Die Erfindung betrifft ein wirksames Adsorptionskühlsystem,
das die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge eines Kühlmittels
mit Hilfe eines Feststoff-Adsorptionsmittels ausnützt, um
einen Kühlvorgang oder Wärmepumpenbetrieb durchzuführen.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Adsorptionskühlsystem,
das betrieben wird, indem ein Wärmeübertragungsmedium zum
Erhitzen eines Adsorptionsmittels, etc., das in einer
ersten Adsorptionssäule unmittelbar vor dem Übergang von
der Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe zurückgeblieben
ist, in eine zweite Adsorptionssäule unmittelbar vor dem
Übertritt in die Desorptionsstufe überführt wird, um dadurch
das Adsorptionsmittel aufzuheizen, um dadurch die Restwärme
auszunützen und den Systemwirkungsgrad zu verbessern.
Adsorptionskältemaschinen, die Adsorptions- und
Desorptionsvorgänge eines Kühlmittels mittels eines
Feststoff-Adsorptionsmittels ausnützen, um kalte Wärme
zu erzeugen oder um einen Wärmepumpenbetrieb durchzuführen,
sind bekannt und insofern vorteilhaft, als niedriggradige
Wärmequellen (beispielsweise Warmwasser in der
Nachbarschaft von 85°C), wie etwa Warmwasser aus
Sonnenkollektoren etc., oder Abwärme aus Anlagen wirksam
genutzt werden kann und als jede der Kälteanlagen aus einer
geringeren Anzahl beweglicher Bauelemente, wie beispielsweise
Pumpen, besteht, was bezüglich der Vorrichtungskosten
wirtschaftlicher ist (und die Betriebsgeräusche im
Vergleich mit Kompressor-Kälteanlagen geringer sind).
Bei einer bekannten Adsorptionskälteanlage dieser Bauart
sind zwei Sätze von Adsorptionssäulen, die ein
Feststoff-Adsorptionsmittel, wie beispielsweise Silicagel,
Zeolit, aktivierte Holzkohle, aktiviertes Aluminiumoxid,
etc., aufnehmen, parallel zueinander installiert und in
ein System eingebunden, so dass ein Wärmeübertragungsmedium
zum Erhitzen des Adsorptionsmittels und Kühlwasser
abwechselnd den beiden Adsorptionssäulen zugeführt werden
können, um Adsorptions- und Desorptionsstufen wiederholt
durchzuführen, wodurch kontinuierlich eine Kühlleistungsabgabe
erhalten werden kann. Beispielsweise beschreibt die US-PS
46 10 148 ein in diese Gruppe fallendes Wärmepumpensystem.
Bei einem derartigen Adsorptionskühlsystem wird jedoch,
wenn Adsorption und Desorption umgeschaltet werden, Warmwasser,
das innerhalb der einen Adsorptionssäule zurückgeblieben
ist, die gerade die Desorptionsstufe beendet hat, durch
Kühlwasser zur Umschaltung der Säule zur Adsorptionsstufe
herausgedrückt und an einen Kühlwassergenerator, wie
beispielsweise einen Kühlturm, abgegeben, für welchen ein
gegenüber Wärme empfindliches Füllmaterial verwendet wird,
beispielsweise starres Polyvinylchlorid. Infolgedessen wird
das dem warmen Wasser ausgesetzte Füllmaterial frühzeitig
abgebaut und die gesamte Warmwassermenge in der für die
Desorption verwendete Adsorptionssäule wird ohne
Wärmerückgewinnung abgelassen, was einen beträchtlichen
Wärmeverlust verursacht und im Hinblick auf diesen Verlust
zu einer Verringerung des Systemwirkungsgrades führt.
Ferner sind Adsorptionskälteanlagen einer Bauart bekannt,
bei welcher der Verdampfer vollständig mit einem
Arbeitsfluid gefüllt ist, in das Wärmeübertragungsrohre
vollständig eingetaucht sind, beispielsweise aus der
japanischen Patentveröffentlichung A1 60-11 072 (1985), der
japanischen Patentveröffentlichung A1 57-80 158 (1982) etc.
In diesem Falle wirkt jedoch der Druck des Arbeitsfluids
immer auf die Aussenflächen der Wärmeübertragungsrohre
und infolgedessen tritt ein Sieden an den Oberflächen mit
Schwierigkeit auf und es konnte kein ausreichender
Systemwirkungsgrad erzielt werden.
Um diese Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der
Technik zu überwinden, liegt der Erfindung die Hauptaufgabe
zugrunde, ein Adsorptionskühlsystem zu schaffen, das ohne
Wärmeverlust mit einem guten Systemwirkungsgrad arbeitet.
Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Adsorptionskühlsystem zu schaffen, das derart betrieben
wird, dass ein Füllmaterial eines Kühlwassergenerators
geschützt ist.
Schliesslich liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Adsorptionskühlsystem zu liefern, bei dem der
Kühlwirkungsgrad eines Verdampfers verbessert ist.
