WO2004104496A2 - Thermodynamische maschine und verfahren zur aufnahme von wärme - Google Patents

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    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the present invention relates to a thermodynamic machine and a method for absorbing and dissipating heat, wherein at least one temperature during the heat dissipation is above at least one temperature during the heat absorption.
  • Refrigeration systems have the task of absorbing heat at low temperatures and releasing them again at high temperatures.
  • the benefit is the absorption of heat at the low temperature.
  • the same task is also performed by heat pumps, but the benefit lies in the heat emission at high temperature.
  • thermo compressor This is a solvent cycle with a cooled adsorber or absorber and a heated desorber.
  • the absorber in which the refrigerant vapor is absorbed by the solvent at low pressure, is operated at a temperature level similar to that of the condenser.
  • the refrigerant is expelled from the solvent by supplying heat at high temperature and pressure.
  • the desorber In the case of a volatile solvent, the desorber must be rectified in order to obtain pure refrigerant vapor.
  • Adsorption and absorption refrigeration systems are also associated with higher investment costs and have a larger one Construction volume and higher weight than compression refrigeration systems.
  • DE 195 11 709 AI discloses a sorption refrigeration machine in which the solvent, which at the same time is the refrigerant, is circulated in a mixture with a sorbent and is converted from a highly concentrated to a solution with a lower concentration by means of pervaporation.
  • the solvent which at the same time is the refrigerant
  • a constant temperature difference in the apparatus must be guaranteed by simultaneous heating of the concentrated solution and cooling of the low-refrigerant solution (reverse osmotic principle).
  • the two solutions in the apparatus are separated by a semipermeable membrane. Conventional degassers and absorbers are also used.
  • the object of the invention is to provide a device or a method for cooling for heat pumps and related methods to eliminate the disadvantages of conventional methods. len, which is inexpensive, compact and robust against mechanical shocks.
  • thermodynamic machine with the features of claim 1 and a method with the features of claim 18 are proposed.
  • the present invention relates to a thermodynamic machine and a method for absorbing and dissipating heat, wherein at least one temperature during the heat dissipation is above at least one temperature during the heat absorption.
  • thermodynamic apparatus which has at least one membrane for separating two phases.
  • the refrigerant is transported through the membrane.
  • heat is supplied to or removed from at least one phase by means of a heat exchanger.
  • thermodynamic machine due to the design of the thermodynamic machine, a robust method for cooling and for related tasks is provided.
  • the method is suitable, for example, for refrigeration systems and heat pumps and similar devices.
  • Such a device with the features of the thermodynamic machine according to the invention has the advantage partly that due to its robustness it can be used for both mobile and stationary applications.
  • thermodynamic or refrigeration or heat engineering apparatus as an essential part of the thermodynamic machine, two fluid phases are separated by membranes or membrane components.
  • both the absorber and the desorber can be designed as membrane devices.
  • the membrane device is robust against mechanical shocks. Forced convection prevails in the membrane absorber and in the membrane desorber, so that compared to conventional absorption refrigeration systems with free liquid falling films in the apparatus there is a significantly improved heat transport.
  • the construction volume is reduced compared to a conventional absorber or desorber. In addition to the improved transport properties, this is mainly due to the very high specific phase interfaces up to 10000 m2 / m3, which can be achieved with modern membranes. Simultaneous cooling or heating in the membrane components brings additional advantages.
  • the realization of a heat exchange between solvent and cooling medium in the membrane absorber is particularly advantageous.
  • membrane types such as diffusion or pore membranes
  • a membrane desorber by selecting suitable membrane materials, a selective mass transfer can be realized, so that no subsequent rectification is necessary even for volatile solvents such as water.
  • the membrane components can also be used for the evaporator and the condenser in absorption and compression systems.
  • the operational safety for the compression be increased if strong vibrations are to be expected.
  • Ceramic pore membranes can also be used for high thermal loads, for example in a desorber.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an inventive device for cooling with a cooled membrane absorber.
  • FIG. 2 shows, as a further exemplary embodiment of the present invention, a device for cold generation with a cooled membrane absorber and a heated membrane desorber.
  • Figure 3 shows a further embodiment of the present invention in a schematic representation a device for cooling with a cooled membrane absorber, heated membrane evaporator and heated membrane desorber.
  • FIG. 4 shows, as a further exemplary embodiment of the present invention, a device for cooling with a mechanical compressor 8, a membrane evaporator 1 a and a condenser 7.
  • FIG. 5 shows, as a further exemplary embodiment, a device for generating cold with membrane components and an external heat exchanger.
  • Figure 6 shows a further embodiment of the invention with a modular structure.
  • Figure 7 shows an exploded view of the modular structure of a membrane absorber or desorber.
  • FIGS. 1 to 5 Various alternatives of the present invention are shown in FIGS. 1 to 5.
  • the method according to the invention can be used in all cases in which phase transitions take place and heat is exchanged with the environment at different temperature levels.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an inventive device for cooling with a cooled membrane absorber.
