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WO2017174235A1 - Adsorptionswärmepumpe und verfahren zum betreiben einer adsorptionswärmepumpe - Google Patents

Adsorptionswärmepumpe und verfahren zum betreiben einer adsorptionswärmepumpe Download PDF

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WO2017174235A1
WO2017174235A1 PCT/EP2017/053091 EP2017053091W WO2017174235A1 WO 2017174235 A1 WO2017174235 A1 WO 2017174235A1 EP 2017053091 W EP2017053091 W EP 2017053091W WO 2017174235 A1 WO2017174235 A1 WO 2017174235A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
evaporator
medium
condenser
working
heat pump
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2017/053091
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Herrmann
Walter Mittelbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sortech AG
Original Assignee
Sortech AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sortech AG filed Critical Sortech AG
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Priority to BR112018070278A priority patent/BR112018070278A2/pt
Priority to US16/089,785 priority patent/US11441823B2/en
Priority to EP17705095.2A priority patent/EP3440415A1/de
Priority to CN201780029864.8A priority patent/CN109477671B/zh
Priority to KR1020187032229A priority patent/KR20190003557A/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F25B17/00—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type
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    • F25B17/083—Sorption machines, plants or systems, operating intermittently, e.g. absorption or adsorption type the absorbent or adsorbent being a solid, e.g. salt with two or more boiler-sorbers operating alternately
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • 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
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B30/62—Absorption based systems
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to an adsorption heat pump according to claim 1 and a method for operating an adsorption heat pump according to claim 13.
  • Adsorption heat pumps consist in their basic structure of an evaporator and a condenser and an adsorber. In the operation of such systems, a working medium is driven between these components.
  • Working medium is adsorbed in a first step in the adsorber. Since it goes in the evaporator in the gas phase, which is absorbed at the evaporator heat from the environment. In a second step, the working medium is expelled at the adsorber. The necessary external
  • Energy is supplied for example by the use of waste heat.
  • the expelled working fluid is re-liquefied in the condenser and releases heat. Through this process, heat is pumped from the evaporator to the side of the condenser.
  • Such a heat pump can be executed without moving parts.
  • the evaporator and the condenser can be combined in one component.
  • This component then forms a so-called evaporator / condenser.
  • the condensation takes place as well as the evaporation of the working medium in the same place.
  • double-acting adsorption heat pumps in which the condenser and the evaporator alternate in their functions and thus can act both as a condenser and as an evaporator depending on the power stroke.
  • a working medium for example, water is used. But it can also be used other substances.
  • the evaporators often prove to be the components of the working cycle whose structure has a performance-limiting effect, because for a given component size and surface can only limited amounts of Be evaporated working medium.
  • methanol or ammonia instead of water, can offer only very limited performance increases here, which also have to be bought with additional disadvantages.
  • Most of the alternative working media to water have the disadvantage that they are flammable and / or toxic. The possible increase in the evaporation performance is in the overall view in an unfavorable ratio.
  • salts are added.
  • soluble solids leads to undesirable accumulations and crystal formations in the evaporator and can promote its corrosion.
  • the adsorption heat pump comprises an adsorber device containing a solid adsorbent, an evaporator, a condenser or a
  • Adsorber founded on a gas half circle, in which the working medium is gaseous and formed between the evaporator and the condenser liquid half-circle, in which the working fluid is liquid.
  • The contains a miscible with the working fluid liquid, the vapor pressure of the working medium lowering functional fluid.
  • the adsorption heat pump according to the invention is based on the idea of at least partially admixing the working medium in the sections in which it is in liquid form in the working cycle, which positively influences the properties of the working medium.
  • the functional medium practically does not pass into the gas phase, it is not adsorbed or desorbed significantly, in particular in the adsorber device.
  • a mixing branch is provided in the liquid half-circle from the condenser to the evaporator, in which there is a depleted mixture of the functional medium and the working medium is, while leading from the evaporator to the condenser
  • the liquid half circle has at least one reservoir containing the functional medium or a mixture of functional medium and working medium, supply and discharge lines between the reservoir and the evaporator and / or the condenser and / or in the path of the working medium between the condenser and the evaporator are provided.
  • the functional medium can be cached and distributed from there. The flow of material between the reservoir and the other components can be separated with suitable valves.
  • the functional medium remains permanently in the evaporator and is stored there.
  • the evaporator serves as a reservoir for the functional medium.
  • the operating medium of the evaporator is positively influenced by the functional medium.
  • a condensate return is provided between the condenser and the evaporator, on the same time to a running in the evaporator evaporation and in the condenser
  • the functional medium is a
  • the fact that the hydraulic circuit is open here means, in particular, that the hydraulic circuit is not thermally coupled via a heat transfer surface. Rather, the
  • Function medium is transmitted.
  • the reservoir in the liquid half circle serves as
  • Dosing unit for setting a defined quantity ratio between the working medium and the functional medium Dosing unit for setting a defined quantity ratio between the working medium and the functional medium.
  • the reservoir is designed as a demixing device for the working medium, in which a segregation between the
  • Working medium and the functional medium is executable and changed the working medium and / or the functional medium via separate outputs in
  • Concentrations from the segregated areas is derivable.
  • the reservoir is in a variant on a defined
  • the functional medium in one embodiment is an ionic liquid, in particular consisting of alkylated or non-alkylated cations in the form of imidazolium, pyridinium, pyrrolidinium, guanidinium, uronium, thiouronium, piperidinium, morpholinium, ammonium and phosphonium and of anions in the form of halides, tetrafluoroborates, Trifluoroacetates, triflates,
  • Hexafluorophosphates phosphinates or tosylates.
  • the functional medium is a
  • the functional medium is a frost-protecting and / or corrosion-inhibiting agent.
  • these agents and additives may also be ionic liquids.
  • Working cycle of an adsorber, an evaporator and a condenser or an evaporator / condenser and a circulating between the adsorber, the evaporator and the condenser working fluid is carried out so that the working fluid is mixed when passing through the working circuit within the liquid half-circle with a liquid vapor pressure reducing functional fluid and for the passage into the gas half circle of the working cycle of the functional medium is at least partially remixed.
  • Function medium in the evaporator is adjusted by the recycled via the condensate return amount of the working medium.
  • Liquid half-circle in the gas semi-circle via a segregation device at least partially demixed wherein from the demixing a removal of the Hämed ium and / or the functional medium from resulting segregated shares in the evaporator and / or the capacitor in the working circuit of the adsorption heat pump takes place.
  • the separation device is tempered to a characteristic for the mixture of the working medium and the functional medium segregation temperature.
  • the functional medium or a mixture of the working medium and the functional medium are stored in a reservoir within the liquid half circle of the working cycle and discharged from there into the liquid half circle, wherein a predetermined ratio between the working medium and the functional medium is set.
  • the functional medium is directed from the reservoir into the evaporator, wherein in the evaporator an interruption of the
  • Evaporation of the working medium caused by a lowering of the vapor pressure or rinsing of the working medium is performed.
  • 1 shows an exemplary construction of an adsorption heat pump in a first embodiment
  • 2 shows an exemplary construction of an adsorption heat pump in a second embodiment
  • FIG. 3 shows an exemplary structure of an adsorption heat pump in a third embodiment
  • FIG. 4 shows an exemplary structure of an adsorption heat pump in a fourth embodiment
  • FIG. 5 shows an exemplary structure of an adsorption heat pump in a fifth embodiment
  • Fig. 6 shows an exemplary construction of an evaporator
  • FIG. 8 shows an exemplary representation of an adsorption heat pump, each with a reservoir in the condensate return and in the
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive Shen
  • the adsorption heat pump includes an adsorber Ad, which is formed in the example given here in the form of second sectionadsorber Adl and Ad2.
  • the adsorber is connected by means of switching valves VI to V4.
  • the adsorption heat pump includes an evaporator V and a condenser K.
  • the working medium for example water
  • the working medium for example water
  • the working medium for example water
  • the evaporator V is in a gaseous state.
  • the evaporator takes heat from the
  • the working medium is expelled from the adsorber, for example by supplying external waste heat.
  • the working medium then passes in the gaseous state nda in the condenser K and is liquefied there. In this case, it dissipates the heat absorbed by the evaporator together with the heat supplied to the adsorber.
  • the working medium then returns via a return in liquid form the evaporator. This completes the working cycle of
  • the working cycle A formed between evaporator V, adsorber Ad and condenser K thus contains sections in which the working medium in gaseous form and a section in which the working medium is in liquid form.
  • the part of the working group in which the working medium is gaseous is hereinafter referred to as gas half circle G. Accordingly, the portion in which the working fluid is liquid, referred to as liquid half circle F.
  • the working medium is within the remplissigigschreibnikes F with a
  • Function medium is separated at the latest in the evaporator V and at the earliest in the condenser K with the functional medium again enters a mixing contact.
  • the functional medium can perform different tasks.
  • the working medium mixed with the functional medium enters the evaporator V via a mixing branch M of the liquid half-circle.
  • evaporation process is a segregation of
  • the function medium return FR is linked in the example shown here with an operation of the adsorption heat pump, in which the evaporation and the condensation of the working medium take place simultaneously.
  • the adsorber Ad is in two sub-adsorber Ad and Ad2
  • Functional medium can in this case in the condenser as an antifreeze, a
  • Corrosion inhibitor or act as a wetting the capacitor promoting liquid.
  • the liquid half-circle F is the
  • Adsorptions Sundaypumpe supplemented by a functional fluid circuit in which the functional medium is mixed at a first point, here in the condenser, with the working fluid, then carried along with the working fluid and finally from the working fluid, here in the evaporator, separated, whereupon it again to the place of a renewed mixing contact is returned to the working medium.