Gemäss einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum
Betrieb eines Adsorptionskühlsystems zur Verfügung gestellt,
das eine Anzahl Adsorptionssäulen mit einem darin angebrachten
Festkörper-Adsorptionsmittel und Wärmeübertragungsrohren
umfasst, sowie ein Kühlmittel aufnimmt und geschlossen ist,
sowie einen Verdampfer, einen Kondensator und Rohrleitungen,
die die Adsorptionssäulen mit dem Verdampfer und dem
Kondensator verbinden, so dass das Kühlmittel umgewälzt
werden kann; erfindungsgemäss werden aufeinanderfolgende
Adsorptions- und Desorptionsvorgänge abwechselnd zwischen
mindestens einer der Adsorptionssäulen und den anderen
vorgenommen, um kontinuierlich eine Kühlleistungsabgabe
in solcher Weise zu erzeugen, dass ein Heizmedium zum
Erhitzen des Adsorptionsmittels und ein Kühlmittel wechselnd
durch die Wärmeübertragungsrohre einer jeden Adsorptionssäule,
abhängig von der Adsorptionsstufe und Desorptionsstufe
geschickt werden, wobei, wenn die Adsorptionsstufe und die
Desorptionsstufe umgekehrt werden, der gesamte Betrag der
Restwärme (vom Heizmedium, Adsorptionsmittel,
Wärmeübertragungsrohren etc.), der in einer ersten
Adsorptionssäule unmittelbar vor der Umschaltung von der
Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe auf Wärmeübertragungsrohre
einer zweiten Adsorptionssäule unmittelbar vor dem Eintritt
in die Desorptionsstufe übertragen wird, um das dort
befindliche Adsorptionsmittel vorzuheizen, womit ein
Wärmemengenverlust vermieden wird, und, nach Beendigung
des Vorheizens, das Heizmedium zu einer Wärmequellenseite
zurückgeführt wird, um dadurch seinen Verlustanteil so
gering wie möglich zu halten, der an einen Kühlwassergenerator,
wie beispielsweise einen Kühlturm, abgeführt wird.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabenstellung ist
das erfindungsgemässe Verfahren dadurch gekennzeichnet,
dass abwechselnd die Adsorptionsstufe und die
Desorptionsstufe in solcher Weise umgeschaltet werden, dass
sich mindestens eine der Ädsorptionssäulen und die andere
Adsorptionssäule bzw. die anderen Adsorptionssäulen in
einer relativ zueinander unterschiedlichen Stufe befinden,
und dass ein Wärmeübertragungsmedium auf einer
Wärmequellenseite zum Erhitzen des Adsorptionsmittels und
ein Kühlmittel wechselnd durch die einen Wärmeübertragungsrohre
der einen Adsorptionssäule bzw. der einen Adsorptionssäulen
und durch die anderen Wärmeübertragungsrohre der anderen
Adsorptionssäule bzw. der anderen Adsorptionssäulen,
abhängig von der Desorptionsstufe und Adsorptionsstufe,
geschickt werden, dass zum Zeitpunkt, wenn die gesamte,
in der einen Adsorptionssäule bzw. in den einen
Adsorptionssäulen unmittelbar vor der Umschaltung von der
Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe verbliebene
Wärmemenge zu den anderen Wärmeübertragungsrohren der
anderen Adsorptionssäule bzw. der anderen Adsorptionssäulen
unmittelbar vor Umschaltung von der Adsorptionsstufe
zur Desorptionsstufe überführt wird, womit das
Adsorptionsmittel durch die Restwärme vorerhitzt wird,
die Umschaltung der Desorptionsstufe und der
Adsorptionsstufe in die jeweilige umgekehrte Stufe erfolgt,
und umgekehrt wodurch ein Kühlvorgang kontinuierlich
durchgeführt wird.
Das erfindungsgemässe Adsorptionskühlsystem ist
gekennzeichnet durch eine Anzahl Adsorptionssäulen, wovon
jede ein Feststoff-Adsorptionsmittel und Wärmeübertragungsrohre
aufnimmt, sowie ein Kühlmittel und verschlossen ist, einen
Verdampfer, einen Kondensator, sowie Rohrleitungen, die die
Adsorptionssäulen mit dem Verdampfer und dem Kondensator
verbinden, die Rohrleitungen mit Ventilen ausgestattet
sind, die eine Umwälzung des Kühlmittels durch die
Adsorptionssäulen gestatten, jedes Ventil eine zur Steuerung
dienende Tragachse in einer exzentrischen Lage des Ventils
aufweist, sowie eine Ventileinrichtung, die unterschiedliche
Flächen an ihren beiden Seiten aufweist und in der Lage ist,
sich mittels eines Innendruckunterschiedes zwischen dem
Verdampfer und der einen Adsorptionssäule bzw. der einen
Adsorptionssäulen und dem Kondensator und der anderen Säule
bzw. der anderen Säulen, sowie mittels der Antriebskraft
der Tragachse zu öffnen und zu schliessen, und die
Adsorptionssäulen abwechselnd zwischen der Adsorptionsstufe
und der Desorptionsstufe umgeschaltet werden können, so
dass mindestens eine der Adsorptionssäulen und die andere
Adsorptionssäule bzw. die anderen Adsorptionssäulen sich in
relativ zueinander umgekehrten Stufen befinden können, wodurch
der Kühlvorgang durchgeführt wird.
Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein
Adsorptionskühlsystem zur Verfügung gestellt, das
gekennzeichnet ist durch eine Anzahl Adsorptionssäulen, die
jeweils ein Festkörper-Adsorptionsmittel und
Wärmeübertragungsrohre aufnehmen und mit einem Kühlmittel
verschlossen sind, einen Verdampfer, einen Kondensator
und Rohrleitungen, die die Mäntel der Adsorptionssäulen
mit dem Kondensator und dem Verdampfer verbinden, wobei
die Rohrleitungen in der Mitte mit Ventilen ausgestattet
sind, die es dem Kühlmittel gestatten, durch die
Adsorptionssäulen zu zirkulieren, und die Ventile sich
aufgrund des Innendruckunterschiedes zwischen der
Verdampferseite und der Kondensatorseite öffnen oder
schliessen können, so dass die Adsorptionsstufe und die
Desorptionsstufe abwechselnd zwischen der einen
Adsorptionssäule bzw. den einen Adsorptionssäulen, und der
anderen Säule bzw. den anderen Säulen ohne Wärmeverlust
zwecks Durchführung eines kontinuierlichen Kühlbetriebes
umgetauscht werden.
Bei dem vorausgehend beschriebenen Adsorptionskühlsystem
ist vorzugsweise der Verdampfer derart aufgebaut, dass
eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre, durch die das
Wärmeübertragungsmedium hindurchtritt, horizontal in einer
Mehrfach-Stufenanordnung in deren Behälter aufgenommen
werden, Verdampferschalen, die Kühlmittelflüssigkeit
enthalten, jeweils horizontal unter jeder Stufe der
Wärmeübertragungsrohre angeordnet sind, und Überlaufrohre
aufrecht am Boden einer jeden Verdampferschale vorgesehen
sind, die dazu dienen, den Flüssigkeitsspiegel einzustellen,
so dass die Wärmeübertragungsrohre immer teilweise in die
Flüssigkeit eintauchen und überschüssige Flüssigkeit
ihrerseits zu veranlassen, von selbst nach unten zur
nächsten unteren Verdampferschalenstufe zu fliessen. Durch
diesen Aufbau ist ein lebhaftes Sieden des Kühlmittels
gewährleistet und infolgedessen wird der Kühlwirkungsgrad
des Verdampfers erhöht.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 bis 5 jeweils eine schematische
Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines
Adsorptionskühlsystems, bei
welchem das erfindungsgemässe
Betriebsverfahren anwendbar
ist;
Fig. 6 eine seitliche
Querschnittsdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines
Drosselklappenventils, das für
das erfindungsgemässe
Adsorptionskühlsystem verwendbar
ist;
Fig. 7 eine seitliche
Querschnittsdarstellung eines
Ausführungsbeispiels eines
Verdampfers, der für das
erfindungsgemässe
Adsorptionskühlsystem verwendbar
ist; und
Fig. 8 eine vergrösserte
Querschnittsdarstellung längs
der Linie A-A der Fig. 7.
Die Erfindung wird anschliessend näher beschrieben.
Das Adsorptionskühlsystem gemäss den Fig. 1 bis 5, bei
welchem die Erfindung anwendbar ist, umfasst eine Anzahl
Adsorptionssäulen (11, 11′), wovon jede ein
Festkörper-Adsorptionsmittel (S) und Wärmeübertragungsrohre
(13, 13′) aufnimmt, einen Kondensator (14), einen Verdampfer
(17) und Leitungen (16, 16′, 20, 20′), die die Mantelgehäuse
(12, 12′) der Adsorptionssäulen (11, 11′) über Ventile (15,
15′, 19, 19′), die eine Umwälzung eines Kühlmittels
gestatten, mit dem Kondensator (14) und dem Verdampfer (17)
verbinden.
Das System wird derart betrieben, dass die Adsorptionssäulen
(11, 11′, ...) derart eingesetzt werden, dass mindestens
eine von ihnen sich in einer relativ zu den übrigen
unterschiedlichen Stufen befindet; ein Wärmeübertragungsmedium
zum Aufheizen des Adsorptionsmittels etc., das in den
Wärmeübertragungsrohren (13′) der Adsorptionssäule (11′)
unmittelbar vor Umschaltung von der Desorptionsstufe
zur Adsorptionsstufe verblieben ist, wird zu den
Wärmeübertragungsrohren (13) der Adsorptionssäule (11)
unmittelbar vor Umschaltung von der Adsorptionsstufe zur
Desorptionsstufe überführt, um das Adsorptionsmittel (S)
aufzuheizen, und zu dem Zeitpunkt die Gesamtmenge des
restlichen Wärmeübertragungsmediums durch die
Wärmeübertragungsrohre (13) hindurchgetreten und das
Vorheizen beendet ist, werden die Adsorptionssäulen (11,
11′) umgeschaltet, d.h. die eine Adsorptionssäule (11) wird
zur Desorptionsstufe umgeschaltet, während die andere
Adsorptionssäule (11′) zur Adsorptionsstufe umgeschaltet
wird, wodurch ein Adsorptions- und Desorptionszyklus wiederholt
wird.
