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Dokumentenidentifikation DE3700707C2 28.10.1993
Titel Verfahren und Anlage zum Betrieb von Adsorbern unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung für Wärmepumpen, Kältemaschinen und Wärmetransformatoren
Anmelder Ludwig, Jürgen, Dipl.-Ing., 5160 Düren, DE
Erfinder Ludwig, Jürgen, Dipl.-Ing., 5160 Düren, DE
Vertreter Mey, K., Dipl.-Ing.Dr.-Ing.Dipl.Wirtsch.-Ing., Pat.-Anw., 50226 Frechen
DE-Anmeldedatum 13.01.1987
DE-Aktenzeichen 3700707
Offenlegungstag 21.07.1988
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.10.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.10.1993
IPC-Hauptklasse F25B 37/00
IPC-Nebenklasse F25B 17/08   F24J 3/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es handelt sich um ein Verfahren zur Adsorption und Desorption von Gasen an handelsüblichen festen Adsorptionsmitteln, wie z. B. Kieselgel, aktiver Tonerde, Aktivkohle, Kohlenstoff- Molekularsieben und vorzugsweise Zeolithen.

Das Hauptanwendungsgebiet betrifft Adsorptions- Wärmepumpen/-Kältemaschinen.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist der Wärmetransformator. Während man bei der Adsorptionswärmepumpe/-Kältemaschine Wärme hoher Temperatur und Wärme niedriger Temperatur ("Kälte") zuführt und Wärme mittlerer Temperatur gewinnt, führt man bei dem Wärmetransformator Wärme mittlerer Temperatur zu und gewinnt Wärme hoher Temperatur und Wärme niedriger Temperatur (normalerweise Abwärme). Wärmetransformatoren werden heute bereits industriell angewendet, um aus Abwärme mittlerer Temperatur (z. B. Brüden in einer Brauerei) Wärme hoher Temperatur zu gewinnen, wobei Abwärme niedriger Temperatur abgeführt werden muß. Ausgeführte Anlagen arbeiten nach Absorptionsverfahren mit den Stoffgemischen Ammoniak-Wasser, Lithiumbromid-Wasser und Schwefelsäure-Wasser und sind damit im Temperaturbereich eng begrenzt.

Ferner ist als Anwendungsmöglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ein neues Regenerationsverfahren für Adsorber vorgesehen. Heute werden Adsorber entweder durch Spülen mit einem heißen Gas oder Dampf (thermische Regeneration), durch Druckwechsel oder durch Verdrängung regeneriert. Auch hier bringt das neue Verfahren Vorteile im Verbrauch an Regenerationsenergie, denn bei einer thermischen Regeneration durch Spülen mit einem heißen Gas treten erhebliche Mehraufwendungen für Energie auf. Die energetisch besonders günstige Verfahrensweise nach der Erfindung erschließt der Stofftrennung durch Adsorption neue Anwendungsgebiete.

Ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 wurde in der DE-OS 20 01 895 offenbart. Diese Offenlegungsschrift geht von je einer im wesentlichen einheitlichen Temperatur des Adsorbers aus, wobei die Temperatur des Desorbers (entsprechend dem höheren Druck) höher als die Temperatur des Adsorbers ist. Deshalb kann bei der bekannten Wärmepumpe keine Adsorptionswärme vom Adsorber auf den Desorber übertragen werden und der Energieverbrauch ist vergleichsweise hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch von Adsorbern, insbesondere im Hinblick auf den Bau von Adsorptionswärmepumpen, Adsorptions-Kälteanlagen und Wärmetransformatoren zu optimieren. Das Verfahren soll einfach im Aufbau und im Betrieb sein.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß wird dabei die Adsorptionswärme teilweise zur Desorption eingesetzt. Dies ist durch Ausnutzung der von dem im Adsorptionsmittel adsorbierten Massenanteil stark abhängigen Gleichgewichtstemperatur, insbesondere bei dem System Zeolith-Wasser möglich.

Wesentlich an dem Verfahren ist, daß es auf Grund der neuartigen optimalen Schaltung und Betriebsweise an sich bekannter Apparate möglich ist, bei Einsatz geeigneter Adsorptionsmittel einen Teil der Adsorptionswärme für die Desorption zu verwenden. Dadurch wird es möglich, den Energiewert hoher Temperaturen (bis zu den jeweiligen Materialgrenzen) wie in Arbeitsmaschinen auszunutzen.