  • Fig. 2 shows another embodiment of the adsorption heat pump.
  • the adsorption heat pump here also contains the evaporator V, the
  • Adsorber Ad Adsorber Ad and the condenser K. Both the evaporator and the condenser K are here via internal heat exchanger and
  • Heat sinks connected which may be formed in particular as low-temperature sources and medium temperature sinks.
  • the functional medium is located in a reservoir R and is fed from there into the evaporator and / or the condenser or returned to the reservoir again.
  • the reservoir can be designed differently, as will be shown in more detail below.
  • a demixing device is possible, in which the functional medium is separated from the working medium, wherein the segregated components can be conducted in varying quantities to the evaporator, the condenser or any other location in the liquid half circle F.
  • FIG 3 shows an embodiment of an adsorption heat pump in which the heat transfer medium circuits W1 and W2 on the evaporator V and on the condenser K are designed as open hydraulic circuits.
  • the existing there heat transfer circuit W2 also be hydraulically open, but also closed.
  • Evaporation process tracks heat. Accordingly, the working medium in the condenser condenses into the functional medium of the open hydraulic circuit W2 and releases heat into the functional medium, which is transported to a medium-temperature sink.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the adsorption heat pump in which the functional medium is provided exclusively in the evaporator V.
  • Working medium passes in liquid form from the condenser K into the evaporator V and forms a mixture with a reduced vapor pressure with the functional medium FM present there.
  • embodiment may also have a condensate return.
  • the functional medium is not out of the evaporator out, in particular not in the condenser. However, it can be collected in a reservoir, not shown here.
  • the evaporator simultaneously fulfills, in addition to the evaporator function, the function of the reservoir for the functional medium and the function of a demixing device.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the adsorption heat pump in which the evaporator and the condenser are structurally combined in a combined evaporator / condenser V / K.
  • the evaporator / condenser is usually coupled to an externally connected heat transfer circuit W, which alternately introduces heat from a low-temperature source or
  • Liquid half circle F consists essentially only of the
  • Evaporator / condenser from which evaporates the Ulmed ium or in which it is condensed again and thus in liquid form and mixed with the functional medium.
  • the functional medium FM is permanently in the herein
  • Evaporator / condenser It can be a permanent one in particular
  • a working medium which is water in the following examples.
  • other substances such as alkanols or ammonia, can be used, which interact with ionic liquids in the manner described below.
  • ionic liquid a whole range of different substances can be used.
  • substances are organic salts whose ions by
  • Ionic liquids are thus salts that are liquid, especially at room temperature, without the salt being dissolved in a solvent.
  • ionic liquids are distinguished by an extremely low vapor pressure for liquids, ie by a high vaporization temperature at a given ambient pressure compared to the working medium. Such fluids go in the for adsorption heat pumps in Low temperature range conventional temperatures practically not in the gas phase over. Suitable are ionic liquids with a vapor pressure below 0.1 mbar at 25 ° C. Add to that a great variability that allows it, for everyone
  • ionic liquids are used, which are relatively low in hydrophilicity. These give the working medium additional positive properties.
  • the ionic liquids cause, for example, a pH value adjustment and buffering, a corrosion-inhibiting effect and an antifreeze effect.
  • the wetting of the evaporator can be positively influenced by a selection of suitable ionic liquids of suitable viscosity and density.
  • ionic ratio can be adjusted by adding to ionic liquids with limited water miscibility in the
  • Working medium in which the ionic liquid is located, can be pumped out.
  • the supply of ionic liquid in the working cycle can be done in different ways.
  • a first possibility is to provide a mixture of the working medium and the ionic liquid as a supply in an external reservoir and to feed the mixture into the working cycle at a suitable location. But it is also possible to keep the ionic liquid in a separate container ready to feed and unmixed in the work cycle.
  • the feed point is the evaporator or the condenser of the working cycle.
  • the feeding of the ionic liquid into the evaporator takes place, for example, by supplying a mixture of working medium and ionic liquid.
  • the working medium in the course of the operating cycle of the adsorption heat pump in the gas phase, wherein the ionic liquid positively influences the evaporation process, but otherwise remains in the evaporator.
  • the evaporator acts as one
  • the pure working fluid there first condensed the pure working fluid and added the ionic liquid in time only after completion of the condensation.
  • the ionic liquid thus does not influence the condensation process as such. If the condenser serves as an evaporator in a next step of the working cycle, the evaporation process is now carried out on the working medium mixed with the ionic liquid.
  • the ionic liquid remains behind and can be removed again. The one on it The following condensation process thus takes place again with the practical
  • the ionic liquid can also remain immobilized in the evaporator. In such a case, their accumulation in the evaporator is quite desirable. Here, only the free of the ionic liquid working fluid in the rest of the working cycle is driven, while the ionic liquid in the evaporator mainly affects the evaporation properties of the working medium. In order to make the ionic ratio in the evaporator adjustable to a predefined value, the direct condensate return between the condenser and the evaporator is used in this case.
  • FIG. 6 shows an exemplary basic structure of an evaporator with recirculation of the ionic liquid or of the working fluid enriched with ionic liquid.
  • the evaporator contains a connection 1 for the steam transport in the context of the working medium of the working medium and a connection 2 for the
  • connection 1 forms the usual coupling of the evaporator in the circulation of the adsorption heat pump.
  • the evaporator is via the port 1 with the adsorber not shown here for the
  • connection 3 which serves to supply and / or recycling of the ionic liquid or of the ionic liquid-enriched working medium.
  • connection 3 the loading of the evaporator with the ionic liquid can be changed.
  • the ionic liquid is supplied via the connection 3 either from a reservoir for the ionic liquid or from a metering device present in the working cycle and / or discharged to the corresponding components.
  • the evaporator is here via a Temper michsniklauf 4 with the
  • Temperianssniklauf is within the evaporator with a
  • the working medium flows through the evaporator and thereby meets the
  • the evaporating working medium in the present example water vapor 8, occurs in the evaporation process in a vapor space 5 of the evaporator and escapes through the port 1 in the direction of the not shown here
  • Adsorbers in the working cycle The enriched with the ionic liquid working fluid can be discharged via the port 3 from the evaporator.
  • the device is designed here as a demixing device E. But it can also be operated as an evaporator or condenser.
  • the demixing device E is also tempered via a temperature control circuit 4.
  • the tempering circuit at least partially immersed in a bath of the first mixed with the ionic liquid working medium and keeps this at a predetermined temperature.
  • an evaporating mixture layer 6 is formed in the volume of the working medium.
  • the working fluid enters the demixing device in liquid form.
  • the working medium is supplied via a connection 2, while it leaves the demixing device E via the connection 1 in gaseous form.
  • the working medium in the present case water, passes as virtually free of ionic liquid fractions water vapor 8 in the vapor space 5 of the segregation and is discharged via the port 1 of the vapor transport. Via the connection 2, water can be fed into the evaporating mixture layer 6 at any time.
  • the working medium has a critical in the demixing
  • Amount ratio between the working medium as such and the ionic liquid content In this case, the temperature is adjusted so that at this critical ratio segregation occurs.
  • the ionic liquid collects in the lower region of the demixing device in the form of an ionic liquid phase 9 and can from there through a
  • Terminal 3 are derived. Both the evaporating working medium, in this case water, and the ionic liquid in phase 9 can be transferred to the evaporator of the adsorption heat pump, thereby a predetermined ratio of the corresponding parts of the working cycle can be adjusted.
  • the evaporating working medium in this case water
  • the ionic liquid in phase 9 can be transferred to the evaporator of the adsorption heat pump, thereby a predetermined ratio of the corresponding parts of the working cycle can be adjusted.
  • the working medium does not have to be in the demixing device
  • the adsorber is suitably filled with an adsorbent.
  • an adsorbent zeolites are particularly suitable, which are characterized by a pore system
  • Typical zeolites for this application are e.g. But not exclusively FAU, LTA, CHA, AEI, AFI, MFI, EMT and MOR. Through their pore openings common adsorbents such as water and ammonia can enter the pore system. The complex anions and cations of ionic liquids are in most cases too large for this. As a result, within the meaning of the invention are ionic
  • steam pressure reducing or frost protection could be used, such.
  • ethylene glycol which may also occur in zeolite pores.
  • FIG. 8 shows an exemplary illustration of an adsorption heat pump with a segregation unit E. This embodiment of the invention
  • Adsorption heat pump can then be selected if the ionic
  • the demixing unit E is intended on the one hand to separate the working medium from the ionic liquid, thereby cleaning the working medium, thereby above all preventing the ionic liquid from passing into the adsorber and ensuring that the adsorption and desorption processes of the working medium are not hindered there and continue to do so the evaporator V as well as the
  • Capacitor K with defined amounts of ionic liquid depending on the operating condition and depending on the respective one
  • Feed work phase It should therefore also act as a metering device.
  • the reservoir R functions in the mixing branch M.
  • the structure of the reservoir is embodied, for example, as in FIG. 7. A certain amount ratio between the working medium and the ionic liquid is adjusted so that at a certain temperature segregation between the working medium and the ionic liquid occurs.
  • Temperature is reached and maintained in the demixing unit E by a temperature.
  • the working medium separates from the ionic liquid.
  • Two phases separate from one another by a phase boundary are formed, which can be derived individually from the demixing unit.
  • the Demixing device corresponds to prevailing temperature, there occurs the Demixing between the working medium and the ionic liquid.
  • the demixing device E serves in such a case as a trap or a collection device for the ionic liquid.
  • the ionic liquid can be pumped out and completely returned, for example, to the evaporator V or to the condenser via a liquid line. It is also possible, of course, a transport of the working fluid via the liquid line depending on the operating condition of the system.
  • This procedure also offers a simple way of regulating the quantitative ratio between the circulating working medium and the ionic liquid in the working cycle.