Im Einklang mit dem erfindungsgemässen System wird kurz
vor dem Umschalten der einen Adsorptionssäule (11′) von der
Desorptionsstufe zur Adsorptionsstufe das
Wärmeübertragungsmedium zum Aufheizen des Adsorptionsmittels
(S), das innerhalb der Wärmeübertragungsrohre (13′) der
Adsorptionssäule (11′) verblieben ist, zu den
Wärmeübertragungsrohren (13) der anderen Adsorptionssäule
(11) überführt, gerade bevor diese von der
Adsorptionsstufe in die Desorptionsstufe gelangt, um das
Festkörper-Adsorptionsmittel (S) vorzuheizen und anschliessend
wird der Strömungsweg umgekehrt, um das
Wärmeübertragungsmedium zuzuführen; nachdem die
Adsorptionssäule (11) in die Desorptionsstufe gelangt, wird
im wesentlichen die gesamte Menge des Wärmeübertragungsmediums,
das das Festkörper-Adsorptionsmittel vorgeheizt hat, zur
Wärmequellenseite zurückgeführt, ohne dass es zu einem
Kühlturm gelangt. Infolgedessen wird ein Wärmeverlust
beträchtlich verringert und die Menge des
Wärmeübertragungsmittels, das zu einem Kühlwassergenerator,
wie beispielsweise einen Kühlturm, fliesst, wird auf ein
Minimum gebracht, so dass ein innerhalb des
Kühlwassergenerators befindliches Füllmaterial geschützt
werden kann.
Der Verdampfer (17) umfasst vorzugsweise, wie in den Fig. 7
und 8 dargestellt ist, eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre zum
Durchfluss des Wärmeübertragungsmediums, die horizontal in
einer Mehrfach-Stufenanordnung innerhalb seines Behälters
(17 a) angeordnet sind, flache Verdampferschalen (40) zum
Halten und Speichern einer Kühlmittelflüssigkeit, die
unterhalb jeder Stufe der Wärmeübertragungsrohre (22)
angeordnet sind, und Überlaufleitungen (41), die vertikal
am Boden einer jeden Verdampferschale (40) liegen und
dazu dienen, den Flüssigkeitsspiegel einzustellen, so
dass die Wärmeübertragungsrohre immer teilweise in die
Flüssigkeit eintauchen und überschüssige Flüssigkeit
veranlasst wird, von selbst zur nächsten Stufe der
Verdampferschale (40) herabzufliessen.
Bei dem mit dem vorausgehend aufgeführten Verdampfer (17)
ausgestatteten Kühlsystem sind, wenn eine
Kühlmittelflüssigkeit vom Kondensator (14) in die oberste
Stufe der Verdampferschale (40) im Gehäuse (17 a) des
Verdampfers (17) strömt, die Wärmeübertragungsrohre (22)
in der obersten Verdampferschale an ihren unteren Abschnitten
in die Flüssigkeit in einer erforderlichen Tiefe eingetaucht,
wobei überschüssige Kühlmittelflüssigkeit ihrerseits durch
die Überlaufrohre (41) zu den unteren Stufen der
Verdampferschalen (41) fliesst, bis die unterste
Verdampferschale (40) mit Flüssigkeit gefüllt ist. Zu diesem
Zeitpunkt hat der Flüssigkeitsspiegel in allen
Verdampferschalen die erforderliche Tiefe erreicht, und
entsprechend sind die jeweiligen Wärmeübertragungsrohre
(22) in ihren unteren Abschnitten in die Flüssigkeit in
einem gleichen Flüssigkeitspegel eingetaucht. Anschliessend
werden die Mantelgehäuse (12, 12′) der Adsorptionssäule
(11, 11′) und der Behälter (17 a) des Verdampfers (17)
miteinander in Verbindung gebracht und das Adsorptionsmittel
(S) in der Adsorptionssäule (11, 1′) wird dabei gekühlt, um
den Adsorptionsvorgang durchzuführen. Gleichzeitig tritt,
wenn ein Heizmedium auf einer Anwendungsseite durch die
Wärmeübertragungsrohre (22) im Verdampfer (17) strömt,
ein lebhaftes Sieden an den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre (22) auf, mit welchem die
Kühlmittelflüssigkeit (L) in Berührung steht und Kühlmittelspritzer
werden an den freiliegenden Abschnitten der
Wärmeübertragungsrohre (22) in einem dünnen Filmzustand
aufgebracht. Der aufgebrachte Flüssigkeitsfilm wird auf
den Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre (22) verdampft,
um latente Wärme zur Verdampfung derselben zu entziehen,
wodurch das durch die Wärmeübertragungsrohre (22) strömende
Heizmedium wirksam gekühlt wird.
Das vorausgehend beschriebene Adsorptionskühlsystem und
ein Verfahren zum Betrieb desselben werden anschliessend
unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
In diesen Figuren werden Strömungswege, durch welche ein
Wärmeübertragungsmedium oder ein Kühlmittel fliesst, bzw.
nicht fliesst, jeweils in voll ausgezogenen oder
gestrichelten Linien dargestellt.