  • a conventional evaporator 1 the refrigerant evaporates while absorbing heat.
  • the steam flows into a membrane apparatus 2a, in which it is absorbed by a solvent after passing through the membrane. Because of the better mass transport, pore membranes are preferably used in the membrane absorber 2a.
  • the membrane absorber additionally contains a heat exchanger 3a through which a cooling medium flows, for cooling the solvent.
  • the loaded solvent is pumped through the solvent pump 4 to a conventional desorber 5, in which the refrigerant vapor is expelled with the addition of heat.
  • the solvent is returned to the absorber.
  • a solvent heat exchanger 6 can be integrated into the method.
  • the refrigerant vapor expelled in the desorber 5 is condensed in a conventional condenser 7 and, after throttling, the resulting liquid is returned to the evaporator.
  • FIG. 2 shows, as a further exemplary embodiment of the present invention, a device for cold generation with a cooled membrane absorber and a heated membrane desorber.
  • a membrane apparatus 5a is used here for the desorption.
  • the membrane apparatus additionally contains a heat exchanger 3b through which a heating medium flows to heat the solvent.
  • membranes can be selected which ensure selective mass transport of the refrigerant in order to avoid subsequent rectification.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the present invention in a schematic representation of a device for cooling with a cooled membrane absorber, a heated membrane evaporator and a heated membrane desorber.
  • a membrane apparatus 1 a is used here during the evaporation. set.
  • the membrane apparatus additionally contains a heat exchanger 3c through which a heating medium flows to heat the refrigerant.
  • FIG. 4 shows, as a further exemplary embodiment of the present invention, a device for cooling with a mechanical compressor 8, a membrane evaporator 1 a and a condenser 7.
  • the membrane evaporator additionally contains a heat exchanger 3 c through which a heating medium flows for heating the refrigerant.
  • the membrane device has the particular advantage that damage to the compressor caused by liquid droplets is avoided.
  • FIG. 5 shows, as a further exemplary embodiment, a device for generating cold with membrane components and an external heat exchanger.
  • the throughput of solvent in the membrane absorber 2a is increased drastically and only a small part of the emerging solvent is supplied to the desorber 5 by the solvent pump 4.
  • the largest part is returned to the membrane apparatus with the aid of an additional pump 4a, the solvent being passed through the heat exchanger 3a before entering the membrane apparatus. is cooled.
  • the combination of membrane apparatus and external heat exchanger for heating or cooling can also be used for the components desorber, evaporator and condenser.
  • Particularly advantageous refrigerants for the process are ammonia and carbon dioxide.
  • Water or commercially available absorbents for carbon dioxide, for example aqueous amine solutions, can be used particularly advantageously as solvents.
  • all of the devices shown in FIGS. 1 to 5 can also be operated as heat pumps.
  • the heat can also be supplied or removed in more than two devices and at more than two temperature levels.
  • two or more circuits according to FIGS. 1 to 5 can be coupled to one another via the heat exchange.
  • a simple exemplary embodiment is an absorption refrigeration machine with a membrane absorber according to FIG. 1, with the ammonia-water substance pair.
  • a solvent heat exchanger 6 can be installed upstream of the desorber 5, in which the depleted washing solution flowing back from the desorber 5 to the membrane absorber 2 is cooled and the enriched washing solution flowing from the membrane absorber 2 to the desorber 5 is preheated.
  • a small distillation column (not shown in FIG. 1) is connected between desorber 5 and condenser 7. The liquid ammonia formed in the condenser 7 is returned to the evaporator.
  • the membrane area requirement in this example for pore membranes is about 2 m 2 , since the membrane apparatus spec. Cooling capacities over 3 kW / m 2 possible. In modern membrane modules, specific phase interfaces of well over 500 m 2 / m 3 are achieved , so that the absorber volume is only max. 4 liters and these membrane absorbers can be used advantageously in mobile applications for air conditioning.
  • Common falling film absorbers have a ratio of membrane surface to apparatus volume of around 25 m 2 / m 3 and achieve specific cooling capacities of around 500 W / m 2 .
  • the conventional one Falling film absorber with a cooling capacity of 7 kW has a construction volume of approx. 500 1.
  • Solution diffusion membranes and microporous (hydrophobic and hydrophilic) membranes are particularly suitable as membranes.
  • the former have considerably smaller permeabilities for gases and must therefore be extremely thin. Adequate mechanical stability is therefore only given on the appropriate carrier material.
  • Both membrane types exist as flat membranes for modules up to 1,000 m 2 / m 3 and as hollow fiber membranes for modules up to 10,000 m 2 / m 3 .
  • the pore sizes relevant to the invention are preferably in the nanometer range, for example between 5 and 1,000 ⁇ m.
  • Suitable membrane materials for the pore membranes include polypropylene, polysulfone, PTFE, PVDF, polyester, inorganic materials (ceramics, metals) etc. by themselves or in suitable mixtures.
  • FIG. 6 shows a top view of two base bodies (modules M1 and M2) made of plastic with channels and built-in hollow fiber membranes or tubes.
