' BESCHREIBUNG DER APPARATUR ZUR DURCHFÜHRUNG VON ADSORPTION,'' DESCRIPTION OF THE APPARATUS FOR IMPLEMENTING ADSORPTION,
j DESORPTION UND INNEREM WÄRMEAUSTAUSCHj DESORPTION AND INTERNAL HEAT EXCHANGE
Die Erfindung bezieht sich auf eine Apparatur zur Durchführung von Adsorption, Desorption und innerem Wärmeaustausch, insbesonderezur Verwendung in Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältema-The invention relates to an apparatus for carrying out adsorption, desorption and internal heat exchange, in particularfor use in sorption heat pumps, sorption cooling systems
schinen und Wärmetransformatoren.machines and heat transformers.
Derzeitiger Stand der Technik und Beschreibung der AufgabeCurrent state of the art and description of the task
Bei Sorptionswärmepumpen und Sorptionskältemaschinen wird bekanntermaßenein günstiges Wärmeverhältnis und damit eine gute Wirtschaftlichkeit erreicht, indem die Antriebswärme, mit der dasKältemittel zumindest teilweise ausgetrieben wird, bei möglichstι hoher Temperatur zugeführt wird. Bei Wärmetransformatoren stelltsich häufig die Aufgabe, daß die erzeugte Nutzwärme bei hoher Temperatur zur Verfugung stehen muß.In sorption heat pumps and sorption chillers, it is knowna favorable heat ratio and thus good economy is achieved by the drive heat with which theRefrigerant is at least partially driven out, at as possibleι high temperature is supplied. In the case of heat transformersoften the task that the generated useful heat must be available at a high temperature.
Arbeitsstoffsysteme, die eine flüssige Lösung bilden, sind aufvergleichsweise niedrige Temperaturbereiche beschränkt, da bei Überschreitung der zulässigen Temperaturen u. a. Probleme hinsichtlichKorrosion, der Löslichkeit des Kältemittels in der Lösung und des ansteigenden Lösungsmitteldampfdruckes auftreten.Dagegen weisen Arbeitsstoffsysteme, die eine feste Lösung bilden, diese Nachteile nicht auf. Die Lösungsmittel dieser Arbeitsstoffsystemesind häufig ebenfalls fest, und das Kältemittel kann von diesen Feststoffen adsorbiert bzw. desorbiert werden.Working substance systems that form a liquid solution are opencomparatively low temperature ranges are limited, since if the permissible temperatures are exceeded, among other things. Problems regardingCorrosion, the solubility of the refrigerant in the solution and the increasing solvent vapor pressure occur.In contrast, working substance systems that form a solid solution do not have these disadvantages. The solvents of these working systemsare often also solid, and the refrigerant can be adsorbed or desorbed by these solids.
Herkömmliche Sorptionswärmepumpen, Sorptionkältemaschinen und Wärmetranfsformatoren, die mit flüssigen Lösungen arbeiten, weiseneinen sogenannten Lösungskreislauf auf, in dem durch Pumpen im Kreis die flüssige Lösung abwechselnd zunächst im sogenanntenConventional sorption heat pumps, sorption chillers and heat exchangers that work with liquid solutions havea so-called solution cycle, in which the liquid solution alternates first in the so-called
Absorber einer Absorption (d. h. Aufnahme von Kältemitteldampf)und weiterhin im sogenannten Desorber oder Austreiber einer Desorption (d. h. Abgabe von Kältemitteldampf) unterworfen wird.Aus Gründen einer energiesparenden Betriebsweise ist es hierbei erforderlich, zwischen Absorber und Desorber einen Wärmeaustauscher(Rekuperator) derart vorzusehen, daß zwischen der stark kältemittelhaltigen Lösung und der weniger kältemitteihaitigenLösung ein Wärmeaustausch stattfinden kann.Absorber of an absorption (i.e. absorption of refrigerant vapor)and is further subjected to desorption (i.e. release of refrigerant vapor) in the so-called desorber or expeller.For reasons of energy-saving operation, it is necessary here to have a heat exchanger between the absorber and the desorber(Recuperator) to be provided in such a way that between the strongly refrigerant-containing solution and the less refrigerant-containing oneSolution heat exchange can take place.