Die erste und zweite Adsorptionssäule (11, 11′) nehmen
mit Rippen versehene Rohre (13, 13′) in ihren
Vakuum-Mantelgehäusen (12, 12′) auf, und diese Rohre haben
ein Festkörper-Adsorptionsmittel (S), wie beispielsweise
Silicagel, Zeolit, aktivierte Holzkohle, aktiviertes
Aluminiumoxid etc., in den feinen Zwischenräumen der Rohre
angeordnet. Durch die mit Rippen versehenen Rohre (13, 13′)
werden abwechselnd ein Warmwasser, das von einer
niedriggradigen Wärmequelle, wie beispielsweise
Sonnenkollektoren, Abwärme von Anlagen, etc., über einen
Wärmetauscher oder unmittelbar und ein Kühlwasser, das
in einem Kühlwassergenerator, beispielsweise einem Kühlturm
erzeugt wird, hindurchgeleitet.
Der Kondensator (14) ist über die Leitungen (16, 16′), die
mit Ventilen (15, 15′) ausgestattet sind, an die
Mantelgehäuse (12, 12′) der Adsorptionssäulen (11, 11′)
angeschlossen.
Der Verdampfer (17) ist über eine als Abzug ausgebildete
Rohrleitung (18) an dem Boden eines Kondensatorgehäuses
(14 a) angeschlossen. Das Gehäuse (17 a) des Verdampfers und
das Vakuum-Mantelgehäuse (12) der ersten Adsorptionssäule
(11) und das Vakuum-Mantelgehäuse (12′) der zweiten
Adsorptionssäule (11′) sind jeweils miteinander über die
Leitungen (20, 20′) verbunden, die auf halbem Wege mit den
Ventilen (19, 19′) ausgestattet sind. Somit kann eine
benötigte Menge eines Kühlmittels, z.B. von in den
Mantelgehäusen (12, 12′) abgeschlossenem Wasser, abhängig
von den Öffnungs- und Schliessvorgängen der Ventile (15, 15′,
19, 19′) zwischen dem Kondensator (14) und dem Verdampfer
(17) umgewälzt werden.
Der Kondensator (14) nimmt im Gehäuse (14 a) mit Rippen
versehene Wärmeübertragungsrohre (21) auf, beispielsweise
Rohre mit Querrippen oder Strömungsrippen, durch welche
ständig Kühlwasser geführt werden kann, um die Kühlmitteldämpfe,
die von dem Festkörper-Adsorptionsmittel (S) innerhalb
der Adsorptionssäulen (11, 11′) abgeführt worden sind, zu
kondensieren und zu verflüssigen und die gesammelte und
am Boden des Behälters (14 a) gespeicherte Kühlmittelflüssigkeit
wird durch die Rohrleitung (18) dem Verdampfer (17)
zugeführt.
Andererseits nimmt der Verdampfer (17) in dem seitlich
länglichen Gehäuse (17 a) Wärmeübertragungsrohre (22) auf,
durch welche ein Wärmeübertragungsmittel einer
Verbrauchsseite hindurchgeleitet wird, sowie die
Verdampferschalen (40), die unterhalb der
Wärmeübertragungsrohre (22) liegen, wie aus Fig. 8
hervorgeht.
Die vom Kondensator (14) dem Verdampfer (17) zugeführte
Kühlmittelflüssigkeit wird in den Verdampferschalen (40)
gespeichert und verdampft und an den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre (22) vergast, um dem
Wärmeübertragungsmedium der Gebrauchsseite latente
Verdampfungswärme zu entziehen und es dabei zu kühlen.
Ventile (V 1, V 2, V 3, ..., V 11) sind in den Rohrleitungen
vorgesehen, die Wärmeübertragungsrohre (13, 13′) der
Adsorptionssäulen (11, 11′) verbinden, sowie
Wärmeübertragungsrohre (21) des Kondensators (14), einen
Kühlwassereinlass (23), einen Kühlwasserauslass (24), einen
Einlass (25) für das Wärmeübertragungsmedium an der
Wärmequellenseite, und einen Auslass (26) für das
Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite, und diese
Ventile können aufeinanderfolgend, entsprechend den
Befehlen einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung
geöffnet oder geschlossen werden.
Die Ventile (15, 15′, 19, 19′), die an den Leitungen (16,
16′) angebracht sind, die die Adsorptionssäulen (11, 11′)
und den Kondensator (14) und Verdampfer (17) verbinden,
sind gemäss Fig. 6 als ein Drosselklappenventil (28)
ausgebildet, dessen Tragachse (27) an einer exzentrischen
Position des Ventils angebracht ist.
Das Drosselklappenventil (28) ist derart ausgebildet,
dass die Rückseite eines Ventilsitzabschnittes an einer
Dichtung (29) auf der Kondensatorseite eine grössere Fläche
(S 1) aufweist als ein Ventilsitzabschnitt an einer Dichtung
(30) auf der Verdampferseite (S 2) und das Ventil kann,
abhängig vom Druckunterschied, zwischen einem Innendruck
(P 1) auf der Kondensatorseite und einem Innendruck (P 2) auf
der Verdampferseite öffnen oder schliessen. Die Tragachse
(27) ist an ihrem äusseren, vorstehenden Ende mit einer
Ausgangsachse für einen (nicht dargestellten) reversierbaren
Luftmotor ausgestattet, der mit Hilfe eines pneumatischen
Drucks derart arbeitet, dass er dazu dient, eine
Festlegewirkung auf das Drosselklappenventil (28) in dessen
offener und geschlossener Stellung auszuüben, sowie
Öffnungs- und Schliessvorgänge des Drosselklappenventils
(28) in einem Notfall, oder eine Einwirkung, die eine
Drehkraft in einem geforderten Ventilschliessinn auf das
Drosselklappenventil (28) bewirkt.