Es werden mindestens zwei Adsorber eingesetzt, wobei gleichzeitig der eine adsorbiert und der andere desorbiert. Die Adsorber arbeiten bei unterschiedlichen Drücken, die im allgemeinen der Kondensations- bzw. Siedetemperatur des Arbeitsmittels entsprechen. Entsprechend ist auch der Verlauf der Adsorbertemperaturen unterschiedlich. Die Wärme wird an ein Wärmeträgerfluid (Flüssigkeit oder bei zu hohen Temperaturen ein Gas) im adsorbierenden Apparat abgeführt und im desorbierenden Apparat vom Wärmeträgerfluid zugeführt. Die unterschiedlichen Temperaturen der beiden Adsorber werden durch Wärmezu- bzw. -abfuhr zum/vom Wärmeträgerfluid bei hoher bzw. mittlerer Temperatur ausgeglichen. Nach Erschöpfen des adsorbierenden Adsorbers und fertiger Regeneration des desorbierenden Adsorbers wird die Förderrichtung des Wärmeträgerfluids umgedreht. Je nachdem, ob bei niedrigem Druck adsorbiert oder desorbiert wird, handelt es sich um eine Wärmepumpe/Kältemaschine oder einen Wärmetransformator. Bei Adsorbern zur Trennung von Stoffgemischen kann es auch sinnvoll sein, in den Wärmetauschvorrichtungen für hohe bzw. mittlere Temperatur lediglich die Verlustwärme auszugleichen.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 beschrieben. Mit dieser Maßnahme kann vorteilhaft der Bereich von Arbeitstemperatur und Druck den Prozeßparametern optimal angepaßt und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert werden. Dabei werden zweckmäßigerweise im "kalten" Bereich Adsorptionsmittel eingesetzt, die schon bei niedrigen Temperaturen ein hohes Adsorptionsvermögen besitzen, während auf der "warmen" Seite Adsorptionsmittel mit einem in diesem Bereich hohen Aktivitätsniveau verwendet werden. Die Begriffe "Adsorption" und "Adsorptionsmittel" werden auch dann verwendet, wenn es sich bei den Bindungskräften zwischen Feststoff und Gas nicht um Oberflächenkräfte sondern auch um andere reversible Bindungsmechanismen handelt.

Eine weitere Ausgestaltung ist in Anspruch 3 beschrieben. Wenn Wärme mit mittlerer Temperatur gewonnen wird, ist der Betrieb als Wärmepumpe möglich, wenn Wärme mit niedriger Temperatur gewonnen wird, dient das Verfahren zur Kälteerzeugung. Dabei kann die Wärmetauscheinrichtung für mittlere Temperatur auch als Entspannungsverdampfer ausgebildet sein. Mit großem Vorteil wird bei der Wärmepumpe/Kältemaschine durch Entspannung des Gasraumes (Dampf-Adsorptionsmittelraum) und/oder Flüssigkeitsraumes des jeweiligen Desorbers in den Adsorber am Ende des Zyklus die Beladung des Adsorbers und die Regeneration des Desorbers verbessert.

Eine weitere Ausgestaltung ist in Anspruch 4 beschrieben. Diese Ausgestaltung eignet sich zur Wärmetransformation. Dabei kann die Wärmetauscheinrichtung für hohe Temperatur auch als Entspannungsverdampfer ausgebildet sein. Nach Ende des Zyklus muß der Verdampfer dem neuen Adsorber und der Kondensator dem neuen Desorber zugeordnet werden, was beispielsweise durch Einschalten der Wärmezufuhr nur für den dem Adsorber zugeordneten Verdampfer und Einschalten der Kühlmittelzufuhr nur zu dem dem Desorber zugeordneten Kondensator geschieht. Falls nur ein Verdampfer und ein Kondensator vorhanden ist, ist leitungsmäßig nur der jeweiligen Adsorber mit dem Verdampfer und nur der jeweilige Desorber mit dem Kondensator zu verbinden.

Das Verfahren kann gemäß Anspruch 5 auch mit Vorteil zur Adsorption und Desorption von Adsorbern für die Stofftrennung eingesetzt werden. Berücksichtigt man dabei Gesichtspunkte der Trennung und Wärmewirtschaft, so kommt sowohl höherer, gleicher als auch niedrigerer Druck für die Adsorption im Vergleich zur Desorption in Frage. Für besonders hohe Reinheitsanforderungen kann es zweckmäßig sein, nach der Desorption der Hauptmenge nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Heißgasdesorption, Wasserdampfdesorption bei Aktivkohlen usw., vorzugsweise durch Verringerung des Druckes, zweckmäßigerweise durch Kühlen des Kondensators mit einem kälteren Kühlmittel und Ansaugen der Restdämpfe mit einer kleinen Vakuumpumpe die Regeneration zu verbessern.

Ferner ist gemäß Anspruch 6 vorgesehen, daß die Wärme- bzw. Kälteleistung kontinuierlich durch Ändern der Umlaufmenge an Wärmeträgerfluid konstant geregelt wird. Hierdurch wird eine sehr einfache und hinreichend genaue Regelungsmöglichkeit des Prozesses aufgezeigt.

Zweckmäßigerweise wird in einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 7 desorbierter und adsorbierter Dampf jeweils an der kalten Seite der Absorber ein- bzw. austreten und/oder zum Adsorber strömender Dampf wird mit aus dem Adsorber austretendem Dampf vorgewärmt. Auf diese Weise kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter verbessert werden.