  • This regulation takes place via the tempering of the demixing device, because this defines the critical ratio, in which the segregation ever begins.
  • the tempering of the demixing unit can be coupled in particular to the temperature in the adsorber Ad or to the temperature in the evaporator and / or condenser and thus establish a control loop for the quantitative ratio and the content of the ionic liquid in the working medium. This makes it possible, in particular, to withdraw larger quantities of the ionic liquid from the circulating working medium, to conduct it into the evaporator and to prevent freezing of the working medium there, for example, at the evaporator in the event of a sharp drop in temperature.
  • the demixing device thus acts as part of a frost protection device.
  • the condensate return in the mixing branch M differs from the normal return of the condensed working medium in normal operation of the
  • Condensate return is controlled specifically. This allows a consistently low vapor pressure throughout the evaporation process
  • the adsorption process can be completed well before saturation of the adsorbent. This is advantageous if the adsorption heat pump is also to be used for storing energy. With the addition of working fluid from the condensate return, for example, under controlled withdrawal of the mixture in the evaporator, the adsorption process can be resumed later. This method allows a valveless interruption of the adsorption process, for example for the purpose of energy storage in the adsorber.
  • a reservoir R can also be provided in the functional medium return.
  • Adsorption heat pump have been described by means of embodiments. In the context of professional trade further developments are possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Adsorptionswärmepumpe, mit einer Adsorbereinrichtung, enthaltend ein festes Adsorbens, einen Verdampfer, einen Kondensator oder einen Verdampfer/Kondensator und ein Arbeitsmedium in einem Arbeitskreis, wobei der Arbeitskreis zwischen dem Verdampfer, der Adsorbereinrichtung und dem Kondensator oder dem Verdampfer/Kondensator und der Adsorbereinrichtung einen Gashalbkreis aufweist, in welchem das Arbeitsmedium gasförmig ist und einen zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ausgebildeten Flüssighalbkreis, in welchem das Arbeitsmedium flüssig ist, wobei der Flüssighalbkreis ein mit dem Arbeitsmedium mischbares flüssiges, den Dampfdruck des Arbeitsmediums senkendes Funktionsmedium mit einem Dampfdruck bei 25°C unter 0,2 mbar enthält. Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe mit einem Arbeitskreislauf aus einem Adsorber, einem Verdampfer und einem Kondensator oder einem Verdampfer/Kondensator sowie ein zwischen dem Adsorber, dem Verdampfer und dem Kondensator umgetriebenes Arbeitsmedium wird das Arbeitsmedium beim Durchlaufen des Arbeitskreislaufs innerhalb des Flüssighalbkreises mit einem flüssigen dampfdrucksenkenden Funktionsmedium gemischt und vor dem Übertritt in den Gashalbkreis des Arbeitskreislaufs von dem Funktionsmedium entmischt.

Description

Adsorptionswärmepumpe und Verfahren zum Betreiben einer
Adsorptionswärmepumpe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 13.
Adsorptionswärmepumpen bestehen in ihrem Grundaufbau aus einem Verdampfer und einem Kondensator sowie einem Adsorber. Beim Betrieb derartiger Anlagen wird zwischen diesen Komponenten ein Arbeitsmedium umgetrieben. Das
Arbeitsmedium wird in einem ersten Schritt in dem Adsorber adsorbiert. Da bei geht es in dem Verdampfer in die Gasphase über, wodurch am Verdampfer Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird . In einem zweiten Schritt wird das Arbeitsmedium am Adsorber ausgetrieben. Die hierzu notwendige äußere
Energiezufuhr erfolgt beispielsweise durch die Nutzung von Abwärme. Das ausgetriebene Arbeitsmedium wird im Kondensator wieder verflüssigt und gibt dabei Wärme ab. Durch diesen Vorgang wird Wärme vom Verdampfer auf die Seite des Kondensators gepumpt. Eine derartige Wärmepumpe ist ohne bewegte Teile ausführbar.
Oft können der Verdampfer und der Kondensator in einem Bauteil vereinigt werden. Dieses Bauteil bildet dann einen so genannten Verdampfer/Kondensator. Hier erfolgt die Kondensation als auch das Verdampfen des Arbeitsmediums am selben Ort. Möglich sind auch doppelt wirkende Adsorptionswärmepumpen, bei denen der Kondensator und der Verdampfer sich in ihren Funktionen abwechseln und somit sowohl je nach Arbeitstakt als Kondensator als auch als Verdampfer wirken können. Als Arbeitsmedium wird beispielsweise Wasser verwendet. Es können aber auch andere Stoffe verwendet werden.
Bei derartigen Anlagen erweisen sich oft die Verdampfer als die Komponenten des Arbeitskreislaufs, deren Aufbau sich leistungslimitierend auswirkt, denn bei einer gegebenen Bauteilgröße und Oberfläche können nur beschränkte Mengen des Arbeitsmediums verdampft werden. Ein Wechsel des Arbeitsmediums, z. B. die Verwendung von Methanol oder Ammoniak anstelle von Wasser, kann hier nur sehr beschränkte Leistungssteigerungen bieten, die außerdem noch mit zusätzlichen Nachteilen erkauft werden müssen. Meist weisen d ie alternativen Arbeitsmedien gegenüber Wasser den Nachteil auf, dass diese brennbar und/oder giftig sind . Die mögliche Steigerung der Verdampfungsleistung steht hierzu in der Gesamtbetrachtung in einem nur ungünstigen Verhältnis.
Bekannt ist, dass der Da mpfdruck einer Flüssigkeit mit darin gelösten Stoffen in der Regel geringer ist als über der reinen Flüssigkeit. Durch die Zugabe gelöster Stoffe erhöht sich somit der Energieaufwand bei der Verdampfung des
Arbeitsmediums. Entsprechend wird die Verdampferleistung pro Mengeneinheit gesteigert. Wird als Arbeitsmedium z. B. Wasser verwendet, so können
beispielsweise Salze zugesetzt werden. Der Einsatz löslicher Feststoffe führt aber zu unerwünschten Anreicherungen und Kristallbildungen im Verdampfer und kann dessen Korrosion fördern.
Werden zur Dampfdruckerniedrigung organische Flüssigkeiten im Arbeitsmedium gelöst, so verdampft hierbei in der Regel nicht nur das Arbeitsmedium, sondern es gehen auch die organische Komponente oder eventuelle Zersetzungsprodukte in die Gasphase über. Diese zusätzlichen Bestandteile in der Gasphase heben dadurch den Druck im Vakuumsystem an, wodurch die Leistung des Adsorbers deutlich reduziert wird . Dieser nachteilige Effekt tritt auch bei anorganischen flüssigen Zusatzstoffen, z. B. Säuren auf. Auch diese Zusatzstoffe gasen stark aus. Außerdem sind Säuren durch ihre starke Aggressivität außerordentlich
ungeeignet.
Es besteht daher die Aufgabe, den genannten Nachteilen abzuhelfen.
Insbesondere soll eine Möglichkeit angegeben werden, den Dampfdruck des Arbeitsmediums zu erniedrigen, ohne dass die genannten nachteiligen
Nebenwirkungen eintreten. Darüber hinaus besteht auch die Aufgabe, die
Komponenten des Arbeitskreislaufs der Adsorptionswärmepumpe
widerstandsfähiger gegen Korrosion oder Frost zu gestalten und darüber hinaus das Benetzungsverhalten und den Wärmekontakt zwischen Arbeitsmedium und Wärmeübertragungsfläche im Verdampfer und im Kondensator zu verbessern. Gesucht wird zum einen eine entsprechend verbesserte Adsorptionswärmepumpe sowie auch ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe, bei dem die genannten Nachteile vermeidbar sind .
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Adsorptionswärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Betrei ben einer Adsorptionswärmepumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Die
Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens.
Die Adsorptionswärmepumpe umfasst eine Adsorbereinrichtung , enthaltend ein festes Adsorbens, einen Verdampfer, einen Kondensator oder einen
Verdampfer/Kondensator und ein Arbeitsmedium in einem Arbeitskreis. Dabei weist der Arbeitskreislaufzwischen dem Verdampfer, der Adsorbereinrichtung und dem Kondensator oder dem Verdampfer/Kondensator und der
Adsorbereinrichtung einen Gashalbkreis auf, in welchem das Arbeitsmedium gasförmig ist und einen zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ausgebildeten Flüssighalbkreis, in welchem das Arbeitsmedium flüssig ist. Der Flüssighalbkreis enthält ein mit dem Arbeitsmedium mischbares flüssiges, den Dampfdruck des Arbeitsmediums senkendes Funktionsmedium.
Der erfindungsgemäßen Adsorptionswärmepumpe liegt der Gedanke zugrunde, dem Arbeitsmedium in den Abschnitten, in denen des im Arbeitskreislauf in flüssiger Form vorliegt, zumindest abschnittsweise ein Funktionsmedium beizumischen, das die Eigenschaften des Arbeitsmediums positiv beeinflusst. Das Funktionsmedium tritt dabei praktisch nicht in die Gasphase über, es wird insbesondere in der Adsorbereinrichtung signifikant weder adsorbiert noch desorbiert.
Dieses Verhalten wird gewährleistet durch einen geringen Dampfdruck des Funktionsmediums, der z. B. bei 25°C kleiner als 1% des Dampfdrucks des Arbeitsmediums ist. Für das Arbeitsmed ium Wasser ist demnach ein
Funktionsmedium mit einem Dampfdruck bei 25°C von 0,2 mbar geeignet.