  • a first module M1 equipped with hollow fiber membranes 13 is shown (flow of the gas in the image plane), the parts carrying ammonia are shaded gray.
  • a second module M2 shown on the right-hand side of FIG. 6 is equipped with cooling tubes 14 (flow of the cooling medium in the image plane of FIG. 6).
  • the washing liquid flows down right to the image plane through a central channel 10, the parts containing the washing liquid are highlighted in black.
  • the gas is conducted perpendicularly to the image plane via inlet and outlet channels 12a, and the cooling medium is fed in and removed perpendicularly to the image plane via cooling medium channels 12b.
  • Both modules Ml, M2 shown can be put together in so-called stacks in any order.
  • holes 20 are provided in the corners of the two modules M1, M2 for receiving plug pins (not shown).
  • seals are provided between the individual modules, an inlet or outlet channel 12a, 12b being blocked by the seal if necessary in order to conduct the fluid through the membranes or cooling tubes.
  • FIG. 7 shows an exploded view of a possible assembly of an absorber or desorber module according to the invention. It consists of four membrane units 16 and a heat exchanger unit 17. The front and rear delimitation of the stack is realized in each case by an end plate 15.
  • the washing liquid flows through the central channel 10, the gas (ammonia) through the inlet and outlet channels 12a (top and bottom in the illustration in FIG. 7) and the cooling medium through the cooling medium channels 12b (left and right in the illustration in FIG. 7).
  • the invention thus provides an inexpensive, compact thermodynamic machine which is robust against mechanical vibrations and which has a high specific phase interface or membrane surface density and high membrane permeabilities.

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Abstract

Thermodynamische Maschine und Verfahren zur Aufnahme und Abgabe von Wärme bei verschiedenen Temperaturen, mit mindestens einem thermodynamischen Apparat (1, 2a, 5, 7), in dem mindestens zwei Phasen zum Wärmetransport durch mindestens eine Membran getrennt sind.

Description

Dr.-Ing. Thomas Weimer 168 003 P-WO
71065 Sindelfingen 20.05.2004/mh
Thermodynamische Maschine und Verfahren zur Aufnahme von ärme
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine und ein Verfahren zur Aufnahme und Abgabe von Wärme, wobei mindestens eine Temperatur bei der Wärmeabgabe über mindestens einer Temperatur bei der Wärmeaufnahme liegt.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik ist die Erzeugung von Kälte zur Klimatisierung und zur Kühlung mittels mechanisch angetriebenen Kompressionskälteanlagen bekannt. Alternativ werden auch Absorptionskälteanlagen mit konventionellen Rohrbündel- oder Plattenabsorbern eingesetzt. Neuerdings werden auch Adsorptionskälteanlagen auf der Basis von Zeolithen entwickelt, deren Arbeitsweise der von Absorptionskälteanlagen ähnlich ist.
Kälteanlagen haben die Aufgabe, Wärme bei niedriger Temperatur aufzunehmen und bei hoher Temperatur wieder abzugeben. Dabei liegt der Nutzen in der Aufnahme der Wärme bei der niedrigen Temperatur. Dieselbe Aufgabe wird auch von Wärmepumpen erfüllt, allerdings liegt dort der Nutzen in der Wärmeabgabe bei hoher Temperatur . Daneben gibt es Modifikationen, wie beispielsweise Wärmetransformatoren, bei denen Wärme bei mittlerer Temperatur aufgenommen und bei hoher (Nutzwärme) und sehr tiefer (Abwärme) Temperatur abgegeben wird.
Das gattungsgemäße Verfahren wird hier am Beispiel der Kälteanlage beschrieben. Es läßt sich sinngemäß auf die anderen genannten Verfahren Wärmepumpe und Wärmetransformator übertragen.
Sowohl Adsorptions- und Absorptionskälteanlagen als auch Kompressionskälteanlagen benötigen einen Verdampfer, der die Wärme von dem zu kühlenden Objekt während einer Verdampfung bei tiefen Temperaturen und geringem Druck aufnimmt, und einen Kondensator, in dem das auf höheren Druck verdichtete Kältemittel bei Umgebungstemperatur unter Wärmeabgabe an die Umgebung kondensiert. Während bei einer Kompressionskälteanlage der mechanisch angetriebene Gasverdichter den Kältemitteldampf auf den zur Kondensation benötigten hohen Druck verdichtet, übernimmt diese Funktion bei einer Adsorptions- oder Absorptionskälteanlage der sogenannte "thermische Verdichter" . Dies ist ein Lösungsmittelkreislauf mit gekühltem Adsorber oder Absorber und beheiztem Desorber. Der Absorber, in dem der Kältemitteldampf bei geringem Druck von dem Lösungsmittel aufgenommen wird, wird auf ähnlichem Temperaturniveau wie der Kondensator betrieben. In dem Desorber wird das Kältemittel aus dem Lösungsmittel durch Wärmezufuhr bei hoher Temperatur und hohem Druck wieder ausgetrieben. Im Falle eines flüchtigen Lösungsmittels muß dem Desorber eine Rektifikation nachgeschaltet werden, um reinen Kältemitteldampf zu erhalten.