In einem Anwendungsbeispiel für eine Haushaltswärmepumpe sinkt der Brennstoffverbrauch auf weniger als die Hälfte eines üblichen Heizkessels. Der Brennstoffverbrauch für eine Kältemaschine gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel ist (bezogen auf den unteren Heizwert) geringer als die Kälteleistung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Erläuterung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt

Fig. 1 das erfindungsgemäße Verfahren in schematisiertem Verfahrensablauf zur Verwendung als Wärmepumpe/Kältemaschine,

Fig. 2 das erfindungsgemäße Verfahren in schematisiertem Verfahrensablauf zur Verwendung als Wärmetransformator,

Fig. 3 das erfindungsgemäße Verfahren in schematisiertem Verfahrensablauf für weitere Verwendungen,

Fig. 4 schematischer Temperaturverlauf des Adsorptionsmittels (Zeolith) in den Adsorbern während einer Betriebsperiode bis zur Umschaltung,

Fig. 5 Gleichgewichtsdiagramm mit Adsorptionsisobaren für H&sub2;O an Zeolith.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Apparateanordnung zur Verwendung als Wärmepumpe oder Kältemaschine, bestehend im wesentlichen aus zwei Adsorbern (1) und (2) mit je einem eingebauten und mit Adsorptionsmittel (11, 12) umgebenen Wärmetauscher (10, 20), die simultan vorzugsweise bei unterschiedlichen Drücken adsorbieren bzw. desorbieren. Eine Fördereinrichtung (P) fördert ein Wärmeträgerfluid durch die Wärmetauscher (10, 20) der Adsorber (1, 2) und überträgt dadurch einen Teil der Adsorptionswärme vom jeweils adsorbierenden Adsorber auf den desorbierenden Adsorber. Zum Ausgleich der (entsprechend den unterschiedlichen Drücken) unterschiedlichen Temperaturen an der "warmen" (B, C) und an der "kalten" (A, D) Seite der Wärmetauscher (Fig. 1-5) sind die Wärmetauschvorrichtungen (3) bzw. (4) vorgesehen. Wenn der adsorbierende Adsorber beladen und der desorbierende Adsorber regeneriert ist, wird der bisher adsorbierende Adsorber auf Desorption und der bisher desorbierende Adsorber auf Adsorption geschaltet. Das geschieht durch Umkehrung der Fördereinrichtung der Fördereinrichtung (P). Weiter muß auf die entsprechende Leitung für Zu- bzw. Abfuhr des zu adsorbierenden bzw. zu desorbierenden Dampfes umgeschaltet werden.

Das Wärmeträgerfluid (d. h. eine Flüssigkeit mit einer Arbeitstemperatur bis zu 350-400 Grad Celsius oder ein Gas unter hohem Druck) wird mittels der Fördereinrichtung (P) zunächst durch den in den Adsorber (1) eingebauten Wärmetauscher (10) gefördert, der mit Adsorptionsmittel (11) - beispielsweise Zeolith - umgeben ist. Die mit Adsorptionsmittel (11, 21) umgebenen Wärmetauscher (10, 20) können normalerweise aus quer- oder längsgerippten Rohren ausgeführt werden, die in einer normalen Adsorptionsmittelschicht untergebracht sind. Bei niedrigen Arbeitsmitteldrücken werden die Arbeitsmittelvolumina so groß, daß zusätzliche Strömungskanäle erforderlich werden. Eine vorteilhafte Ausführung besteht aus einer oder mehreren Rohrlagen für das Wärmeträgerfluid, bei welchen Drahtsiebe oder Schlitzbleche sowohl das Adsorptionsmittel fixieren als auch für gute Wärmeleitung vom Adsorptionsmittel zu den Rohren sorgen. Als Material für die Rohre und Siebe werden gut wärmeleitende Metalle wie Kupfer, Aluminium oder Eisen verwendet. Zwischen den Rohrlagenpaketen sind Strömungskanäle für das Arbeitsmittel vorgesehen.

Das Adsorptionsmittel (11) adsorbiert Dampf, z. B. Wasserdampf aus dem Gasraum (12), wobei Wärme frei wird, die das Fluid im Wärmetauscher (10) indirekt erwärmt. (Die Temperaturen an den Stellen A, B, C, D ergeben sich in diesem Beispiel aus den Fig. 4 und 5). Der Dampf wird zunächst in einem Verdampfer (13) erzeugt und über die Leitung (14) in den Adsorber (1) eingeleitet. Der Verdampfer (13) ist beispielsweise als Naturumlaufverdampfer über die Leitung (15) ausgebildet, kann aber entsprechend Wärmequelle, Arbeitsmittel und Druck beliebig angepaßt werden. Größere Verdampfer werden zweckmäßig umschaltbar auf jeden der beiden Adsorber (1, 2) ausgeführt. Kleine Verdampfer können auch in die Adsorber (1, 2) eingebaut werden. Bei Einsatz als Kältemaschine wird im Verdampfer (13) bzw. nach Umschaltung in (23) die "Kälte" gewonnen. Bei niedrigem Druck der Verdampfer (13, 23) ist eine Umlaufpumpe erforderlich.