Bei einer Ausführungsform ist in dem Flüssighalbkreis von dem Kondensator zu dem Verdampfer führend ein Mischungszweig vorgesehen, in welchem sich eine abgereicherte Mischung aus dem Funktionsmedium und dem Arbeitsmedium befindet, während von dem Verdampfer zu dem Kondensator führend ein
Rückführungszweig (RF) vorhanden ist, in welchem sich eine angereicherte Mischung des Funktionsmediums mit Wasser oder reines Funktionsmedium befindet. Die Begriffe„angereichert" und„abgereichert" bedeuten, dass der Mengenanteil des Funktionsmediums im Arbeitsmedium im angereicherten
Zustand einen hohen Wert aufweist und im abgereicherten Zustand einen im Vergleich dazu niedrigeren Wert annimmt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Kreislauf für das Funktionsmedium
vorgesehen, in welchem es im Flüssighalbkreis mit dem Arbeitsmedium in
Mischung tritt, mitgeführt wird, abschließend wenigstens teilweise entmischt und als angereicherte Mischung wieder zurückgeführt wird, um wieder mit
Arbeitsmedium zu einer abgereicherten Mischung gemischt zu werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Flüssighalbkreis mindestens ein das Funktionsmedium oder eine Mischung von Funktionsmedium und Arbeitsmedium enthaltendes Reservoir auf, wobei Zu- und Abführungsleitungen zwischen dem Reservoir und dem Verdampfer und/oder dem Kondensator und/oder in den Weg des Arbeitsmediu ms zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer vorgesehen sind. Bei dieser Variante kann das Funktionsmedium zwischengespeichert und von dort aus verteilt werden. Der Stofffluss zwischen dem Reservoir sowie den anderen Komponenten kann mit geeigneten Ventilen voneinander getrennt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform verbleibt das Funktionsmedium permanent im Verdampfer und ist dort gespeichert. Der Verdampfer dient dabei als Reservoir für das Funktionsmedium. Gleichzeitig wird durch das Funktionsmedium der Betrieb des Verdampfers positiv beeinflusst.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer eine Kondensatrückführung vorgesehen, über die zeitgleich zu einer im Verdampfer ablaufenden Verdampfung und einer im Kondensator
ablaufenden Kondensation ein Überführen von Antei len des kondensierten Arbeitsmediums von dem Kondensator in den Verdampfungsprozess innerhalb des Verdampfers ausführbar ist. Hiermit ist es möglich, während des
Verdampfungsprozesses im Verdampfer das Mengenverhältnis zwischen Arbeitsmedium und Funktionsmedium innerhalb eines bestimmten Bereichs zu regeln.
Bei einer Ausführungsform mit Verdampfer/Kondensator liegt das
Funktionsmedium als ein permanenter Flüssigkeitsvorrat im
Verdampfer/Kondensator vor. Das Arbeitsmedium kondensiert in das
Funktionsmedium hinein und wird aus dem Funktionsmedium hinaus wieder verdampft. Das Funktionsmedium selbst bleibt jedoch im
Verdampfer/Kondensator und wird weder nennenswert absorbiert noch
desorbiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Funktionsmedium als ein
Wärmeübertragungsmedium in einem den Verdampfer und/oder den Kondensator oder den Verdampfer/Kondensator mit externen Wärmequellen und/oder
Wärmesenken verbindenden, in Richtung der Adsorptionswärmepumpe offenen Hydraulikkreislauf vorgesehen. Das Funktionsmedium erfüllt hier eine
Doppelfunktion als dampfdrucksenkendes Medium im Arbeitskreislauf einerseits und als ein Wärmeübertragungsmedium andererseits. Dass der Hydraulikkreislauf offen ist, bedeutet hier insbesondere, dass der Hydraulikkreislauf nicht über eine Wärmeübertragungsfläche thermisch angekoppelt ist. Vielmehr wird die
Wärmeübertragung so vollzogen, dass das Arbeitsmedium direkt in das
Funktionsmedium hinein kondensiert oder daraus heraus verdampft und somit Wärme über die Mischung und Entmischung zwischen Arbeitsmedium und
Funktionsmedium übertragen wird .
Bei einer Ausführungsform dient das Reservoir im Flüssighalbkreis als
Dosiereinheit zum Einstellen eines definierten Mengenverhältnisses zwischen dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium.
Bei einer Ausführungsform ist das Reservoir als eine Entmischeinrichtung für das Arbeitsmedium ausgebildet, bei der eine Entmischung zwischen dem
Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium ausführbar ist und das Arbeitsmedium und/oder das Funktionsmedium über separate Ausgänge in veränderten
Konzentrationen aus den entmischten Bereichen ableitbar ist. Das Reservoir ist in einer Variante ein auf eine definierte
Entmischungstemperatur temperiertes Behältnis, wobei der
Entmischungstemperatur ein kritisches Mengenverhältnis zwischen dem
Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium entspricht.
Das Funktionsmedium ist bei einer Ausführungsform eine ionische Flüssigkeit, insbesondere bestehend aus alkylierten oder nicht alkylierten Kationen in Form von Imidazolium, Pyridinium, Pyrrolidinium, Guanidinium, Uronium, Thiouronium, Piperidinium, Morpholinium, Ammonium und Phosphonium und aus Anionen in Form von Halogeniden, Tetrafluoroboraten, Trifluoracetaten, Triflaten,
Hexafluorophosphaten, Phosphinaten oder Tosylaten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Funktionsmedium ein
benetzungsförderndes Additiv. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Funktionsmedium ein frostschützendes und/oder korrosioninhibierendes Mittel. Zugleich können diese Mittel und Additive auch ionische Flüssigkeiten sein.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe mit einem
Arbeitskreislauf aus einem Adsorber, einem Verdampfer und einem Kondensator oder einem Verdampfer/Kondensator sowie ein zwischen dem Adsorber, dem Verdampfer und dem Kondensator umgetriebenes Arbeitsmedium, wird so ausgeführt, dass das Arbeitsmedium beim Durchlaufen des Arbeitskreislaufs innerhalb des Flüssighalbkreises mit einem flüssigen dampfdrucksenkenden Funktionsmedium gemischt wird und für den Übertritt in den Gashalbkreis des Arbeitskreislaufs von dem Funktionsmedium mindestens teilweise wieder entmischt wird.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens werden der Kondensator und der
Verdampfer durch eine geregelte Kondensatrückführung miteinander gekoppelt, wobei das Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und dem
Funktionsmedium im Verdampfer durch die über die Kondensatrückführung rückgeführte Menge des Arbeitsmediums eingestellt wird.
Bei einer Ausführungsform wird das flüssige Arbeitsmedium von mitgeführten Anteilen des Funktionsmediums spätestens vor dem Übertritt aus dem
Flüssighalbkreis in den Gashalbkreis über eine Entmischungseinrichtung mindestens teilweise entmischt, wobei aus der Entmischungseinrichtung ein Abführen des Arbeitsmed iums und/oder des Funktionsmediums aus dabei entstehenden entmischten Anteilen in den Verdampfer und/oder den Kondensator im Arbeitskreislauf der Adsorptionswärmepumpe erfolgt.
Bei einer Ausführungsform wird die Entmischungseinrichtung auf eine für die Mischung des Arbeitsmediums und dem Funktionsmedium charakteristische Entmischungstemperatur temperiert.
Bei einer Variante erfolgt die Entmischung von Arbeitsmittel und
Funktionsmedium im Verdampfer. Dies wird insbesondere beim normalen
Verdampfungsprozess im Rahmen des Betriebs der Adsorptionswärmepumpe ausgeführt.
Bei einer Ausführungsform werden das Funktionsmedium oder eine Mischung aus dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium in einem Reservoir innerhalb des Flüssighalbkreises des Arbeitskreislaufs zwischengelagert und von dort in den Flüssighalbkreis abgegeben, wobei ein vorbestimmtes Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium eingestellt wird .
Bei einer Ausführungsform wird das Funktionsmedium aus dem Reservoir in den Verdampfer geleitet, wobei in dem Verdampfer eine Unterbrechung der
Verdampfung des Arbeitsmediums durch ein Absenken des Dampfdrucks bewirkt oder Ausspülen des Arbeitsmediums ausgeführt wird .
Die erfindungsgemäße Adsorptionswärmepumpe und das Verfahren zum Betreiben der Adsorptionswärmepumpe sollen nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren. Es werden für gleiche oder gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
Es zeigt:
Fig. 1 einen beispielhaften Aufbau einer Adsorptionswärmepumpe in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 einen beispielhaften Aufbau einer Adsorptionswärmepumpe in einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 einen beispielhaften Aufbau einer Adsorptionswärmepumpe in einer dritten Ausführungsform,
Fig. 4 einen beispielhaften Aufbau einer Adsorptionswärmepumpe in einer vierten Ausführungsform,
Fig. 5 einen beispielhaften Aufbau einer Adsorptionswärmepumpe in einer fünften Ausführungsform,
Fig. 6 einen beispielhaften Aufbau eines Verdampfers mit
Rückführungsanschlüssen der Mischung des Arbeitsmediums,
Fig. 7 eine beispielhafte Darstellung der Entmischung und Rückführung einer entmischten Phase des Funktionsmediums,
Fig. 8 eine beispielhafte Darstellung einer Adsorptionswärmepumpe mit je einem Reservoir in der Kondensatrückführung und in der
Funktionsmediumrückführung.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemä ßen
Adsorptionswärmepumpe.
Die Adsorptionswärmepumpe enthält eine Adsorbereinrichtung Ad, die im hier gegebenen Beispiel in Form zweiter Teiladsorber Adl und Ad2 ausgebildet ist. Die Adsorbereinrichtung wird mittels Schaltventilen VI bis V4 beschaltet. Weiterhin enthält die Adsorptionswärmepumpe einen Verdampfer V und einen Kondensator K.