Sowohl Absorptionskälteanlagen als auch Kompressionskälteanlagen sind anfällig gegen mechanische Erschütterungen. Adsorptions- und Absorptionskälteanlagen sind zudem mit höheren Investitionskosten verbunden und weisen ein größeres Bauvolumen und höheres Gewicht als Kompressionskälteanlagen auf.
Wird in Absorptionskälteanlagen ein flüchtiges Lösungsmittel wie beispielsweise Wasser eingesetzt, erhöht die notwendige Rektifikation die Investitionskosten und das Bauvolumen zusätzlich. Der größte Teil der Investitionskosten einer Absorptionskälteanlage entfällt auf die Wärmeübertrager. Hierzu trägt der Absorber mit einem Anteil von ca. 40% an der gesamten installierten Wärmeübertragerfläche am stärksten bei.
Aufgrund der Empfindlichkeit gegen mechanische Erschütterungen können Absorptionskälteanlagen bislang nicht im mobilen Sektor eingesetzt werden. Diese mangelnde mechanische Robustheit ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß in den Apparaten mit Flüssigkeitsfilmen die Flüssigkeitsbenetzung der Wärmetauschereinbauten durch Erschütterungen negativ beeinflußt wird, da die Flüssigkeit als freier Fallfilm durch die Apparate rinnt .
In Adsorptionskälteanlagen ist das Hauptproblem die schlechte Wärmeübertragung im Adsorber und Desorber, da in diesen Anlagen keine Flüssigkeiten vorhanden sind und somit nur die Mechanismen der Wärmeleitung im Festbett und die Gasströmung für den Wärmetransport zur Verfügung stehen. Hierdurch ergeben sich noch höhere Investitionskosten als für eine Absorptionskälteanlage.
Zu hohe Investitionskosten und zu großes Bauvolumen sind wesentliche Hemmnisse, die eine weitere Verbreitung der Absorptionskältetechnologie behindern und dazu führen, daß auch bei günstigen energetischen Randbedingungen, wie der Möglichkeit der Abwärmenutzung, häufig Kompressionskälteanlagen eingesetzt werden, deren Hauptnachteil der Bedarf an hochwertiger mechanischer Energie ist. Aus der deutschen Patentschrift 633 146 ist ein Absorptionsapparat, insbesondere kontinuierliche Absorptionskältemaschine bekannt, bei dem die aus einem Kocher bzw. Verdampfer geförderte Lösung zunächst in ein Sammelgefäß gelangt, aus dem sie anschließend in einen ein Diaphragma aufweisenden flüssigkeitsgefüllten Absorber strömt. Dabei wird ausgekochtes Gas in dem Absorber durch dessen diaphragmatische Wandung hindurch von der Lösungsflüssigkeit aufgenommen. Mit der bekannten Anordnung wird erreicht, daß die Gefahr des Umschlagens der Strömungsrichtung der Flüssigkeit auch ohne Pumpe beseitigt wird. Der in der DE-PS 633 146 beschriebene Apparat ist ein Vorläufer der heutigen membran- bzw. diaphragmalos betriebenen Diffusionsabsorpti- onskältemaschine .
Die DE 195 11 709 AI offenbart eine Sorptionskältemaschine, bei der das Lösemittel, das zugleich das Kältemittel darstellt, in Mischung mit einem Sorptionsmittel in einem Kreislauf geführt und mittels Pervaporation von einer hoch konzentrierten zu einer Lösung mit geringerer Konzentration überführt wird. Um den Stofftransport entgegen dem Konzentrationsgefälle zu ermöglichen muss bestaendig ein Temperaturunterschied in dem Apparat durch simultane Beheizung der konzentrierten Lösung und Kühlung der kältemittelarmen Lösung gewährleistet werden (umkehrosmotisch.es Prinzip) . Hierbei sind die beiden Lösungen in dem Apparat durch eine halbdurchlässige Membran getrennt. Zusätzlich werden konventionelle Entgaser und Absorber eingesetzt.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, zur Beseitigung der Nachteile konventioneller Verfahren eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Kälteerzeugung für Wärmepumpen und verwandte Verfahren zur Verfügung zu stel- len, welches kostengünstig, kompakt und robust gegen mechanische Erschütterungen ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Zur Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß eine thermodynamische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 vorgeschlagen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermodynamische Maschine und ein Verfahren zur Aufnahme und Abgabe von Wärme, wobei mindestens eine Temperatur bei der Wärmeabgabe über mindestens einer Temperatur bei der Wärmeaufnahme liegt.