Das Fluid fließt nach Verlassen des Adsorbers (1) weiter durch die Wärmetauscheinrichtung hoher Temperatur (3), in der es weiter erwärmt wird. Es wird Abwärme hoher Temperatur oder auch Nutzwärme aus Verbrennung von Öl oder Gas, aus einem Elektrowärmespeicher oder einer Wärmepumpe zugeführt. Bei hohen Temperaturen der Abwärme muß eine mögliche Schädigung des Wärmeträgerfluids berücksichtigt werden. Als Lösung dieses Teilproblems bietet sich beispielsweise die Zwischenschaltung eines Salzbades oder eines anderen Speichers an.

Das Fluid hoher Temperatur fließt dann weiter durch den Adsorber (2) mit eingebautem Wärmetauscher (20), der wiederum mit Adsorptionsmittel (21) umgeben ist. Hier gibt das Fluid Wärme ab, wobei Dampf aus dem Adsorptionsmittel (21) desorbiert wird. Der Dampf wird aus dem Gasraum (22) über Leitung (26) in Kondensator (27) geleitet und kondensiert. Er gibt Wärme mittlerer Temperatur ab. Größere Kondensatoren (17, 27) werden zweckmäßig wiederum umschaltbar auf beide Adsorber (1, 2) ausgeführt. Kleine Kondensatoren (17, 27) können auch in die Adsorber (1, 2) eingebaut werden. Das im Kondensator (27) anfallende Kondensat fließt durch Leitung (26) in Adsorber (2) zurück. Nach Ende des Zyklus wird der Inhalt von Adsorber (2), also Dampfraum (22) einschließlich dem darin enthaltenen Kondensat und das Adsorptionsmittel (21) vorzugsweise über die Leitung (30) mit Absperrorgan (31) zum Adsorber (1) entspannt.

Nach Verlassen des Desorbers (2) fließt das Fluid weiter in die Wärmetauscheinrichtung (4), die als Wärmetauscher oder Entspannungsverdampfer ausgebildet sein kann. Eine Ausbildung als Entspannungsverdampfer ist sinnvoll, wenn Fluid und Arbeitsmedium gleich sind (z. B. Wasser) und der Entspannungsdampf an anderer Stelle verwendet werden kann. In diesem Falle muß die gleiche Menge Kondensat wieder zurückgeführt werden, wie Dampf gewonnen wird. Von der Wärmetauscheinrichtung (4) fließt das Fluid der Fördereinrichtung (P) wieder zu und vollführt einen weiteren Umlauf. Bei Einsatz als Wärmepumpe wird die Nutzwärme im Kondensator (27) bzw. (17) und in der Wärmetauscheinrichtung (4) gewonnen.

Nach Beladen des Adsorptionsmittels im Adsorber (1) mit Arbeitsmittel, was am Temperaturabfall an der Stelle (B) (vgl. Fig. 4, B&min;-B&min;&min;) zu erkennen ist und Entladen des Adsorbers (2), was am Temperaturanstieg an der Stelle (D) (vgl. Fig. 4, D&min;-D&min;&min;) zu erkennen ist, wird die Flußrichtung des Fluids umgestellt, was durch eine Pumpe mit umkehrbarer Förderung oder eine Ventilsteuerung geschehen kann. Dadurch wird Adsorber (1) auf Desorption und Adsorber (2) auf Adsorption für die folgende Periode umgeschaltet, wonach wiederum eine Umschaltung erfolgt.

Die Kondensatoren (17, 27) brauchen nicht umgeschaltet zu werden. Als Naturumlaufverdampfer (13, 23) ausgebildete und unterhalb der Adsorber (1, 2) angeordnete Verdampfer brauchen ebenfalls nicht umgeschaltet zu werden. Falls die Verdampfer (13, 23) eine Umlaufpumpe haben, ist diese bei Betrieb als Desorber abzuschalten. Für das Abtauen luftbeheizter Verdampfer ist eine Umlaufpumpe bei Lufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt erforderlich.

Die Regelung der ausgetauschten Wärmemengen erfolgt gemäß Anspruch 6 zweckmäßig durch Regelung der in der Zeiteinheit umlaufenden Fluidmenge. Je nach Bauart und Schaltung der Fördereinrichtung (P) kann dies in an sich bekannter Weise durch Umgangsregelung (By-pass), Drosselregelung, Drehzahlregelung oder An-/Ausschaltung geschehen. Es können auch zweckmäßigerweise Grenzwertschalter eingebaut werden, die die Fördereinrichtung für den Umlauf unter bestimmten Bedingungen abschalten. Beispielsweise kann ein Rippenrohrverdampfer bei zu hoher Wärmeleistung und Außenlufttemperaturen von 5-8 Grad Celsius soweit vereisen, daß er wirkungslos wird.