In der Ausführungsform gemäss den Fig. 7 und 8 nimmt der
Verdampfer (17) in dem isolierten, seitlich länglichen
Gehäuse (17 a) eine Anzahl Wärmeübertragungsrohre (22) auf,
deren beide Enden durch Rohrwände (35, 35′) gehalten werden
und die horizontal angeordnet sind und eine
Mehrfachreihe und Mehrfachstufe bilden. Jedes der
Wärmeübertragungsrohre (22) ist an seinen Enden über einen
Verteiler (37, 37′) mit einem Einlassrohr (38) und einem
Auslassrohr (39) verbunden, und jede Stufe der
Wärmeübertragungsrohre ist horizontal mit Verdampferschalen
(40) ausgestattet, die die Unterseiten derselben abdecken.
Die Verdampferschale (40) ist derart ausgebildet, dass
sie an ihren längsgerichteten Rändern nach innen
abgeschrägt ist, damit Kühlmittelspritzer, die an den
Oberflächen der Wärmeübertragungsrohre (22) aufwallen,
nicht aus der Verdampferschale (40) herausgeblasen oder
herausgespült werden. Die Verdampferschalen (40) sind
jeweils vertikal an ihrem Boden mit einem Überlaufrohr
(41) ausgestattet, das dazu dient, die Speichermenge des
Kühlmittels konstant in einer gegenseitig abgestuften
Lage zu halten.
Jedes Überlaufrohr (41) ist derart bemessen, dass es,
ausgehend vom Boden der Verdampferschale (40), innerhalb
eines Bereiches von 1/2 d bis 1 mm, und vorzugsweise
1/2 d bis 1/5 d eine Höhe (h) aufweist, wobei d einen
Aussendurchmesser des Wärmeübertragungsrohres (22) darstellt.
Die Gesamtmenge des in allen Verdampferschalen aufgenommenen
Kühlmittels stellt einen Mindestwert dar, der unter bestimmten
Betriebsbedingungen erforderlich ist.
Falls die Kühlmittelmenge aufgrund einer Änderung der
Betriebsbedingungen übermässig gross wird und das Kühlmittel
auf den Boden des Gehäuses (17 a) herabfällt und zum
Stillstand kommt, so wird die überschüssige
Kühlmittelflüssigkeit entweder vollständig durch Anordnung
einer Kühlmittel-Heizvorrichtung, wie beispielsweise einem
Heizgerät oder einem Warmwassertank, am Boden des
Gehäuses (17 a) vollständig verdampft oder durch Hochpumpen
zur obersten Stufe der Verdampferschale (40) zurückgeführt.
Die Verdampferschalen (40) sind jeweils an ihren
Randabschnitten mit Prallplatten (42) ausgestattet, um ein
Verspritzen der Kühlmittelflüssigkeit zu verhindern und
die Platten erstrecken sich vertikal von der Unterseite
einer jeden Verdampferschale nach unten.
In einer (nicht dargestellten) anderen Ausführungsform kann
der Verdampfer so ausgebildet sein, dass die Verdampferschalen
an ihren Rand- oder Seitenwandabschnitten mit
Überlauföffnungen ausgestattet sind, damit überschüssige
Kühlmittelflüssigkeit nach unten zu den unteren
Verdampferschalen strömen kann, anstatt die Überlaufrohre
vorzusehen.
Gemäss einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform
weist der Verdampfer eine Anzahl von mit Rippen versehenen
Wärmeübertragungsrohren auf, um ein Wärmeübertragungsmedium
auf eine Gebrauchsseite zu leiten, wobei die Rohre im
Mantelgehäuse des Verdampfers vertikal installiert sind,
so dass die Rippen horizontal in einer Mehrstufenanordnung
verlaufen, wobei alle oder jeweils mehrere Stufen der
Rippen Verdampferschalen bilden. Die Verdampferschalen
haben jeweils einen abgeschrägten Randabschnitt, der mit
Überlauföffnungen oder -schlitzen ausgestattet ist.
BETRIEBSWEISE
In dem Zustand gemäss Fig. 1 wird die erste
Adsorptionssäule (11) mit Kühlwasser versorgt und führt
einen Adsorptionsvorgang durch, während die zweite
Adsorptionssäule (11′) mit einem Wärmeübertragungsmedium
an der Wärmequellenseite versorgt wird und einen
Desorptionsvorgang durchführt.
Das vom Einlass (25) zugeführte Wärmeübertragungsmedium an
der Wärmequellenseite wird durch das Ventil (V 6) zu den
Wärmeübertragungsrohre (13′) in der zweiten
Adsorptionssäule (11′) gebracht, wo es das
Festkörper-Adsorptionsmittel (S) aufheizt und desorbiert,
fliesst dann durch das Ventil (V 4) zum Auslass (26) für das
Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite, und kehrt
zur Wärmequelle zurück.