Die Wärmeaufnahme und -abgäbe erfolgt unter Verwendung von mindestens einem thermodynamisehen Apparat, der mindestens eine Membran zur Trennung von zwei Phasen aufweist. Durch die Membran findet ein Stofftransport des Kältemittels statt. In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in dem mindestens einen thermodynami- sehen Apparat mittels eines Wärmetauschers mindestens einer Phase Wärme zugeführt oder von ihr abgeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird aufgrund der Ausgestaltung der thermodynamisehen Maschine ein robustes Verfahren zur Kälteerzeugung und für verwandte Aufgaben bereitgestellt. Das Verfahren bietet sich beispielsweise für Kälteanlagen und Wärmepumpen sowie ähnliche Vorrichtungen an. Eine derartige Vorrichtung mit den Merkmalen der erfindungsgemäßen thermodynamisehen Maschine hat den Vor- teil, daß sie aufgrund ihrer Robustheit sowohl für mobile als auch stationäre Anwendungen genutzt werden kann.
In dem mindestens einen thermodynamisehen bzw. kälte- oder wärmetechnischen Apparat, als ein wesentlicher Bestandteil der thermodynamisehen Maschine, werden zwei fluide Phasen durch Membranen bzw. Membranenkomponenten getrennt. In Ab- sorptionskälteanlagen/-wärmepumpen können sowohl der Absorber als auch der Desorber als Membranapparate ausgeführt sein. Der Membranapparat ist robust gegen mechanische Erschütterungen. In dem Membranabsorber und in dem Membrande- sorber herrscht erzwungene Konvektion, so daß im Vergleich zu konventionellen Absorptionskälteanlagen mit freien Flüssigkeitsfallfilmen in den Apparaten ein deutlich verbesserter Wärmetransport gegeben ist. Das Bauvolumen wird gegenüber einem konventionellen Absorber bzw. Desorber reduziert. Dies liegt neben dem verbesserten Transporteigenschaften vor allem auch an den sehr hohen spezifischen Phasengrenzflächen bis 10000 m2/m3, die mit modernen Membranen erreichbar sind. Eine simultane Kühlung oder Beheizung in den Membrankomponenten bewirkt weitere Vorteile. Besonders vorteilhaft ist die Realisierung eines Wärmetauschs zwischen Lösungsmittel und Kühlmedium in dem Membranabsorber.
Grundsätzlich können alle bekannten Membrantypen, wie Diffusions- oder Porenmembranen eingesetzt werden. In einem Membrandesorber kann durch die Wahl geeigneter Membranmaterialien ein selektiver Stofftransport realisiert werden, so daß auch für flüchtige Lösungsmittel wie Wasser keine nachgeschaltete Rektifikation erforderlich ist.
Analog können die Membrankomponenten auch für den Verdampfer und den Kondensator in Absorptions- und Kompressionsanlagen verwendet werden. Hierdurch kann in Kompressionsanlagen beispielsweise die Betriebssicherheit für den Verdich- ter erhöht werden, wenn starke Erschütterungen zu erwarten sind.
Durch die Verwendung von Kunststoffen für die Membranen und das Apparategehäuse ist eine besonders kostengünstige Fertigung möglich. Bei hohen thermischen Beanspruchungen, bspw. bei einem Desorber, können auch keramische Porenmembranen eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber.
Figur 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber und beheiztem Membrandesorber.
Figur 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber, beheiztem Membranverdampfer und beheiztem Membrandesorber.
Figur 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit mechanischem Verdichter 8, einem Membranverdampfer la und Kondensator 7.
Figur 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit Membrankomponenten und externem Wärmetauscher.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit modularem Aufbau.
Figur 7 zeigt eine Explosionszeichnung des modularen Aufbaus eines Membranabsorbers bzw. -desorbers .
Ausführliche Beschreibung
In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Alternativen der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist in allen Fällen einsetzbar, in denen Phasenübergänge stattfinden und Wärme auf verschiedenen Temperaturniveaus mit der Umgebung ausgetauscht wird.
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber. In einem konventionellen Verdampfer 1 verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme. Der Dampf strömt in einen Membranapparat 2a, in dem er nach Durchgang durch die Membran von einem Lösungsmittel absorbiert wird. Wegen des besseren Stofftransports werden in dem Membranabsorber 2a vorzugsweise Porenmembranen eingesetzt.
Der Membranabsorber enthält zusätzlich einen von einem Kühlmedium durchflossenen Wärmetauscher 3a zur Kühlung des Lösungsmittels. Das beladene Lösungsmittel wird durch die Lösungsmittelpumpe 4 zu einem konventionellen Desorber 5 gepumpt, in dem der Kältemitteldampf unter Wärmezufuhr ausgetrieben wird. Das Lösungsmittel wird in den Absorber zurückgeführt. Zur Verbesserung der energetischen Effizienz kann ein Lösungsmittelwärmetauscher 6 in das Verfahren integriert werden. Der in dem Desorber 5 ausgetriebene Kältemitteldampf wird in einem konventionellen Kondensator 7 kondensiert und die entstandene Flüssigkeit nach Drosselung in den Verdampfer rückgeführt.