Bei Sorptionswärmepumpe^ Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren,die mit festen Lösungen arbeiten, kann ein herkömmlicher Lösungskreislauf nicht realisiert werden. Da die Lösung festist, kann der beim herkömmlichen Lösungskreislauf zur Überwindung des Druckunterschiedes zwischen Absorber und Desorber unverzichtbarePumpvorgang einerseits und Drossel- oder Expansionsvorgang andererseits nicht durchgeführt werden. Adsorption und Desorptionmüssen demnach im gleichen Behälter stattfinden. Die Arbeitsweise von Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatorenerfordert jedoch, daß Absorption und Desorption beiWith sorption heat pumps ^ sorption chillers and heat transformers,who work with fixed solutions, a conventional solution cycle cannot be implemented. Because the solution stuckcan be indispensable in the conventional solution cycle to overcome the pressure difference between absorber and desorberPumping process on the one hand and throttling or expansion process on the other hand are not carried out. Adsorption and desorptionmust therefore take place in the same container. How sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers workhowever, requires absorption and desorption at
; 20 verschiedenen Temperaturen stattfinden. Bei flüssigen Lösungenspricht man bekanntermaßen von "Absorption" und bei festen Lösungen von "Adsorption". Wegen der Temperaturdifferenz zwischenAdsorption und Desorption muß der kombinierte Adsorptions-Desorptions-Behälter,im folgenden kurz mit "Behälter" bezeichnet,; 20 different temperatures take place. With liquid solutionsAs is well known, one speaks of "absorption" and, in the case of solid solutions, of "adsorption". Because of the temperature difference betweenAdsorption and desorption must be the combined adsorption-desorption container,hereinafter referred to as "container" for short,
abwechselnd aufgeheizt und abgekühlt werden. In technischer Hinsichtergibt sich hieraus eine diskontinuierliche, periodische•Betriebsweise.are alternately heated and cooled. In technical terms, this results in a discontinuous, periodic• operation.
Bisher sind keine Ausführungsformen von mit festen Lösungen arbeitendenSorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und/oder Wärmetransformatoren bekannt, bei denen eine zumindest quasikontinuierlicheArbeitsweise mit einem für ein großes Wärmeverhältnis notwendigen inneren Wärmeaustausch zwischen der stark kältemittelhaltigenLösung und der weniger kältemittelhaltigen Lösung derart kombiniert ist, daß die Behälter näherungsweise die gesamteDifferenz zwischen Adsorptions- und Desorptionstemperatur nurSo far there are no embodiments of working with fixed solutionsSorption heat pumps, sorption chillers and / or heat transformers are known in which an at least quasi-continuousMode of operation with an internal heat exchange between the one that contains a lot of refrigerant, which is necessary for a high heat ratioSolution and the less refrigerant-containing solution is combined in such a way that the container approximately the entireDifference between adsorption and desorption temperature only
, aufgrund dieses inneren Wärmeaustausches durchlaufen.due to this internal heat exchange.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsweise von mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinenund Wärmetransformatoren so zu verbessern, daß sie an den Anlagengrenzen zumindest quasikontinuierlich arbeiten und zusätzlichein innerer Wärmeaustausch möglich ist.The object of the invention is to determine the mode of operation of sorption heat pumps and sorption chillers that work with solid solutionsand to improve heat transformers so that they work at least quasi-continuously at the system limits and additionallyan internal heat exchange is possible.
Durch die erfindungsgemäße Apparatur werden die Vorteile der mit flüsssigen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren, nämlich ein großes Wärmeverhältnisdurch inneren Wärmeaustausch im Lösungskreislauf sowie eine zumindest quasikontinuierliche Betriebsweise vereintmit den Vorteilen der mit festen Lösungen arbeitenden Sorptionswärmepumpen, Sorptionskältemaschinen und Wärmetransformatoren,insbesondere der Möglichkeit, das oberste Temperaturniveau sehr hoch legen zu können.The apparatus according to the invention provides the advantages of the sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers working with liquid solutions, namely a high heat ratiocombined by internal heat exchange in the solution cycle and an at least quasi-continuous mode of operationwith the advantages of sorption heat pumps, sorption chillers and heat transformers working with solid solutions,especially the possibility of being able to set the uppermost temperature level very high.