Der in der zweiten Adsorptionssäule (11′) erhitzte und
desorbierte Kühlmitteldampf wird durch das Ventil (15)
zum Kondensator (14) durchgelassen, wo er durch das
durch die Wärmeübertragungsrohre (21) fliessende Kühlwasser
gekühlt und verflüssigt wird, worauf er am Boden des
Gehäuses (14 a) gesammelt und aufgrund eines Druckunterschiedes
etc., über die Rohrleitung (18) zum Verdampfer (17)
überführt wird. Während dieser Zeit wird in der ersten
Adsorptionssäule (11) das Kühlwasser von dem
Wärmeübertragungsrohr (21) des Kondensators (14) über das
Ventil (V 5) den Wärmeübertragungsrohren (13) zugeführt,
und das Festkörper-Adsorptionsmittel (S) wird gekühlt, um
den Kühlmitteldampf zu adsorbieren. Die Kühlmittelflüssigkeit
innerhalb des Verdampfers (17) wird an den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre (22) heftig verdampft und entzieht
die latente Verdampfungswärme des Wärmeübertragungsmediums
an der Gebrauchsseite, das durch die
Wärmeübertragungsrohre zwecks deren Kühlung fliesst.
Infolgedessen kann das auf diese Weise gekühlte
Wärmeübertragungsmedium der Gebrauchsseite einer
Gebläsekühleinheit zugeführt werden, die in einem
Luftklimatisierungsraumbereich installiert ist, wodurch
es ermöglicht wird, die allgemeinen Temperaturbedingungen
eines Luftklimatisierungssystems zu erzielen (beispielsweise
Kühlwassereinlasstemperatur 30°C, Einlasstemperatur des
Wärmeübertragungsmediums der Gebrauchsseite 12°C, und
dessen Auslasstemperatur 7°C).
Falls der Verdampfer (17) gemäss Fig. 7 aufgebaut ist,
tritt ein heftiges Sieden des Kühlmittels an den Abschnitten
der Wärmeübertragungsrohre (22) auf, mit denen das
Kühlmittel in Berührung steht und Kühlmittelspritzer werden
an dem freiliegenden Abschnitt der Wärmeübertragungsrohre
(22) aufgebracht und bilden einen gleichförmigen
Flüssigkeitsfilm, der schnell von den Oberflächen der
Wärmeübertragungsrohre (22) verdampft. Auf diese Weise
werden die Wärmeübertragungsrohre (22) wirksam gekühlt.
Bei der Umschaltung der Adsorptions- und Desorptionsstufen
der Adsorptionssäulen (11, 11′) aus dem Betriebszustand
gemäss Fig. 1 zum Betriebszustand gemäss Fig. 2 bleiben
zunächst die Ventile (V 1, V 2, V 5, V 7-V 11) unverändert und
die Ventile (V 3, V 4, V 6) werden zu einem Zeitpunkt gemäss
Fig. 2 umgeschaltet, wodurch das Wärmeübertragungsmedium
an der Wärmequellenseite vom Einlass (25) durch das
Ventil (V 3) zum Auslass (26) abgeleitet wird, um dadurch
die Zuführung des Wärmeübertragungsmediums an der
Wärmequellenseite zur zweiten Adsorptionssäule (11′) zu
sperren. Durch diese Umschaltung wird restliches Warmwasser
in den Wärmeübertragungsrohren (13′) der zweiten
Adsorptionssäule (11′) zurückgehalten. Zu diesem Zeitpunkt
kommt die Adsorptionsstufe in der ersten Adsorptionssäule
(11) zu ihrem Ende und die Desorptionsstufe in der zweiten
Adsorptionssäule (11′) steht kurz vor ihrer Beendigung,
und infolgedessen sind die Ventile (15, 19), die an den
Leitungen (16, 20) vorhanden sind, abhängig von einem
Druckunterschied in einem halb geöffneten Zustand.
Ferner wird, wenn die Ventile (V 1, V 5, V 9) zu einem Zeitpunkt
umgeschaltet werden, wenn sich die Ventile (V 2, V 3, V 4, V 6,
V 7, V 8, V 10, V 11) in dem in Fig. 3 gezeigten Zustand befinden,
das in den Wärmeübertragungsrohren (13′) in der zweiten
Adsorptionssäule (11′) zurückgebliebene Warmwasser durch
das den Wärmeübertragungsrohren (21) im Kondensator (14)
zugeführte und über das Ventil (V 1) in die
Wärmeübertragungsrohre (13) in der ersten Adsorptionssäule
(11) eingeführte Kühlwasser herausgedrückt. Infolgedessen
wird das Festkörper-Adsorptionsmittel (S) in der ersten
Adsorptionssäule (11) durch das Warmwasser unmittelbar
vor dem Eintritt in die Desorptionsstufe vorgeheizt, während
gleichzeitig das im Gehäuse (14 a) des Kondensators (14)
gesammelte Kühlmittel durch die Rohrleitung (18) zum
Verdampfer (17) geführt wird.