Das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, wird in der Adsorbereinrichtung an einem festen Adsorbens adsorbiert. Hierdurch geht es im Verdampfer V in einen gasförmigen Zustand über. Der Verdampfer nimmt dabei Wärme aus der
Umgebung auf. In einem weiteren Schritt wird das Arbeitsmedium aus der Adsorbereinrichtung beispielsweise durch Zufuhr externer Abwärme ausgetrieben. Das Arbeitsmedium gelangt dann im gasförmigen Zusta nd in den Kondensator K und wird dort verflüssigt. Dabei gibt es die am Verdampfer aufgenommene Wärme zusammen mit der an der Adsorbereinrichtung zugeführten Wärme ab. Das Arbeitsmedium gelangt dann über einen Rücklauf in flüssiger Form den Verdampfer zurück. Dadurch schließt sich der Arbeitskreislauf der
Adsorptionswärmepumpe.
Der zwischen Verdampfer V, Adsorbereinrichtung Ad und Kondensator K gebildete Arbeitskreislauf A enthält somit Abschnitte, in denen das Arbeitsmedium in gasförmiger Form und einen Abschnitt, in welchem das Arbeitsmedium in flüssiger Form vorliegt. Der Teil des Arbeitskreises, in welchem das Arbeitsmedium gasförmig ist, wird nachfolgend als Gashalbkreis G bezeichnet. Entsprechend wird der Abschnitt, in welchem das Arbeitsmedium flüssig vorliegt, als Flüssighalbkreis F bezeichnet.
Das in Fig . 1 gezeigte Ausführungsbeispiel wie auch die in den nachfolgenden Figuren behandelten Ausführungsbeispiele beziehen sich ausschließlich auf die Vorgänge im Flüssighalbkreis F des Arbeitskreises der Adsorptionswärmepumpe, sofern nicht ausdrücklich auf Vorgänge im Gashalbkreis G eingegangen wird.
Das Arbeitsmedium ist innerhalb des Flüssighalbkreises F mit einem
Funktionsmedium gemischt. Innerhalb des Gashalbkreises G, in dem das
Arbeitsmedium in die Gasphase übergegangen ist, befindet sich dagegen kein Funktionsmedium . Das bedeutet, dass das Arbeitsmedium von dem
Funktionsmedium spätestens im Verdampfer V getrennt wird und frühestens in dem Kondensator K mit dem Funktionsmedium wieder in einen mischenden Kontakt tritt.
Das Funktionsmedium kann dabei unterschiedliche Aufgaben ausführen. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei eine Dampfdrucksenkung des Arbeitsmediums während des Verdampfungsvorgangs im Verdampfer V. In dem hier gezeigten Beispiel tritt das mit dem Funktionsmedium gemischte Arbeitsmedium über einen Mischungszweig M des Flüssighalbkreises in den Verdampfer V ein. Bei dem nun stattfindenden Verdampfungsvorgang erfolgt eine Entmischung des
Arbeitsmediums von dem Funktionsmedium. Das Funktionsmedium bleibt dabei im Verdampfer zurück und reichert sich dort an. Hierdurch ändert sich das Mengenverhältnis in der Mischung aus Arbeitsmedium und Funktionsmedium. Um das Mengenverhältnis während des Verdampfungsvorgangs nach zu regulieren, ist bei dem hier gezeigten Beispiel eine Funktionsmediumrückführung FR
vorgesehen. Über die Funktionsmediumrückführung wird eine mit dem
Funktionsmedium angereicherte Mischung aus dem Verdampfer V in den
Kondensator K überführt.
Die Funktionsmediumrückführung FR wird in dem hier gezeigten Beispiel mit einer Betriebsweise der Adsorptionswärmepumpe verknüpft, bei der die Verdampfung und die Kondensation des Arbeitsmediums simultan erfolgen. In Verbindung damit ist die Adsorbereinrichtung Ad in zwei Teiladsober Ad l u nd Ad2
untergliedert und mit einer Ventileinrichtung VI bis V4 beschaltet. Während der erste Teiladsorber Ad l einen Adsorptionsvorgang ausführt und dabei die
Verdampfung des Arbeitsmediums im Verdampfer V bewirkt, führt der zweite Teiladsorber Ad2 eine Desorption des Arbeitsmediums aus, das im Kondensator kondensiert. Somit wird aus der zeitlich simultanen Kondensation das dort anfallende Kondensat aus dem Kondensator in den Verdampfer überführt und stellt dort das Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmediu m und dem
Funktionsmedium auf einen bestimmten Wert ein.
Das in dem Verdampfer zurückbleibende Funktionsmedium wird in dem hier vorliegenden Beispiel wieder aus dem Verdampfer abgeführt. Es gelangt über die Funktionsmediumrückführung FR zurück in den Kondensator K. Das
Funktionsmedium kann hierbei im Kondensator als ein Gefrierschutz, ein
Korrosionsinhibitor oder auch als eine die Benetzung des Kondensators fördernde Flüssigkeit wirken.
Im Prinzip wird somit in dem Beispiel aus Fig. 1 der Flüssighalbkreis F der
Adsorptionswärmepumpe durch einen Funktionsmedienkreislauf ergänzt, bei dem das Funktionsmedium an einem ersten Punkt, hier im Kondensator, mit dem Arbeitsmedium gemischt wird, anschließend mit dem Arbeitsmedium mitgeführt und schließlich vom Arbeitsmedium, hier im Verdampfer, getrennt wird, worauf es wieder zum Ort eines erneuten Mischkontakts zum Arbeitsmedium zurückgeführt wird. Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Adsorptionswärmepumpe. Die Adsorptionswärmepumpe enthält auch hier den Verdampfer V, die
Adsorbereinrichtung Ad und den Kondensator K. Sowohl der Verdampfer als auch der Kondensator K sind hier über interne Wärmeübertrager und
Wärmeträgerkreisläufe Wl und W2 mit externen Wärmequellen und
Wärmesenken verbunden, die insbesondere als Niedertemperaturquellen und Mitteltemperatursenken ausgebildet sein können.
Bei dem hier vorliegenden Beispiel befindet sich das Funktionsmedium in einem Reservoir R und wird von dort in den Verdampfer und/oder den Kondensator eingespeist oder in das Reservoir wieder zurückgeführt. Das Reservoir kann unterschiedlich ausgebildet sein, wie weiter unten näher dargestellt wird. Hier ist insbesondere eine Entmischeinrichtung möglich, in welcher das Funktionsmedium von dem Arbeitsmedium getrennt wird, wobei die entmischten Komponenten in wechselnden Mengen zu dem Verdampfer, dem Kondensator oder an jeden anderen Ort im Flüssighalbkreis F geleitet werden können.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Adsorptionswärmpepumpe, bei der die Wärmeträgerkreisläufe Wl und W2 am Verdampfer V und am Kondensator K als offene Hydraulikkreisläufe ausgebildet sind. In dem Kondensator kann der dort vorhandene Wärmeträgerkreislauf W2 ebenfalls hydraulisch offen, aber auch geschlossen ausgebildet sein.
In diesen offenen Hydraulikkreisläufen zirkuliert das Funktionsmedium und dient somit zusätzlich als ein Wärmeübertragungs- und Wärmeleitmedium mit einem direkten stofflichen und durchmischenden Kontakt zum Arbeitsmedium im
Arbeitskreislauf der Adsorptionswärmepumpe. Das in den Wärmeträgerkreisläufen zirkulierende Gemisch aus dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium gewährleistet dabei insbesondere, dass die Kreisläufe Wl und W2 nicht einfrieren. Das Gemisch aus dem Funktionsmedium und dem Arbeitsmedium wird wie beschrieben in dem Verdampfer beim Verdampfungsprozess entmischt und in den Gashalbkreis G des Arbeitskreislaufs abgesaugt, wobei das Funktionsmedium im Wärmeübertragungskreislauf Wl verbleibt, sich abkühlt und über den
Wärmetransport von der externen Niedertemperaturquelle direkt in den
Verdampfungsprozess Wärme nachführt. Entsprechend kondensiert das Arbeitsmedium im Kondensator in das Funktionsmedium des offenen Hydraulikkreislaufes W2 hinein und gibt in das Funktionsmedium Wärme ab, die zu einer Mitteltemperatursenke transportiert wird .
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Adsorptionswärmepumpe, bei der das Funktionsmedium ausschließlich im Verdampfer V vorgesehen ist. Das
Arbeitsmedium gelangt hierbei in flüssiger Form aus dem Kondensator K in den Verdampfer V und bildet mit dem dort vorhandenen Funktionsmedium FM eine Mischung mit einem erniedrigten Dampfdruck aus. Die hier gezeigte
Ausführungsform kann allerdings auch eine Kondensatrückführung aufweisen. Das Funktionsmedium wird jedoch nicht aus dem Verdampfer heraus, insbesondere nicht in den Kondensator, geführt. Es kann jedoch in einem hier nicht gezeigten Reservoir gesammelt werden.
Der Verdampfer erfüllt bei der Ausführungsform aus Fig. 4 gleichzeitig neben der Verdampferfunktion die Funktion des Reservoirs für das Funktionsmedium sowie die Funktion einer Entmischeinrichtung .
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Adsorptionswärmepumpe, bei der der Verdampfer und der Kondensator in einem kombinierten Verdampfer/Kondensator V/K baulich vereinigt sind . Je nach Arbeitstakt wird der Verdampfer/Kondensator als ein Verdampfer für das Arbeitsmedium genutzt, wobei Wärme aufgenommen wird, oder als Kondensator, wobei das Arbeitsmedium beim Kondensieren Wärme abgibt. Der Verdampfer/Kondensator ist in einem solchen Fall zumeist mit einem externen entsprechend geschalteten Wärmeübertragungskreislauf W gekoppelt, der abwechselnd Wärme aus einer Niedertemperaturquelle heranführt bzw.