Aufbau der erfindungsgemäßen ApparaturStructure of the apparatus according to the invention
Die Gesamtmenge des zum Betrieb der Apparatur benötigten festen Lösungsmittels (Sorptionsmittels) ist gleichmäßig auf mehrereBehälter, im folgenden im Uhrzeigersinn durchlaufend mit 1 bis 8 bezeichnet, verteilt (Fig. 1). Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1sind die Behälter in Form eines ebenen Kreises angeordnet, sie können jedoch auch in einer anderen räumlichen Weise angeordetsein. Die Anzahl der Behälter kann beliebig gewählt werden und ist im Ausführungsbeispiel mit acht gewählt. Sie wird bei jederAnlagenauslegung individuell angepaßt.The total amount of the solid solvent (sorbent) required to operate the apparatus is evenly distributed over severalContainer, designated in the following clockwise continuously with 1 to 8, distributed (Fig. 1). In the embodiment of FIGthe containers are arranged in the form of a flat circle, but they can also be arranged in a different spatial mannerbe. The number of containers can be chosen arbitrarily and is chosen to be eight in the exemplary embodiment. She will with everyoneSystem design individually adapted.
Die Behälter werden von einer in sich geschlossenen Kreislaufleitung9 durchzogen. In dieser Leitung, welche auch als Hilfskreislaufbezeichnet wird, zirkuliert ständig ein Wärmeträgerme-The containers are controlled by a closed circuit line9 streaked. In this line, which is also used as an auxiliary circuitis referred to, a heat transfer medium is constantly circulating
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1' dium. Die Behälter und insbesondere die Füllung mit Lösungsmittelbzw. Lösung stehen über die Rohrwandung mit dem Wärmeträgermedium in wärmeleitendem Kontakt. Innerhalb der Behälter kann das Rohrmit Rippen oder ähnlichen Vorrichtungen versehen sein. Es können den Wärmeübergang begünstigende Vorkehrungen getroffen sein, wiez. B. Führung in Spiralen, Aufteilung in mehrere parallel geschaltete Stränge u. ä.. Zur Bewegung des Wärmeträgermediumskönnen beispielsweise Pumpen 10 vorgesehen sein.1 'dium. The containers and especially the filling with solventor solution are in thermally conductive contact with the heat transfer medium via the pipe wall. The tube can be inside the containerbe provided with ribs or similar devices. Precautions can be taken to promote heat transfer, such asz. B. Guiding in spirals, division into several parallel strands, etc. For moving the heat transfer mediumFor example, pumps 10 can be provided.
Durch das zirkulierende Wärmeträgermedium wird, wie weiter unten genauer ausgeführt wird, in der Behälteranordnung ein umlaufendesTemperaturprofil derart erzeugt, daß die Behälter, untereinander zeitlich verschoben, jede Temperatur von der minimalen bis zurmaximalen annehmen. Da das Lösungsmittel bzw. die Lösung in jedem Behälter diese zyklischen Temperaturschwankungen nachvollzieht,kann (beispielsweise bei Anordnung dieser Apparatur als Bestandteil einer Wärmepumpe oder Kältemaschine) der Behälter, der momentangerade die höchste Temperatur aufweist, bei hohem Druck Kältemittel desorbieren und derjenige Behälter mit der augenblikklich niedrigsten Temperatur bei niedrigem Druck Kältemittel adsorbieren. Beim Betrieb als Bestandteil eines Wärmetransformatorserfolgt die Adsorption bei hohem Druck und hoher Temperatur und die Desorption bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur.As will be explained in more detail below, the circulating heat transfer medium creates a circulating one in the container arrangementTemperature profile generated in such a way that the containers, shifted in time, each temperature from the minimum to theassume maximum. Since the solvent or the solution in each container reproduces these cyclical temperature fluctuations,can (for example, when this apparatus is arranged as part of a heat pump or refrigeration machine) the container that is currentlyhas the highest temperature, desorb refrigerant at high pressure and the container with the augenblikklI adsorb refrigerant at lowest temperature at low pressure. When operated as part of a heat transformeradsorption occurs at high pressure and high temperature and desorption occurs at low pressure and low temperature.