In diesem Falle wird, wenn der Betrieb in diesem Zustand
fortgesetzt wird, das in die erste Adsorptionssäule (11)
eingeführte, restliche Warmwasser aus dem Auslass (24) für
Kühlwasser austreten, bedingt durch das in die zweite
Adsorptionssäule (11′) eingeführte Kühlwasser. Aus diesem
Grunde wird die Strömung des restlichen Warmwassers
zeitweilig in einem geeigneten Zeitablauf durch Umschalten
der Ventile (V 1, V 8, V 11) gemäss Fig. 4 gesperrt und das
aus den Wärmeübertragungsrohren (13′) in der zweiten
Adsorptionssäule (11′) ausströmende Kühlwasser kann über
das Ventil (V 8) zum Auslass (24) für Kühlwasser geleitet
werden.
Mit dieser Umschaltung wird die Adsorptionsstufe in der
zweiten Adsorptionssäule (11′) durch Kühlen des
Festkörper-Adsorptionsmittels (S) eingeleitet, und das
Kühlmittel im Verdampfer (17) wird verdampft, um das
Heizmedium an der Gebrauchsseite im wesentlichen
kontinuierlich zu kühlen.
Die Zeitsteuerung der Umschaltung der Ventile (V 1, V 8, V 11)
vom Zustand gemäss Fig. 3 zum Zustand gemäss Fig. 4 wird
gewöhnlich durch einen Zeitgeber, abhängig von der
Druckzuführungsrate des Kühlwassers, gesteuert. Es ist
ferner möglich, die Ventile zu regulieren, indem der
Durchtritt von Warmwasser durch einen Temperatursensor
erfasst wird, der auf halbem Wege an der Rohrleitung
vorgesehen ist.
Die Ventile (V 2, V 3, V 7) werden vom Zustand gemäss Fig. 4
in den Zustand gemäss Fig. 5 umgeschaltet, um die erste
Adsorptionssäule (11) mit dem Heizmedium an der
Wärmequellenseite zu versorgen.
Das vom Einlass zugeführte Heizmedium an der
Heizquellenseite wird durch das Ventil (V 2) in die
Wärmeübertragungsrohre (13) in der ersten Adsorptionssäule
(11) geleitet und gelangt, während das restliche Warmwasser
zum Vorheizen des in den Wärmeübertragungsrohren (13)
stilliegenden Adsorptionsmittels herausgedrückt wird,
durch das Ventil (V 7) zum Auslass (26) für das Heizmedium
an der Heizquellenseite. Das restliche Warmwasser wird
zu den Wärmeaustauschern an der Wärmequellenseite
zurückgeführt und infolgedessen wird ein Wärmeverlust des
Warmwassers verhindert. Ferner wird eine Strömung des
Warmwassers an der Kühlturmseite verhindert, wodurch ein
frühzeitiger Abbau des Füllmaterials verhindert wird.
Somit gelangt die erste Adsorptionssäule (11) von der
Adsorptionsstufe durch die Vorheizstufe und kommt in die
Desorptionsstufe. In der Desorptionsstufe wird Kühlmitteldampf,
der vom Festkörper-Adsorptionsmittel (S) abgezogen wird,
durch das Ventil (15′) und die Leitung (16′) in den Kondensator
(14) geführt, wo er kondensiert und verflüssigt wird.
Nach der Umschaltung der ersten Adsorptionssäule (11) und
der zweiten Adsorptionssäule (11′) von diesem Zustand (Fig. 5)
zu dem in Fig. 1 gezeigten Zustand zwischen Adsorptionsstufe
und Desorptionsstufe, wird das restliche Warmwasser in der
Adsorptionssäule (11) zum Vorheizen des Adsorptionsmittels
(S) in der zweiten Adsorptionssäule (11′) verwendet und
anschliessend in einem den vorausgehenden Stufen ähnlichen
Vorgang zur Wärmequellenseite zurückgeführt. Die Beschreibung
der Betätigungsvorgänge der Ventile während des
Umschaltvorganges wird deshalb weggelassen.
Das Ausführungsbeispiel wurde bislang dahingehend
beschrieben, dass zwei Adsorptionssäulen parallelgeschaltet
mit einem Kondensator und Verdampfer verbunden sind, so
dass Kühlmittel umgewälzt werden kann, jedoch ist die
Erfindung auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar,
in welchen drei oder mehr Adsorptionssäulen parallel liegen,
und die Adsorptions- und Desorptionsvorgänge aufeinanderfolgend
unter ihnen durchgeführt werden, wodurch ein
Kühlleistungsausgang erhalten werden kann.
In dem Fall, wo drei oder mehr Adsorptionssäulen zur
Adsorption und Desorption mit einem nach und nach auftretenden
Zeitabstand gebracht werden, da eine Zeitabweichung der
jeweiligen Zuführung oder Abführung des restlichen
Warmwassers auftritt, wird ein Tank zur Aufnahme von
restlichem Warmwasser zumindest an einem Ort installiert,
um zeitweilig warmes Wasser darin zu speichern. Wird das
auf diese Weise gespeicherte Warmwasser der Adsorptionssäule
kurz vor der Umschaltung von der Adsorptionsstufe zur
Desorptionsstufe zugeführt, so können das Vorheizen des
Festkörper-Adsorptionsmittels und die Rückführung des
Warmwassers zur Heizquelle mühelos durchgeführt werden.