Wärme zu einer Mitteltemperatursenke abführt.
Bei dieser Ausführungsform besteht der Gashalbkreis G der
Adsorptionswärmepumpe aus der Verbindungsleitung zwischen dem
Verdampfer/Kondensator V/K und der Adsorbereinrichtung Ad . Der
Flüssighalbkreis F besteht dagegen im Wesentlichen nur aus dem
Verdampfer/Kondensator selbst, insbesondere aus den Abschnitten des
Verdampfer/Kondensators, aus welchen heraus das Arbeitsmed ium verdampft bzw. in welchen es wieder kondensiert und somit in flüssiger Form vorliegt und mit dem Funktionsmedium gemischt ist.
Das Funktionsmedium FM befindet sich hier permanent in dem
Verdampfer/Kondensator. Es kann insbesondere einen permanenten
Flüssigkeitsspiegel bilden, in welchem das kondensierte Arbeitsmedium
gesammelt und aus dem heraus es verdampft wird.
In der Adsorbereinrichtung befindet sich dagegen kein Funktionsmedium. Es wird dort ausschließlich das unvermischte Arbeitsmedium in einem festen Adsorbens Ads adsorbiert bzw. aus diesem desorbiert.
Nachfolgend sollen einige Komponenten und Verschaltungen von Komponenten der Adsorptionswärmepumpe anhand von Beispielen näher erläutert werden. Dabei wird als Funktionsmedium eine ionische Flüssigkeit angenommen. Es ist klar, dass als Funktionsmedien auch andere Stoffklassen zum Einsatz kommen können.
Bei der Erläuterung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele wird von einem Arbeitsmedium ausgegangen, das in den nachfolgenden Beispielen Wasser ist. Natürlich können hierfür auch andere Stoffe, beispielsweise Alkanole oder auch Ammoniak, verwendet werden, die mit ionischen Flüssigkeiten in der nachfolgend beschriebenen Weise zusammenwirken.
Als ionische Flüssigkeit können eine ganze Reihe verschiedener Stoffe verwendet werden. Derartige Stoffe sind organische Salze, bei deren Ionen durch
verschiedene Effekte die Bildung eines stabilen Kristallg itters behindert ist. Eine bereits geringe thermische Energie genügt, um die feste Kristallstruktur aufzubrechen. Ionische Flüssigkeiten sind somit Salze, die insbesondere bei Zimmertemperatur flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel gelöst ist.
Allgemein zeichnen sich ionische Flüssigkeiten durch einen für flüssige Stoffe extrem geringen Dampfdruck, d.h. durch eine im Vergleich zum Arbeitsmedium hohe Verdampfungstemperatur bei einem gegebenen Umgebungsdruck, aus. Derartige Flüssigkeiten gehen bei den für Adsorptionswärmepumpen im Niedertemperaturbereich üblichen Temperaturen praktisch nicht in die Gasphase über. Geeignet sind ionische Flüssigkeiten mit einem Dampfdruck unter 0,1 mbar bei 25°C. Hinzu kommt eine große Variabilität, die es erlaubt, für jeden
Arbeitsbereich von Adsorptionswärmepumpen, d.h. für unterschiedliche resultierende Bereiche des Dampfdrucks, geeignete Stoffe zu finden.
Bei den hier vorliegenden Ausführungsbeispielen für Adsorptionswärmepumpen und -anlagen kommen ionische Flüssigkeiten zum Einsatz, die vergleichsweise gering hydrophil sind. Diese verleihen dem Arbeitsmedium zusätzliche positive Eigenschaften. Die ionischen Flüssigkeiten bewirken beispielsweise eine pH -Wert Einstellung und Pufferung, eine korrosionsinhibierende Wirkung und einen Frostschutzeffekt. Auch kann die Benetzung des Verdampfers durch eine Auswahl geeigneter ionischer Flüssigkeiten mit passender Viskosität und Dichte positiv beeinflusst werden.
Bedeutsam für die Anwendung des Arbeitsmediums im Verdampfer ist das Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit. Dieses Mengenverhältnis bestimmt den resultierenden Dampfdruck des
Arbeitsmediums. Durch das Verdampfen des Arbeitsmediums findet eine
Anreicherung der ionischen Flüssigkeit im Verdampfer statt. Hierdurch verändert sich das ionische Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit.
Um das ionische Mengenverhältnis des Arbeitsmediums im gewünschten Bereich zu halten, kann entweder reines ungemischtes Arbeitsmedium, d.h. im hier vorliegenden Fall Wasser, nachdosiert werden oder es können die mit der ionischen Flüssigkeit angereicherten Teile des Arbeitsmediums aus dem
Arbeitskreislauf abgezogen und an anderer Stelle wieder dem Arbeitskreislauf zugeführt werden.
Dieses Nachdosieren des reinen Arbeitsmediums und/oder das Abziehen von mit ionischer Flüssigkeit angereicherter Bestandteile des Arbeitsmediums schafft zusätzliche Möglichkeiten zur optimierten Steuerung des Verdampfungsprozesses in der Adsorptionswärmepumpe. Das ionische Mengenverhältnis kann insbesondere dadurch eingestellt werden, indem auf ionische Flüssigkeiten mit begrenzter Wassermischbarkeit im
Arbeitsmedium zurückgegriffen wird. Bei derartigen Mischungen kommt es bei einer gegebenen Temperatur unterhalb eines kritischen ionischen
Mengenverhältnisses zur Entmischung und die dichtere Phase des
Arbeitsmediums, in welchem sich die ionische Flüssigkeit befindet, kann abgepumpt werden.
Die Zuführung der ionischen Flüssigkeit in den Arbeitskreislauf kann auf verschieden Arten erfolgen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, in einem externen Reservoir eine Mischung aus dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit als Vorrat bereitzustellen und die Mischung an geeigneter Stelle in den Arbeitskreislauf einzuspeisen. Es ist aber auch möglich, die ionische Flüssigkeit in einem eigenen Behältnis bereit zu halten und unvermischt in den Arbeitskreislauf einzuspeisen.
Als Einspeisepunkt bieten sich hierbei der Verdampfer oder der Kondensator des Arbeitskreislaufs an.
Das Einspeisen der ionischen Flüssigkeit in den Verdampfer erfolgt beispielsweise durch Zufuhr einer Mischung aus Arbeitsmedium und ionischer Flüssigkeit. Bei dem Einspeisen in den Verdampfer tritt das Arbeitsmedium im Verlauf des Arbeitszyklus der Adsorptionswärmepumpe in die Gasphase über, wobei die ionische Flüssigkeit den Verdampfungsprozess positiv beeinflusst, aber ansonsten im Verdampfer verbleibt. In diesem Fall wirkt der Verdampfer als eine
Trenneinrichtung, in der sich die ionische Flüssigkeit sammelt und geregelt abgeführt werden muss.
Bei einem Einspeisen der ionischen Flüssigkeit in den Kondensator wird
beispielsweise dort zunächst das reine Arbeitsmedium kondensiert und die ionische Flüssigkeit zeitlich erst nach Abschluss der Kondensation zugesetzt. Die ionische Flüssigkeit beeinflusst somit nicht den Kondensationsvorgang als solchen. Dient der Kondensator in einem nächsten Schritt des Arbeitszyklus als Verdampfer, so wird nunmehr der Verdampfungsvorgang an dem mit der ionischen Flüssigkeit vermischten Arbeitsmedium ausgeführt. Dabei bleibt die ionische Flüssigkeit zurück und kann wieder abgeführt werden. Der darauf folgende Kondensationsvorgang erfolgt somit wieder mit dem praktisch
unvermischten Arbeitsmedium in einem von der ionischen Flüssigkeit freien Kondensator.
Die ionische Flüssigkeit kann aber auch immobilisiert im Verdampfer verbleiben. In einem solchen Fall ist deren Anreicherung im Verdampfer durchaus erwünscht. Hierbei wird ausschließlich das von der ionischen Flüssigkeit freie Arbeitsmedium im übrigen Arbeitskreislauf umgetrieben, während die ionische Flüssigkeit im Verdampfer vorwiegend die Verdampfungseigenschaften des Arbeitsmediums beeinflusst. Um hier das ionische Mengenverhältnis im Verdampfer auf einen vordefinierten Wert einstellbar zu gestalten, kommt in diesem Fall die direkte Kondensatrückführung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer zum Einsatz.
Fig. 6 zeigt einen beispielhaften prinzipiellen Aufbau eines Verdampfers mit Rückführung der ionischen Flüssigkeit bzw. des mit ionischer Flüssigkeit angereicherten Arbeitsmittels.
Der Verdampfer enthält einen Anschluss 1 für den Dampftransport im Rahmen des Arbeitskreislaufs des Arbeitsmediums sowie einen Anschluss 2 für die
Kondensatrückführung. Der Anschluss 1 bildet die übliche Ankopplung des Verdampfers in den Kreislauf der Adsorptionswärmepumpe. Der Verdampfer ist über den Anschluss 1 mit dem hier nicht dargestellten Adsorber für das
Arbeitsmedium verbunden. Über den Anschluss 2 wird dem Verdampfer direkt unvermischtes Arbeitsmedium aus dem Kondensator unter Umgehung des
Adsorbers zugeführt.