Figur 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber und beheiztem Membrandesorber. Anstelle des konventionellen Desorbers 5 der Figur 1 wird hier bei der Desorption ein Membranapparat 5a eingesetzt. Der Membranapparat enthält zusätzlich einen von einem Heizmedium durchflossenen Wärmetauscher 3b zur Beheizung des Lösungsmittels. Im Falle eines flüchtigen Lösemittels können Membranen gewählt werden, die einen selektiven Stofftransport des Kältemittels gewährleisten, um eine nachgeschaltete Rektifikation zu vermeiden.
Figur 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit gekühltem Membranabsorber, beheiztem Membranverdampfer und beheiztem Membrandesorber. Anstelle des konventionellen Verdampfers der Figuren 1 und 2 wird hier bei der Verdampfung ein Membranapparat la ein- gesetzt. Der Membranapparat enthält zusätzlich einen von einem Heizmedium durchflossenen Wärmetauscher 3c zur Beheizung des Kältemittels.
Figur 4 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit mechanischem Verdichter 8, einem Membranverdampfer la und Kondensator 7. Der Membranverdampfer enthält zusätzlich einen von einem Heizmedium durchflossenen Wärmetauscher 3c zur Beheizung des Kältemittels. Der Membranapparat hat hier den besonderen Vorteil, daß Schäden am Kompressor durch Flüssigkeitströpfchen vermieden werden.
Somit ist es je nach Bedarf möglich, geeignete Verfahren zur Kälteerzeugung unter Verwendung von Membranapparaten mit integriertem Wärmetauscher in Absorptionskälteanlagen mit thermischem Verdichter oder Kompressionskälteanlagen mit mechanischem Verdichter einzusetzen. Je nach Bedarf können die konventionellen Bauteile Verdampfer, Kondensator, Absorber, Desorber durch einen Membranapparat ersetzt werden. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Integration eines Wärmetauschers in den Membranapparat . Aber auch eine räumliche Trennung von Wärmetauscher und Membranapparat ist möglich.
Figur 5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung mit Membrankomponenten und externem Wärmetauscher. Der Lösungsmitteldurchsatz in dem Membranabsorber 2a wird hierbei drastisch erhöht und nur ein kleiner Teil des austretenden Lösungsmittels mit der Lösungsmittelpumpe 4 dem Desorber 5 zugeführt . Der größte Teil wird in den Membranapparat mit Hilfe einer zusätzlichen Pumpe 4a zurückgeführt, wobei das Lösungsmittel durch den Wärmetauscher 3a vor Eintritt in den Membranapparat ge- kühlt wird. Analog kann die Kombination von Membranapparat und externem Wärmetauscher zur Beheizung oder Kühlung auch für die Komponenten Desorber, Verdampfer und Kondensator eingesetzt werden.
Besonders vorteilhafte Kältemittel für das Verfahren sind Ammoniak und Kohlendioxid. Als Lösungsmittel können besonders vorteilhaft Wasser oder kommerziell erhältliche Absorptionsmittel für Kohlendioxid, beispielsweise wäßrige Aminlösungen eingesetzt werden.
Beispielsweise lassen sich alle in den Figuren 1 bis 5 gezeigten Vorrichtungen auch als Wärmepumpen betreiben. Die Wärmezu- bzw. -abfuhr kann zudem auch in mehr als zwei Apparaten und auf mehr als zwei Temperaturniveaus erfolgen. Hierzu können zwei oder mehrere Kreisläufe gemäß den Figuren 1 bis 5 über den Wärmeaustausch miteinander gekoppelt werden.
Ein einfaches Ausführungsbeispiel ist eine Absorptionskäl- temaschine mit Membranabsorber gemäß Figur 1, mit dem Stoffpaar Ammoniak-Wasser.
In der mobilen Klimatisierung sind Kälteleistungen bei Spitzenlast von bis zu 7 kW üblich. Reines Ammoniak (WNH3 = 5,4 g/s) verdampft dabei in dem Verdampfer 1 bei einer Temperatur von Φ = -5 °C und einem Druck von p = 3 , 5 bar unter Wärmeauf ahme aus der zu kühlenden Umgebung ("ömin = 2 °C) und strömt in den Membranabsorber 2 ein. In dem Membranabsorber ("ÖA = 45 °C) sind Gas- und Flüssigphase durch Membranen getrennt, die jedoch für Ammoniakdampf durchlässig sind.