Bei brennstoffbeheizten Wärmepumpen für Hausheizung legt man die Feuerungsanlage zweckmäßigerweise so aus, daß auch bei niedrigsten Außentemperaturen noch die volle Wärmeleistung erbracht werden kann. Dadurch wird ein zusätzlicher Heizkessel erspart.

Bei Betrieb eines Wärmetransformators gemäß Fig. 2 wird im Verdampfer (23) des Adsorbers (2) nach periodischer Umschaltung wiederum ein Fluid, z. B. Wasser, mit Wärme mittlerer Temperatur, z. B. 40 Grad Celsius verdampft. In dem den Wärmetauscher (20) umgebenden Zeolith (21) wird der Wasserdampf wieder adsorbiert. Die dabei frei werdende Wärmemenge erwärmt das in dem Wärmetauscher (20) von (D) nach (C) fließende Wärmeträgerfluid auf ein hohes Temperaturniveau. Mittels der Wärmetauscheinrichtung (3) wird das Wärmeträgerfluid bei Abgabe von Nutzwärme hoher Temperatur auf beispielsweise 185 Grad Celsius abgekühlt. Die Wärmetauscheinrichtung (3) kann als Wärmetauscher oder als Entspannungsverdampfer ausgebildet sein. Eine Ausbildung als Entspannungsverdampfer ist sinnvoll, wenn Dampf, beispielsweise zur Beheizung an anderer Stelle oder - bei Wasser als Flüssigkeit - zum Einspeisen in ein Dampfnetz oder zum Betrieb einer Kraftmaschine, z. B. einer Turbine verwendet werden kann. In diesem Falle muß die gleiche Menge Kondensat wieder zum Entspannungsverdampfer zurückgeführt werden, wie Dampf abgezogen wurde. Der Umlaufpumpe (P) muß in diesem Falle die im Entspannungsverdampfer (3) anfallende Flüssigkeit zugeführt werden. Bei Einbau eines Wärmetauschers (3) würde die Fördereinrichtung (P) an der kältesten Stelle des Fluidkreislaufes, also am Wärmetauscher (4) vorgesehen. Die Leitungen (14-16) sowie (24-26) sind mit Absperrorganen versehen.

Im Wärmetauscher (10), der im Adsorber (1) eingebaut ist, fließt das Wärmeträgerfluid von (B) nach (A) und kühlt sich durch Abgabe von Wärme an den umgebenden Zeolith (11) ab. Dabei wird Wasser aus dem Zeolith (11) desorbiert und bei niedriger Temperatur im Kondensator (17) kondensiert. Die Temperatur von 0,1 Grad Celsius wurde im Beispiel gewählt, um die Umkehrbarkeit des Verfahrens aufzuzeigen. Würde sie um beispielsweise 30 Grad Celsius angehoben, würden alle Temperaturen um etwa den gleichen Betrag steigen.

Das im Kondensator (17) kondensierte Wasser fließt über Leitung (16) in Adsorber (1) zurück, der mit Verdampfer (13) verbunden ist. Das abgekühlte Wärmeträgerfluid wird im Wärmetauscher (4) von im Beispiel 40 Grad Celsius auf 80 Grad Celsius mit Wärme mittlerer Temperatur erwärmt und gelangt dann wiederum in den Adsorber (2).