Weiterhin ist ein Anschluss 3 vorgesehen, der einer Zu- und/oder Rückführung der ionischen Flüssigkeit bzw. des mit der ionischen Flüssig keit angereicherten Arbeitsmittels dient. Über den Anschluss 3 kann die Beladung des Verdampfers mit der ionischen Flüssigkeit verändert werden. Die ionische Flüssigkeit wird über den Anschluss 3 entweder aus einem Reservoir für die ionische Flüssigkeit oder aus einer im Arbeitskreislauf vorhandenen Dosiereinrichtung zugeführt und/oder zu den entsprechenden Komponenten abgeleitet. Der Verdampfer ist hier über einen Temperierungskreislauf 4 mit der
Niedertemperaturquelle gekoppelt und nimmt von dort Wärme auf. Der
Temperierungskreislauf ist innerhalb des Verdampfers mit einer
Wärmeübertragungsfläche ausgebildet.
Das Arbeitsmedium durchströmt den Verdampfer und trifft dabei auf die
Wärmeübertragungsfläche des Temperierungskreislaufs. Es bildet sich hierbei eine verdampfende Gemischschicht 6 aus. Diese Gemischschicht kann auf unterschiedliche Weise zustande kommen. Sofern das Arbeitsmedium bereits ionische Flüssigkeit enthält, bildet sich diese Gemischschicht durch die
Anlagerung des Arbeitsmediums auf dem Temperierungskreislauf aus. Möglich ist aber auch eine permanente Belegung der Oberfläche des Temperierungskreislaufs mit der ionischen Flüssigkeit. Das Arbeitsmedium trifft dabei in reinem Zustand auf die ionische Flüssigkeitsbelegung und vermischt sich mit dieser, wodurch sich dadurch die Gemischschicht herausbildet. Innerhalb der Gemischschicht werden die Verdamp-fungseigenschaften des Arbeitsmediums, insbesondere dessen Dampfdruck, durch die ionische Flüssigkeit stark modifiziert.
Das verdampfende Arbeitsmedium, im hier vorliegenden Beispiel Wasserdampf 8, tritt beim Verdampfungsprozess in einen Dampfraum 5 des Verdampfers über und entweicht über den Anschluss 1 in Richtung des hier nicht dargestellten
Adsorbers im Arbeitskreislauf. Das mit der ionischen Flüssigkeit angereicherte Arbeitsmedium kann über den Anschluss 3 aus dem Verdampfer ausgeleitet werden.
Fig. 7 zeigt eine beispielhafte Darstellung der Entmischung und Rückführung einer entmischten Phase der ionischen Flüssigkeit. Die Vorrichtung ist hier als eine Entmischeinrichtung E ausgeführt. Sie kann aber auch als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden.
Die Entmischeinrichtung E wird ebenfalls über einen Temperierkreislauf 4 temperiert. Der Temperierkreislauf taucht zumindest teilweise in ei n Bad des zunächst mit der ionischen Flüssigkeit vermischten Arbeitsmediums ein und hält dieses auf einer vorbestimmten Temperatur. In dem hier vorliegenden Beispiel bildet sich im Volumen des Arbeitsmediums eine verdampfende Gemischschicht 6 aus. Das Arbeitsmedium gelangt in flüssiger Form in die Entmischeinrichtung. Im hier vorliegenden Fall wird das Arbeitsmedium über einen Anschluss 2 zugeführt, während es die Entmischeinrichtung E über den Anschluss 1 in gasförmiger Form verlässt.
Das Arbeitsmedium, in dem hier vorliegenden Fall Wasser, tritt als praktisch von ionischen Flüssigkeitsanteilen freier Wasserdampf 8 in den Dampfraum 5 der Entmischeinrichtung über und wird über den Anschluss 1 des Dampftransportes abgeleitet. Über den Anschluss 2 kann Wasser jederzeit in die verdampfende Gemischschicht 6 zugeführt werden.
Das Arbeitsmedium weist in der Entmischungseinrichtung ein kritisches
Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium als solchem und dem ionischen Flüssigkeitsanteil auf. Dabei wird die Temperierung so eingestellt, dass bei diesem kritischen Mengenverhältnis eine Entmischung eintritt. Die ionische Flüssigkeit sammelt sich hierbei im unteren Bereich der Entmischungseinrichtung in Form einer ionischen Flüssigkeitsphase 9 und kann von dort über einen
Anschluss 3 abgeleitet werden. Sowohl das verdampfende Arbeitsmedium, im hier vorliegenden Fall Wasser, als auch die ionische Flüssigkeit in der Phase 9 können in den Verdampfer der Adsorptionswärmepumpe überführt werden, wobei dadurch ein vorbestimmtes Mengenverhältnis an den entsprechenden Teilen des Arbeitskreislaufs eingestellt werden kann.
Das Arbeitsmedium muss in der Entmischeinrichtung allerdings nicht
notwendigerweise verdampfen. Es reicht grundsätzlich aus, dass sich das
Arbeitsmedium entmischt und in zwei deutlich unterscheidbare Phasen scheidet. In einem solchen Fall kann das von ionischer Flüssigkeit weitgehend freie
Arbeitsmedium auch direkt über einen Auslass 7 aus der ersten Phase und die weitgehend unvermischte ionische Flüssigkeit ü ber den Anschluss 3 aus der Phase in den entsprechenden Mengen abgeleitet oder zugeführt werden.
Der Adsorber ist auf geeignete Weise mit einem Adsorbens gefüllt. Als Adsorbens sind insbesondere Zeolithe geeignet, die sich durch ein Porensystem mit
Porendurchmessern im Bereich der Größe kleinerer Moleküle auszeichnen.
Typische Zeolithe für diese Anwendung sind z. B. aber nicht ausschließlich FAU, LTA, CHA, AEI, AFI, MFI, EMT und MOR. Durch ihre Porenöffnungen können gängige Adsorbenzien wie Wasser und Ammoniak ins Porensystem eintreten. Die komplexen Anionen und Kationen der ionischen Flüssigkeiten sind dafür in den meisten Fällen zu groß. Dadurch sind im Sinne der Erfindung ionische
Flüssigkeiten besser als andere Substanzen geeignet, die auch
dampfdruckverringernd oder frost-schutzwirkend eingesetzt werden könnten, wie z. B. Ethylenglycol, das auch in Zeolithporen eintreten kann.
Fig. 8 zeigt eine beispielhafte Darstellung einer Adsorptionswärmepumpe mit einer Entmischungseinheit E. Diese Ausführungsform der
Adsorptionswärmepumpe kann dann gewählt werden, wenn die ionische
Flüssigkeit nicht permanent im Verdampfer und/oder Kondensator verbleibt. Die Entmischungseinheit E soll dabei zum einen das Arbeitsmedium von der ionischen Flüssigkeit trennen, dabei das Arbeitsmedium reinigen, dabei vor allem einen Übertritt der ionischen Flüssigkeit in den Adsorber verhindern und sichern, dass die Adsorptions- und Desorptionsprozesse des Arbeitsmediums dort nicht behindert werden und weiterhin sowohl den Verdampfer V als auch den
Kondensator K mit definierten Mengen der ioni-schen Flüssigkeit in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand und in Abhä ngigkeit von der jeweiligen
Arbeitsphase beschicken. Sie soll somit also auch als eine Dosiereinrichtung wirken.
Als Entmischungseinheit fungiert das Reservoir R im Mischzweig M. Der Aufbau des Reservoirs ist beispielsweise wie in Fig. 7 ausgeführt. Ein bestimmtes Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit ist dabei so eingestellt, dass bei einer bestimmten Temperatur eine Entmischung zwischen dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit eintritt. Diese
Temperatur wird in der Entmischungseinheit E durch eine Temperierung erreicht und aufrechterhalten. Das Arbeitsmedium scheidet sich dabei von der ionischen Flüssigkeit. Es bilden sich zwei voneinander durch eine Phasengrenze getrennte Phasen heraus, die aus der Entmischungseinheit einzeln abgeleitet werden können.
Sobald der Anteil der ionischen Flüssigkeit einen bestimmten Grenzwert überschreitet, der einem kritischen Mengenverhältnis bei der in der
Entmischungseinrichtung herrschenden Temperatur entspricht, tritt dort die Entmischung zwischen dem Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit ein. Die Entmischungseinrichtung E dient in einem solchen Fall als eine Falle bzw. eine Sammeleinrichtung für die ionische Flüssigkeit. Die ionische Flüssigkeit kann dabei abgepumpt und wieder vollständig beispielsweise in den Verdampfer V oder in den Kondensator über eine Flüssigkeitsleitung zurückgeleitet werden. Möglich ist natürlich auch ein Transport des Arbeitsmediums über die Flüssigkeitsleitung je nach dem Betriebszustand der Anlage.
Diese Vorgehensweise bietet auch eine einfache Möglichkeit zur Regulierung des Mengenverhältnisses zwischen dem zirkul ierenden Arbeitsmedium und der ionischen Flüssigkeit im Arbeitskreislauf. Diese Regulierung erfolgt über die Temperierung der Entmischungseinrichtung, denn diese definiert das kritische Mengenverhältnis, bei der überhaupt die Entmischung einsetzt. Die Temperierung der Entmischungseinheit kann dabei insbesondere an die Temperatur im Adsorber Ad bzw. an die Temperatur im Verdampfer und/oder Kondensator gekoppelt werden und damit einen Regelungskreislauf für das Mengenverhältnis und den Gehalt der ionischen Fl üssigkeit im Arbeitsmedium etablieren. Hierdurch ist es insbesondere möglich, bei einem starken Temperaturabfall beispielsweise am Verdampfer größere Mengen der ionischen Flüssigkeit aus dem zirkulierenden Arbeitsmedium abzuziehen, in den Verdampfer zu leiten und dort ein Einfrieren des Arbeitsmediums zu verhindert. Die Entmischungseinrichtung wirkt somit als ein Teil einer Frost-schutzeinrichtung .
