (101) des Sorptionsbe hälters (10) und das zweite Teilvolumen (112) angrenzend an eine zweite Seite (102) des Sorptionsbehälters (1) angeordnet ist.
10. Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel so gewählt ist, dass dieses bei der Adsorption bzw.
Desorption einen Umsatz x von mehr als 0,1 g oder mehr als 0,2 g Arbeitsmittel pro 1 g Sorptionsmittel
ermöglicht .
11. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator (6) mit zumindest einem Sorptionsbehälter nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Mehrzahl von Sorptionsbehältern (1) aufweist, welche beabstandet zueinender angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Sorptionsbehältern (1) Fluidkanäle (4) ausgebildet sind.
13. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator nach einem der Ansprüche 11 bis 12, dadurch gekennzeich net, dass die Sorptionsbehälter (1) so angeordnet sind, dass sich erste Teilvolumina (111) benachbarter
Sorptionsbehälter (1) gegenüberstehen und sich zweite Teilvolumina (112) benachbarter Sorptionsbehälter (1) gegenüberstehen .
14. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeich net, dass die Fluidkanäle (4) durch Dichtungselemente (45) begrenzt sind und/oder
dass die Fluidkanäle (4) eine Dicke von etwa 1 mm bis etwa 4 mm aufweisen.
15. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeich net, dass außerhalb des dritten Teilvolumens (113) der Sorptionsbehälter (1) ein Verschlusselement (5)
angeordnet ist, welches dazu eingerichtet ist, eine Kraft auf die flexible Hülle (10) auszuüben und/oder
dass die Sorptionsbehälter (1) so gelagert sind, dass diese in einer Richtung orthogonal zu deren Normalen vektor gestaucht bzw. gedehnt werden können.
16. Sorptionsspeicher oder Wärmepumpe oder Wärmetransformator nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeich net, dass zumindest ein Sorptionsbehälter (1) eine
Durchführung (13) aufweist.
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