Während der Absorption des Ammoniakdampfs durch die Membranen in die Waschlösung (Ammoniak/Wasser-Mischung, Eintritt m% = 21,4 g/s, ™ = 0,13 g/g, -& = 40 °C) findet mit dem Wärmetauscher 3a eine simultane Kühlung dieser Waschlösung statt. Durch den Wärmetauscher 3a fließt Kühlwasser mit einer Eintrittstemperatur von ■& = 40 °C, welches sich durch die Absorption erwärmt. Die mit Ammoniak angereicherte Waschlösung ( rh^L'ch = 26,8 g/s, C^' = 0,31 g/g) wird mit der Pumpe 4 zu dem Desorber 5 gefördert, in dem der Druck p = 26 bar beträgt. Zur Verbesserung der energetischen Effizienz kann vor dem Desorber 5 ein Lösungsmittelwärmetauscher 6 installiert sein, in dem die von dem Desorber 5 zu dem Membranabsorber 2 zurückströmende, abgereicherte Wäschlösung gekühlt und die von dem Membranabsorber 2 zu dem Desorber 5 strömende angereicherte Waschlösung vorgewärmt wird. In dem Desorber 5 wird durch Wärmezufuhr bei einer Temperatur von mindestens ,θD = 190 °C über einen ei-^ teren Wärmetauscher Ammoniakdampf ( mm3 = 5,4 g/s) ausgetrieben. Der gebildete Ammoniakdampf wird in dem Kondensator 7 bei p = 26 bar (Gleichgewichtstemperatur ■& = 60 °C) unter Wärmeabfuhr an die Umgebung (Φ = 40 °C) auskondensiert. Um reinen Ammoniakdampf zu erhalten, wird eine kleine, in Figur 1 nicht dargestellte Destillationskolonne zwischen Desorber 5 und Kondensator 7 geschaltet . Das in dem Kondensator 7 gebildete flüssige Ammoniak wird in den Verdampfer zurückgeführt.
Der Membranflächenbedarf beträgt in diesem Beispiel für Porenmembranen etwa 2 m2, da der Membranapparat spez. Kälteleistungen über 3 kW/m2 ermöglicht. Bei modernen Membranmodulen erreicht man spezifische Phasengrenzflächen von weit über 500 m2/m3, so daß das Absorbervolumen nur max. 4 Liter beträgt und diese Membranabsorber in mobilen Anwendungen zur Klimatisierung vorteilhaft einsetzbar sind. Übliche Fallfilmabsorber haben ein Verhältnis von Membranoberfläche zu Apparatevolumen von etwa 25 m2/m3 und erreichen spezifische Kälteleistungen von ca. 500 W/m2. Der konventionelle Fallfilmabsorber hat somit bei 7 kw Kälteleistung ein benötigtes Bauvolumen von ca. 500 1.
Besonders geeignete Membranapparate zur Realisierung der Membrankomponenten sind beispielsweise in der WO 96/17674 AI und der EP 0 118 760 Bl beschrieben.
Als Membranen sind insbesondere Lösungsdiffusionsmembranen und mikroporöse (hydrophobe und hydrophile) Membranen geeignet. Erster verfügen über erheblich kleinere Permeabilitäten für Gase und müssen daher extrem dünn sein. Eine ausreichende mechanische Stabilität ist somit nur auf entsprechendem Trägermaterial gegeben. Beide Membrantypen existieren als Flachmembranen für Module bis zu 1.000 m2/m3 und als Hohlfasermembranen für Module bis zu 10.000 m2/m3. Die für die Erfindung relevanten Porengrößen liegen vorzugsweise im Nanometerbereich, bspw. zwischen 5 und 1.000 um. Als Membranmaterialien für die Porenmembranen sind u.a. Polypropylen, Polysulfon, PTFE, PVDF, Polyester, anorganische Materialien (Keramiken, Metalle) usw. für sich oder in geeigneten Mischungen geeignet .
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit mit modularem Aufbau ist in Figur 6 dargestellt. Figur 6 zeigt in Draufsicht zwei aus Kunststoff gefertigte Grundkörper (Module Ml und M2 ) mit Kanälen und eingebauten Hohlfasermembranen bzw. Rohren.
Auf der linken Seite der Darstellung der Figur 6 ist ein mit Hohlfasermembranen 13 bestücktes erstes Modul Ml dargestellt (Strömung des Gases in der Bildebene) , die Ammoniak führenden Teile sind grau unterlegt. Ein auf der rechten Seite der Figur 6 dargestelltes zweites Modul M2 ist mit Kühlrohren 14 (Strömung des Kühlmediums in der Bildebene der Figur 6) bestückt. Die Waschflüssigkeit strömt senk- recht zu der Bildebene durch einen Zentralkanal 10, die die Waschflüssigkeit enthaltenden Teile sind schwarz unterlegt. Das Gas wird senkrecht zu der Bildebene über Zu- und Ablaufkanäle 12a geleitet, das Kühlmedium wird senkrecht zu der Bildebene über Kühlmediumkanäle 12b zu- und abgeführt. Beide dargestellten Module Ml, M2 können in beliebiger Reihenfolge zu sogenannten Stacks zusammengesetzt werden. Dazu sind in den Ecken der beiden Module Ml, M2 Bohrungen 20 zur Aufnahme von (nicht dargestellten) Steckstiften vorgesehen. Zusätzlich sind (nicht näher dargestellte) Dichtungen zwischen den einzelnen Modulen vorgesehen, wobei bei Bedarf ein Zu- oder Ablaufkanal 12a, 12b durch die Dichtung versperrt wird, um das Fluid durch die Membranen oder Kühlrohre zu leiten.