Wenn die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit bei (A) ansteigt und bei (C) abfällt, wird die Förderrichtung des Fluids wiederum umgekehrt. Dadurch wird im Adsorber (1) die dann im Verdampfer (13) verdampfte Flüssigkeit adsorbiert. Im Adsorber (2) wird dann wieder desorbiert usw. Zur Verbesserung der Wärmewirtschaft wird Ein- bzw. Austritt des Dampfes vorzugsweise auf der kalten Seite der Zeolithfüllungen (11, 21) vorgesehen. Dadurch wird eine Erwärmung des eintretenden Sattdampfes und eine Abkühlung des austretenden überhitzten Dampfes im Gegenstrom mit dem Adsorptionsmittel ermöglicht. Es ist ferner möglich, den von anderen Anlagen oder vom Verdampfer zum Adsorber strömenden Dampf, z. B. mit dem desorbierten Dampf vorzuwärmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann darüber hinaus gemäß Fig. 3 beispielsweise auch zur Umformung von Turbinenanzapfdampf auf höhere Drücke in Wärmepumpen oder Wärmetransformator-Schaltungen eingesetzt werden. Dabei tritt der zu adsorbierende Dampf durch die Leitung (14) bzw. (24) in den Adsorber (1) bzw. (2) ein. Der desorbierte Dampf tritt aus der Leitung (16) bzw. (26) aus dem Adsorber (1) bzw. (2), beispielsweise in ein Dampfnetz aus. In ganz analoger Weise können auch aus einer Destillationsanlage oder einem anderen chemischen Verfahren austretende Dämpfe umgeformt und beispielsweise wieder zur Beheizung des Verfahrens verwendet werden. Inerte oder nicht adsorbierte Stoffe können dabei über die Leitungen (18, 28) abgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil für die Verringerung des Energieverbrauches einer adsorptiv arbeitenden Trennanlage eingesetzt werden. In diesem Falle tritt der zu trennende Gemischdampf durch die Leitung (14) in den Adsorber (1) ein. Der nicht adsorbierte Dampf tritt über die Leitung (18) aus. Im Adsorber (2) wird der desorbierte Dampf über die Leitung (28) abgeführt. Nach Erschöpfen des Adsorbers (1) wird Adsorber (2) auf Adsorption geschaltet.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel für den Temperaturverlauf des Adsorptionsmittels nach periodischer Umschaltung der beiden Adsorber (vgl. Fig. 1-3, Ziffern 11, 21) jeweils zu Beginn und am Ende der Adsorption/Desorption am Eintritt und am Austritt der in die Adsorber eingebauten Wärmetauscher (vgl. Fig. 1-3, Ziffern 10, 20). Für den Fall des Betriebes als Wärmepumpe oder Kältemaschine (gemäß Fig. 1) ist am Beginn des Adsorptionsvorganges die Temperatur des Zeoliths am Wärmeträgereintritt vom vorausgegangenen Desorptionszyklus her im ersten Adsorber 80 Grad Celsius (A&min;) und die Temperatur des eintretenden Fluids 40 Grad Celsius (vgl. Fig. 1, (A)). Danach steigt die Temperatur des Zeoliths in Richtung des neuen Wärmeträgerflusses in der Massenübergangszone (Masstransfer Zone = MTZ) schnell auf 265 Grad Celsius an und bleibt auf diesem Wert bis zum Austritt am Punkt (B&min;). Das 40 Grad Celsius warme Fluid kühlt den Zeolith im Laufe einer Periode auf 40 Grad Celsius am Eintritt ab (A&min;&min;) und erwärmt sich durch die am Zeolith freiwerdende Adsorptionswärme in der MTZ auf nur noch 185 Grad Celsius und weiter, soweit fühlbare Wärme des Adsorbers zur Verfügung steht auf bis zu 265 Grad Celsius (B&min;). Im Wärmetauscher für hohe Temperatur (vgl. Fig. 1, Ziffer 3) wird dem Fluid von 265 Grad Celsius (B&min;) anfangs keine Wärme zugeführt und es tritt mit 265 Grad Celsius in Adsorber (2) ein (C&min;). Am Beginn des Desorptionsvorganges im Adsorber (2) ist die Zeolithtemperatur 185 Grad Celsius am Eintritt (C&min;) des Wärmeträgers fallend auf 40 Grad Celsius am Austritt (D&min;).

Am Ende der Adsorptionsperiode werden nur noch 185 Grad Celsius erreicht (B&min;&min;). Im Wärmetauscher für hohe Temperatur (vgl. Fig. 1, Ziffer 3) wird das Fluid auf eine Temperatur von 265 Grad Celsius erwärmt. Mit der 265 Grad Celsius heißen Wärmeträgerflüssigkeit läuft die MTZ mit einer Eintrittsstemperatur von 265 Grad Celsius (C&min;&min;) und einer Austrittstemperatur von 80 Grad Celsius (D&min;&min;) am Ende der Desorptionsperiode durch den Zeolith. Am Temperaturanstieg am Punkt (D&min;&min;) kann das Ende der Desorption festgestellt werden. Eine Abkühlung des Zeoliths durch interne oder externe Entspannung zum Adsorber (2) um bis zu 15 Grad Celsius ist hierbei vereinfachend nicht berücksichtigt worden.