Die Kondensatrückführung im Mischzweig M unterscheidet sich von der normalen Rückleitung des kondensierten Arbeitsmediums im Normalbetrieb der
Adsorptionswärmepumpe in dem einen wesentlichen Punkt, dass die
Kondensatrückfü hrung gezielt gesteuert wird . Hierdurch kann ein gleichbleibend niedriger Dampfdruck während des gesamten Verdampfungsprozesses
gewährleistet werden, weil das Mengenverhältnis zwischen Arbeitsmedium und ionischer Flüssigkeit über einen längeren Zeitraum im gewünschten Bereich konstant gehalten werden kann und der zum Ende des Verdampfungsvorgangs einsetzende Konzentrationsprozess der ionischen Fl üssigkeit etwas
hinausgezögert werden kann, wobei sich der Dampfdruck des Arbeitsmediums regeln lässt. Mit gezielter Zugabe von ionischer Flüssigkeit ins Arbeitsmedium im Verdampfer und damit signifikanter Senkung des Dampfdrucks des Gemisches unter den Gleichgewichtsdampfdruck des Adsorbers kann der Adsorptionsprozess auch deutlich vor einer Sättigung des Adsorbens beendet werden. Dies ist vorteilhaft, wenn die Adsorptionswärmepumpe auch zur Speicherung von Energie eingesetzt werden soll . Mit Zugabe von Arbeitsmittel aus der Kondensatrückführung zum Beispiel auch unter geregeltem Abzug des Gemischs im Verdampfer kann der Ad sorptionsprozess später wieder fortgesetzt werden. Dieses Verfahren ermöglicht eine ventillose Unterbrechung des Adsorptionsprozesses zum Beispiel zum Zwecke der Energiespeicherung im Adsorber.
Zur Regulierung der Mengen der ionischen Flüssigkeit in Verdampfer und
Kondensator und zur Speicherung der ionischen Flüsssigkeit kann auch in der Funktionsmediumrückführung ein Reservoir R vorgesehen werden.
Die Adsorptionswärmepumpe sowie das Verfahren zum Betreiben der
Adsorptionswärmepumpe wurden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Im Rahmen fachmännischen Handels sind weitere Ausgestaltungen möglich.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste
1 Anschluss für Dampftransport
2 Anschluss für Kondensatrückführung
3 Anschluss für Rückführung der ionischen Flüssigkeit
4 Temperierungskreislauf
5 Dampfraum
6 Gemischschicht
7 Lösungsmittelauslass
8 Wasserdampf
9 Ionische Flüssigkeitsphase
A Arbeitskreislauf
Ad Adsorbereinrichtung
Ads Adsorbens, fest
Ad l erster Teiladsorber
Ad2 zweiter Teiladsorber DV Druckventil
E Entmischungseinrichtung
F Flüssighalbkreis
FM Funktionsmedium
FR Funktionsmedienrückfluss
G Gashalbkreis
K Kondensator
KR Kondensatrückführung
P Pumpe
R Reservoir
V Verdampfer
V1-V4 Ventileinrichtung
V/K Verdampfer/Kondensator
W Wärmeübertragungskreislauf
Wl erster Wärmeträgerkreislauf
W2 zweiter Wärmeträgerkreislauf

Claims

Ansprüche
1. Adsorptionswärmepumpe, mit einer Adsorbereinrichtung (Ad), enthaltend ein festes Adsorbens, einen Verdampfer (V) und einen Kondensator (K) oder einen Verdampfer/Kondensator (V/K) und ein Arbeitsmedium in einem
Arbeitskreis (A),
wobei der Arbeitskreis zwischen dem Verdampfer, der Adsorbereinrichtung und dem Kondensator oder dem Verdampfer/Kondensator und der
Adsorbereinrichtung einen Gashalbkreis (G) aufweist, in welchem das
Arbeitsmedium gasförmig ist und einen zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ausgebildeten Flüssighalbkreis (F), in welchem das
Arbeitsmedium flüssig ist,
wobei der Flüssighalbkreis (F) ein mit dem Arbeitsmedium mischbares flüssiges, den Dampfdruck des Arbeitsmediums senkendes Funktionsmedium enthält.
2. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Flüssighalbkreis (F) von dem Kondensator (K) zu dem Verdampfer (V) führend ein Mischungszweig (M) vorgesehen ist, in welchem sich eine
Mischung mit abgereichertem Funktionsmedium im Arbeitsmedium befindet, und von dem Verdampfer (V) zu dem Kondensator (K) eine
Funktionsmediu mrückführung (FR) vorhanden ist, in welcher sich eine Mischung mit angereichertem Funktionsmedium im Arbeitsmedium befindet.
3. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Flüssighalbkreis (F) ein das Funktionsmedium enthaltendes Reservoir (R) aufweist, wobei Zu- und Abführungsleitungen zwischen dem Reservoir (R) und dem Verdampfer (V) und/oder dem Kondensator (K) und/oder in den Weg des Arbeitsmediums zwischen dem Kondensator (K) und dem
Verdampfer (V) vorgesehen sind.
4. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium (FM) permanent im Verdampfer verbleibt und d ort gespeichert ist.
5. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Kondensator (K) und dem Verdampfer (V) eine separate Kondensatrückführung (KR) vorgesehen ist, über die zeitgleich zu einer im Verdampfer (V) ablaufenden Verdampfung und einer im Kondensator (K) ablaufenden Kondensation ein Überführen von Anteilen des kondensierten Arbeitsmediums von dem Kondensator in den Verdampfungsprozess innerhalb des Verdampfers ausführbar ist.
6. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Ausführungsform mit Verdampfer/Kondensator (V/K) das
Funktionsmedium (FM) dort als ein permanenter Flüssigkeitsvorrat vorliegt.
7. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium (FM) oder seine Mischung mit dem Arbeitsmedium als ein Wärmeübertragungsmedium in einem den Verdampfer (V) und/oder den Kondensator (K) oder den Verdampfer/Kondensator (V/K) mit externen Wärmequellen und/oder Wärmesenken verbindenden in Richtung der
Adsorptionswärmepumpe offenen Hydraulikkreislauf fungiert.
8. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Flüssighalbkeis (F) das Reservoir (R) als eine Entmischeinrichtung (E) für das Arbeitsmedium vorgesehen ist, bei der eine Entmischung zwischen dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium ausführbar ist und das Arbeitsmedium oder das Funktionsmedium angereichert separat aus dem entmischten Bereich ableitbar ist.
9. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Reservoir (R) ein auf eine definierte Entmischungstemperatur
temperiertes Behältnis ist, wobei der Entmischungstemperatur ein kritisches Mengenverhältnis zwischen Arbeitsmedium und Funktionsmedium entspricht.
10. Adsporptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium (FM) eine ionische Flüssigkeit, insbesondere bestehend aus alkylierten oder nicht alkylierten Kationen in Form von Imidazolium, Pyridinium, Pyrrolidinium, Guanidinium, Uronium, Thiouronium, Piperidinium, Morpholinium, Ammonium und Phosphonium und aus Anionen in Form von Halogeniden, Tetrafluoroboraten, Trifluoracetaten, Triflaten,
Hexafluorophosphaten, Phosphinaten oder Tosylaten ist.
11. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium (FM) ein benetzungsförderndes Additiv ist.
12. Adsorptionswärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium (FM) ein frostschützendes und/oder
korrosionsinhibierendes Mittel ist.
13. Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe mit einem
Arbeitskreislauf aus einem Adsorber, einem Verdampfer und einem
Kondensator oder einem Verdampfer/Kondensator sowie ein zwischen dem Adsorber, dem Verdampfer und dem Kondensator umgetriebenes
Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium beim Durchlaufen des
Arbeitskreislaufs innerhalb des Flüssighalbkreises (F) mit einem flüssigen dampfdrucksenkenden Funktionsmedium gemischt wird und bei dem Übertritt in den Gashalbkreis (G) des Arbeitskreislaufs von dem Funktionsmedium entmischt wird.
14. Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe nach Anspru ch 13, dadurch gekennzeichnet, dass
der Kondensator und der Verdampfer durch eine geregelte
Kondensatrückführung und/oder über das Reservoir (R) miteinander gekoppelt werden, wobei das Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium im Verdampfer durch die über die
Kondensatrückführung rückgeführte Menge des Arbeitsmediums oder/und über ein geregeltes Abziehen der mit Funktionsmedium angereicherten Mischung mit dem Arbeitsmedium eingestellt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das flüssige Arbeitsmedium von mitgeführten Anteilen des Funktionsmediums spätestens vor dem Übertritt aus dem Flüssighalbkreis (F) in den Gashalbkreis (G) im Reservoir (R) entmischt wird, wobei aus dem Reservoir (R) ein
Abführen des Arbeitsmediums und/oder des Funktionsmediums aus dabei entstehenden entmischten Anteilen in den Verdampfer (V) und/oder den Kondensator (K) im Arbeitskreislauf (A) der Adsorptionswärmepumpe erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Reservoir (R) auf eine für die Mischung des Arbeitsmediums und dem Funktionsmedium charakteristische Entmischungstemperatur temperiert wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Entmischung von Arbeitsmittel und Funktionsmedium im Verdampfer erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium oder eine Mischung aus dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium in einem Reservoir (R) innerhalb des Flüssighalbkreises (F) des Arbeitskreislaufs zwischengelagert und von dort in den Flüssighalbkreis abgegeben wird, wobei ein vorbestimmtes Mengenverhältnis zwischen dem Arbeitsmedium und dem Funktionsmedium eingestellt wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 13 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Funktionsmedium aus dem Reservoir (R) in den Verdampfer geleitet wird, wobei in dem Verdampfer ein Unterbrechen der Verdampfung des
Arbeitsmediums durch ein Absenken des Dampfdrucks bewirkt oder
Ausspülen des Arbeitsmediums ausgeführt wird.
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