Figur 7 zeigt eine Explosionsansicht eines möglichen Zusammenbaus eines erfindungsgemäßen Absorber- bzw. Desorbermo- duls. Es besteht aus vier Membraneinheiten 16 und einer Wärmetauschereinheit 17. Die vordere und hintere Begrenzung des Stacks ist jeweils durch eine Endplatte 15 realisiert. Dabei strömt die Waschflüssigkeit durch den Zentralkanal 10, das Gas (Ammoniak) durch die Zu- und Ablaufkanäle 12a (oben und unten in der Darstellung der Figur 7) und das Kühlmedium durch die Kühlmediumkanäle 12b (links und rechts in der Darstellung der Figur 7) .
Mit der Erfindung wird somit eine kostengünstige, kompakte und gegen mechanische Erschütterungen robuste thermodynamische Maschine bereitgestellt, die über eine hohe spezifische Phasengrenzfläche bzw. Membranflächendichte und hohe Membranpermeabilitäten verfügt.

Claims

Dr.-Ing. Thomas Weimer 168 003 P-WO71065 Sindelfingen 20.05.2004/mhPatentansprüche
1. Thermodynamische Maschine zur Aufnahme und Abgabe von Wärme bei verschiedenen Temperaturen, mit mindestens einem thermodynamisehen Apparat (1, la, 2a, 5, 5a, 7), in dem mindestens zwei Phasen zum Wärmetransport durch mindestens eine Membran (13) getrennt sind.
2. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1, bei der mindestens ein Kältemittel durch mindestens eine Membran tritt .
3. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, bei der die mindestens eine Membran (13) eine so genannte "poröse Membran" oder alternativ eine so genannte "Lösungs- Diffusions-Membran" , oder eine Modifikation dieser beiden Membrantypen ist und als Hohlfaser- oder Flachmembran ausgebildet ist, und diese wiederum zur Erzeugung großer Flächendichten in Form von Bündeln, Matten oder Stapeln angeordnet werden.
. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der Membranen für mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente als durchlässig ausgebildet sind.
5. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der dem mindestens einen thermodynamisehen Apparat (1, la, 2a, 5, 5a, 7) ein Wärmetauscher (3a, 3b, 3c) zum Transport mindestens einer Phase in einem temperierten Zustand zugeordnet ist.
6. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 5, wobei der Wärmetauscher (3a, 3b, 3c) innerhalb des mindestens einen thermodynamisehen Apparats (1, la, 2a, 5, 5a, 7) angeordnet ist.
7. Thermodynamische Maschine nach Anspruch 5, wobei der Wärmetauscher (3a) außerhalb des mindestens einen thermody- namischen Apparats (1, la, 2a, 5, 5a, 7) angeordnet ist.
8. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Wärmetauscher (3a, 3b, 3c) Rohre (14) aufweist .
9. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Zwischenräume zwischen Plattenmembranen (13) gegeneinander abgedichtet sind und in den Zwischenräumen insbesondere Rohre (14) angeordnet sind.
10. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der mindestens eine thermodynamische Apparat als Verdampfer (1,1a) ausgebildet ist.
11. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der mindestens eine thermodynamische Apparat als Kondensator (7) ausgebildet ist.
12. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der mindestens eine thermodynamische Apparat als Absorber (2a) ausgebildet ist.
13. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der mindestens eine thermodynamische Apparat als Desorber (5,5a) ausgebildet ist.
14. Thermodynamische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem der mindestens eine thermodynamische Apparat als Adsorber (5,5a) ausgebildet ist.
15. Thermodynamische Maschine, nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die mindestens einen mechanischen Verdichter (8) aufweist.
16. Thermodynamische Maschine, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Kältemittel Ammoniak und das Lösungsmittel Wasser oder eine Wasser enthaltende Mischung ist.
17. Thermodynamische Maschine, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das Kältemittel Kohlendioxid und das Lösungsmittel eine wäßrige Aminlösung ist.
18. Verfahren zur Aufnahme und Abgabe von Wärme bei verschiedenen Temperaturen, bei dem der Wärmetränsport mittels mindestens zweier Phasen erfolgt, die durch mindestens eine Membran (13) getrennt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei den mindestens ein Kältemittel durch mindestens eine Membran tritt.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem wenigstens eine flüssige Phase temperiert wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, bei dem mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente Membranen (13) passiert.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente in mindestens einem thermodynamisehen Apparat (2a) absorbiert wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, bei dem mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente in mindestens einem thermodynamisehen Apparat (5, 5a) desorbiert wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente in mindestens einem thermodynamisehen Apparat (1, la) verdampft wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 24, bei dem mindestens eine in den Phasen enthaltene Komponente in mindestens einem thermodynamisehen Apparat (7) kondensiert wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem die Temperatur einer Komponente erhöht und die Temperatur der anderen Komponente gesenkt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Erzeugung von Kälte.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung in einer Wärmepumpe .
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Wärmetransformationsverfahren.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Ko pressionskälteverfahren.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Kompressionswärmepumpenverfahren.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Absorptionskälteverfahren.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Absorptionswärme ransformationsverfahren.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 26 zur Anwendung bei einem Absorptionswärmepumpenverfahren.
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