Gemäß Fig. 5 werden die Vorgänge an Hand eines Gleichgewichtsdiagramms für den Betrieb als Wärmepumpe oder Kältemaschine näher erläutert. Als Temperaturen sind dabei auf der Abszisse die Gleichgewichtstemperaturen von Zeolith in Grad Celsius angegeben, wobei der Temperaturunterschied zwischen Zeolith und Fluid beim Wärmeaustausch durch einen Wirkungsgrad später rechnerisch berücksichtigt wird (etwa 60-70%). Auf der Ordinate ist der Massenanteil an adsorbiertem Wasserdampf in Prozent aufgetragen. Mit Bezug auf Fig. 1 wird im Verdampfer (13) Wasser bei einer Temperatur von 0,1 Grad Celsius (zur Vermeidung des Einfrierens kann dem Wasser handelbsübliches Frostschutzmittel zugesetzt werden) und einem Gleichgewichtsdruck von 6,2 hPa verdampft und im adsorbierenden ersten Adsorber (vgl. Fig. 1, Ziffer 1) an Zeolith adsorbiert. Dabei erwärmt sich das Fluid in der MTZ des adsorbierenden Adsorbers von 40 Grad Celsius bei 21 Massenprozent H&sub2;O (Punkt A&min;&min;) auf 185 Grad Celsius bei 4% H&sub2;O (Punkt B&min;&min;). Im zweiten Adsorber (vgl. Fig. 1, Ziffer 2) wird gleichzeitig Wasser bei einem Druck von 73,8 hPa entsprechend einer Kondensationstemperatur von 40 Grad Celsius wieder desorbiert. Dabei fällt die Adsorptionstemperatur von 265 Grad Celsius bei 4% H&sub2;O (Punkt C&min;&min;) auf 80 Grad Celsius bei 21% H&sub2;O in der MTZ (Punkt D&min;&min;). Erfindungsgemäß wird mit der Adsorptionswärme vom ersten Adsorber bei vollständigem Wärmeaustausch Wärmeträgerflüssigkeit von 40 Grad Celsius auf 185 Grad Celsius erwärmt (Linie A&min;&min;-B&min;&min;). Die Wärmeträgerflüssigkeit wird dann mit Wärme hoher Temperatur (vgl. Fig. 1, Zffer 3) auf 265 Grad Celsius erwärmt (Linie B&min;&min;-C&min;&min;). Im zweiten Adsorber gibt die Wärmeträgerflüssigkeit Wärme an den Zeolith ab, mit der das Wasser wieder desorbiert wird (Linie C&min;&min;-D&min;&min;). Dabei kühlt sich die Wärmeträgerflüssigkeit in der MTZ von 265 auf 80 Grad Celsius ab. Die Wärmeträgerflüssigkeit wird anschließend von 80 Grad Celsius auf 40 Grad Celsius abgekühlt, wobei Wärme bei mittlerer Temperatur (vgl. Fig. 1, Ziffer 4) anfällt. Sobald die Kapazität beider Adsorber erschöpft ist und die Temperatur der aus dem ersten Adsorber austretenden Wärmeträgerflüssigkeit abfällt und die der aus dem zweiten Adsorber austretenden Wärmeträgerflüssigkeit ansteigt, muß die Strömungsrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit erfindungsgemäß umgekehrt werden. Dadurch wird das im ersten Adsorber adsorbierte Wasser wieder desorbiert bis die Kapazität wieder erschöpft ist.

Das Verhältnis von Nutzwärme zu aufgewendeter Wärme ergibt für einen idealisierten Fall bzw. für einen praktisch möglichen Fall (effektiv) pauschal multipliziert mit einem Wirkungsgrad von 0,65, für eine Wärmepumpe 3,13 (effektiv=2,05), für eine Kältemaschine 2,15 (effektiv=1,397) und für einen Wärmetransformator 0,245 (effektiv=0,159).

Verdampft man die zu adsorbierenden Dämpfe in einem Verdampfer und kondensiert die zu desorbierenden Dämpfe in einem Kondensator, so ergibt sich folgendes Schema für die Verwendung der Einrichtung als Wärmepumpe, Kältemaschine oder Wärmetransformator:



Bei Verwendung als Regeneriersystem für Adsorberanlagen kann eine der drei in der Tabelle aufgeführten Schaltungen verwendet werden. Unter Umständen ist es ausreichend, wenn nur Verlustwärme in den Wärmetauschvorrichtungen (3) bzw. (4) ausgetauscht wird.