Zum Zu- bzw. Abführen des ad- bzw. desorbierten KältemittelsFor supplying or removing the adsorbed or desorbed refrigerant
können Absperrarmaturen 11 vorgesehen sein, die in je eine gemeinsameHochdruckleitung 13 bzw. Niederdruckleitung 14 münden. Die bei der Ad- bzw. Desorption erforderliche Ab- bzw. Zufuhr vonWärme kann beispielsweise über zusätzliche Wärmetauschereinrichtungen12 erfolgen. Diese werden vorzugsweise zum Zeitpunkt der Ad- bzw. Desorption aktiviert. Der Wärmeaustausch beim Durchlaufender Temperaturdifferenz zwischen Adsorption und Desorption erfolgt überwiegend zwischen den Behältern und dem Kreislauf 9.Shut-off valves 11 can be provided, each in a commonHigh pressure line 13 or low pressure line 14 open. The removal or supply of required for the adsorption or desorptionHeat can, for example, via additional heat exchanger devices12 take place. These are preferably activated at the time of adsorption or desorption. The heat exchange when passing throughthe temperature difference between adsorption and desorption occurs mainly between the containers and the circuit 9.
; 1- Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Apparatur; 1- Operation of the apparatus according to the invention
Die Beschreibung der Arbeitsweise erfolgt anhand der Verwendung 5 als Bestandteil einer Wärmepumpe oder einer Kältemaschine. BeimEinsatz in einem Wärmetransformator erfolgen Adsorption und Desorption sinngemäß vertauscht.The description of the mode of operation is based on the use 5 as part of a heat pump or a refrigeration machine. At theWhen used in a heat transformer, adsorption and desorption are mutually reversed.
In der graphischen Darstellung der Fig. 2 ist die Temperatur radial vom Mittelpunkt der Figuren aus aufgetragen. Die Länge derin Fig. 2 eingezeichneten, radial nach außen zeigenden Pfeile steht dabei mit den widerzugebenden Temperaturen derart in Zusammenhang,daß ein fehlender Pfeil (Länge Null, Kreismittelpunkt) der niedrigsten auftretenden Temperatur entspricht undein am Kreisbogen anliegender Pfeil (maximale Länge) der höchsten Temperatur. Im übrigen ist dieser Zusammenhang linear.In the graph of FIG. 2, the temperature is plotted radially from the center of the figures. The length of theArrows pointing radially outward shown in FIG. 2 are related to the temperatures to be displayed in such a way thatthat a missing arrow (length zero, circle center) corresponds to the lowest occurring temperature andan arrow attached to the arc (maximum length) of the highest temperature. Otherwise this relationship is linear.
ι Die Betrachtung beginnt zu einem Zeitpunkt, in dem die in Fig. 2aj gezeigte Temperaturverteilung vorliegt: Der Behälter Nr. 1 hatdie höchste Temperatur, die Desorptionstemperatur, und der BehälterNr. 5 hat die niedrigste Temperatur, die Adsorptionstemperatur. Nach einem bestimmten Zeitraum ist durch die Wirkung des imUhrzeigersinn umlaufenden Wärmeträgermediums das Maximum der Temperaturverteilung zum Behälter Nr. 2 hin gewandert (Fig. 2a1).The consideration begins at a point in time at which the in Fig. 2aj is the temperature distribution shown: The container no. 1 hasthe highest temperature, the desorption temperature, and the containerNo. 5 has the lowest temperature, the adsorption temperature. After a certain period of time, the effect of the imClockwise circulating heat transfer medium, the maximum of the temperature distribution to container no. 2 migrated (Fig. 2a1).
Hierbei stehen die "Umlaufgeschwindigkeit" des Temperaturprofilesund die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in keinem einfachen, direkten Zusammenhang. Vielmehr hängt die "Umlaufgeschwindigkeit"des Temperaturprofiles außer von der Strömungsgeschwindigkeitdes Wärmeträgermediums u. a. noch von den thermischen Vorgängen bei der Adsorption und Desorption und den Wärmekapazitätender Behälter ab.Here are the "speed of rotation" of the temperature profileand the flow rate of the heat transfer medium in no simple, direct relationship. Rather, the "speed of rotation" dependsof the temperature profile except for the flow velocityof the heat transfer medium, etc. nor of the thermal processes in adsorption and desorption and the heat capacitiesthe container off.