Das beschriebene Verfahren zur im wesentlichen zeitgleichen Adsorption und Desorption eines Arbeitsmittels in zwei Adsorbern kann für alle an einem Adsorptionsmittel adsorbierenden Stoffe angewendet werden, bei denen sich unter den gegebenen Drücken und Temperaturen ein Beladungsbereich von niedrigen bis zu möglichst hohen Werten erzielen läßt. Dabei sind heute bereits Zeolithe verfügbar, die bei bis zu 1600 hPa Druck und bis zu 350 Grad Celsius Temperatur im Dauerbetrieb arbeiten können. Da Zeolithe bei anderen Verfahren bei Temperaturen von über 500 Grad Celsius als Katalysatoren eingesetzt werden und bei über 650 Grad Celsius thermisch behandelt werden, können auch für die Adsorption höhere Temperaturen erreichbar sein. Da sich das Carnotsche Wärmeverhältnis für die Wärmepumpe mit höheren Temperaturen und Drücken noch verbessert, ist es sinnvoll, das Verfahren bis zu Temperaturen und Drücken einzusetzen, die sich insbesondere bei Wasser als Arbeitsmittel nur aus der maximal zulässigen und wirtschaftlichen Temperatur für Adsorptionsmittel und Material ergeben.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind nicht auf die in den Zeichnungsfiguren dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können beispielsweise, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, die Adsorberfüllungen in beliebiger Weise ausgebildet und angeordnet sein. Die jeweilige konstruktive Ausgestaltung ist in Anpassung an die spätere Verwendung der Vorrichtung dem Fachmann anheimgestellt.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Betrieb von Adsorbern unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung für Wärmepumpen, Kältemaschinen und Wärmetransformatoren, bestehend aus mindestens zwei Adsorbern (1, 2) mit je einem von Adsorptionsmittel umgebenen eingebauten Wärmetauscher (10, 20), mindestens einer Wärmetauscheinrichtung (3) für hohe Temperatur, mindestens einer Wärmetauscheinrichtung (4) für mittlere Temperatur und mindestens einer Fördereinrichtung (P) für ein Wärmeträgerfluid, wobei das Fluid zunächst durch den Wärmetauscher (10) des adsorbierenden Adsorbers (1), dann durch die Wärmetauscheinrichtung (3) für hohe Temperatur und danach durch den Wärmetauscher des desorbierenden Adsorbers (2) gefördert wird, nach dessen Verlassen die Wärmetauscheinrichtung (4) für mittlere Temperatur passiert und dann wieder dem Wärmetauscher des adsorbierenden Adsorbers (1) zufließt, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Wärme- und Stoffübertragungszone in den Adsorbern (1, 2) nur in einem Abschnitt des jeweiligen Adsorbers vorhanden ist, wobei dieser Abschnitt sich örtlich und zeitlich durch den jeweiligen Adsorber (1, 2) bewegt, und daß sich die Adsorptions- und Desorptionstemperaturbereiche wenigstens teilweise überschneiden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung des Temperaturbereiches der Wärme- und Stoffübertragungszone mehrere verschiedene Adsorptionsmittel gleichzeitig zur Adsorption/Desorption verwendet werden, vorzugsweise verschiedenartige Zeolithe.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einer Wärmepumpe oder Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Desorber (1, 2) bei höherem Druck als der jeweilige Adsorber (2, 1) betrieben wird, im Wärmetauscher (3) für hohe Temperatur Wärme zugeführt, in der Wärmetauscheinrichtung (4) für mittlere Temperatur Wärme abgeführt wird, in mindestens einem Kondensator (17, 27) der Dampf aus dem Desorber bei mittlerer Temperatur kondensiert und in mindestens einem Verdampfer (13, 23) Kondensat bei niedriger Temperatur verdampft wird, welches vorzugsweise vom Kondensator in den Verdampfer geleitet wurde, und wobei vorzugsweise der Gasraum (12, 22) des jeweiligen Desorbers (1, 2) am Ende eines Zyklus in einen Gasraum des Adsorbers (22, 12) entspannt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Anwendung in einem Wärmetransformator, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Desorber (1, 2) bei niedrigerem Druck betrieben wird als der jeweilige Adsorber (2, 1), in der Wärmetauschvorrichtung (3) für hohe Temperatur Wärme gewonnen und im Wärmetauscher (4) für mittlere Temperatur Wärme zugeführt wird, in einem Kondensator (17, 27) der Dampf aus dem Desorber bei niedriger Temperatur kondensiert und in einem Verdampfer (13, 23) Kondensat bei mittlerer Temperatur verdampft wird, welches vom Kondensator in den Verdampfer geleitet wurde.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es für die Stofftrennung eingesetzt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme- bzw. Kälteleistung kontinuierlich durch Ändern der Umlaufmenge des Wärmeträgerfluids konstant geregelt wird.
  7. 7. Anlage zum Betrieb von Adsorbern (1, 2) unter besonderer Berücksichtigung der Anwendung für Wärmepumpen, Kältemaschinen und Wärmetransformatoren, bestehend aus mindestens zwei Adsorbern (1, 2) mit je einem von Adsorptionsmittel umgebenen eingebauten Wärmetauscher (10, 20), mit mindestens einer Wärmetauscheinrichtung (3) für hohe Temperatur, mindestens einer Wärmetauscheinrichtung (4) für mittlere Temperatur und mindestens einer Fördereinrichtung (P) für ein Wärmeträgerfluid, wobei zwei Adsorber (1, 2) mit jeweils einer Wärmetauscheinrichtung für hohe (3) und mittlere (4) Temperatur kreislaufmäßig über Leitungen für die Förderung des Fluids verbunden sind und die Strömungsrichtung des Fluids umkehrbar ist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Adsorber jeweils Gasräume (12, 22) aufweisen, die mit Verdampfern (13, 23) sowie Kondensatoren in Wirkungsverbindung stehen, und daß mindestens ein Verdampfer und ein Kondensator im Bereich der "kalten" Seiten der Wärmetauscher an die Gasräume der Adsorber angeschlossen sind.






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