Da die Wärmeübertragung zwischen den Behältern und dem Wärmeträgermediumnicht reversibel verläuft, erreicht der Behälter Nr. 2 nicht ganz die Desorptionstemperatur. Er muß daher nachgeheiztBecause the heat transfer between the containers and the heat transfer mediumis not reversible, container no. 2 does not quite reach the desorption temperature. It must therefore be reheated
werden, beispielsweise mit Hilfe der in Fig. 1 gezeigten Wärmetauschereinrichtungen12. Auf diesem Wege kann auch zumindest teilweise die für die eigentliche Desorption erforderliche Wärmezugeführt werden. Während dieses Vorganges ist das Minimum der Temperaturverteilung vom Behälter Nr. 5 zum Behälter Nr. 6 gewandert.Wegen der vorhandenen Irreversibilitäten wurde dieser Behälter jedoch nicht ganz bis zur Adsorptionstemperatur abgekühlt.Er muß daher nachgekühlt werden. Außerdem ist die latente Adsorp-, for example with the aid of the heat exchanger devices shown in FIG. 112. In this way, at least some of the heat required for the actual desorption can also be usedare fed. During this process, the minimum temperature distribution has moved from container no. 5 to container no. 6.However, because of the existing irreversibilities, this container was not cooled down completely to the adsorption temperature.It must therefore be re-cooled. In addition, the latent adsorption
! tionswärme abzuführen. Dies kann wiederum über die Wärmetauscher-! dissipate tion heat. This can in turn via the heat exchanger
Π0 einrichtungen 12 in Fig. 1 erfolgen. Die resultierende Temperaturverteilungzeigt Fig. 2b. Sie ist identisch mit der um 1/8 Umdrehung "weitergedrehten" Temperaturverteilung von Fig. 2a.Π0 facilities 12 in Fig. 1 take place. The resulting temperature distributionFig. 2b shows. It is identical to the temperature distribution "rotated further" by 1/8 of a turn in FIG. 2a.
: Durch Wiederholung des beschriebenen Vorganges entsteht die inFig. 2c gezeigte Temperaturverteilung. Aufgrund der fortlaufenden Wiederholung dieses Vorganges existiert eine ständig rotierendeTemperaturverteilung. Jeder Behälter für sich betrachtet unterliegtdabei periodisch wiederkehrenden Temperaturschwankungen derart, daß er gleitend alle Temperaturstufen zwischen der Ad-: By repeating the process described, the inFig. 2c shown temperature distribution. Due to the continuous repetition of this process, there is a constantly rotating oneTemperature distribution. Each container is subject toperiodically recurring temperature fluctuations in such a way that all temperature levels between the ad-
j sorptions- und der Desorptionstemperatur durchläuft.j sorption and desorption temperature runs through.
Durch den Wärmeträger-Hilfskreislauf wird also ein gerichteterinnerer Wärmeaustausch bewerkstelligt. Das bedeutet, daß diefür die gerade aufzuheizenden Behälter benötigte Wärme aus den ι gerade abzukühlenden Behältern freigestzt wird. Durch diese Wärmerückgewinnunginnerhalb der Apparatur, kurz mit "innerer Wärmerückgewinnung" bezeichnet, wird das Wärmeverhältnis der Gesamtanlagewesentlich gesteigert.The auxiliary heat transfer circuit thus becomes a directedinternal heat exchange accomplished. That means that theheat required for the container to be heated up is released from the containers to be cooled down. Through this heat recoveryinside the apparatus, called "internal heat recovery" for short, is the heat ratio of the entire systemsignificantly increased.
; Weiterhin wird aufgrund der Tatsache, daß die ad- bzw. desorbierendenBehälter ständig wechseln, im eigenlichen Kältekreislauf insbesondere also im Kondensator und im Verdampfer der Sorptionswärmepumpe,der Sorptionskältemaschine oder des Wärmetransformators, in die bzw. in den die Apparatur integriert ist - einzumindest quasi kontinuierlicher Betrieb erreicht. Die zeitlichen Schwankungen im eigentlichen Kältekreislauf sind dabei umso geringer,je größer die Anzahl der Behälter ist.; Furthermore, due to the fact that the adsorbing or desorbingConstantly changing the container, in the own cooling circuit, in particular in the condenser and the evaporator of the sorption heat pump,the sorption chiller or the heat transformer in which the apparatus is integrated - aat least quasi-continuous operation achieved. The temporal fluctuations in the actual refrigeration cycle are all the smaller,the greater the number of containers.
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