VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER ZYKLISCH ARBEITENDEN THERMISCHEN ADSORBTIONSWÄRME- ODER -KÄLTEANLAGE UND VORRICHTUNG

Verfahren zum Betreiben einer zyklisch arbeitenden thermischen Adsorptionswärme- oder -käiteaniage und Vorrichtung

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer zyklisch arbeitenden thermischen Adsorptionswärme- oder -käiteaniage nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung für eine Adsorptionswärme- oder -käiteaniage nach Anspruch 9.

Zyklisch arbeitende Adsorptionswärme- oder -käiteanlagen beinhalten in ihrem einfachsten Aufbau eine Adsorbereinheit, in welcher ein Kältemittel zyklisch adsorbiert und desorbiert wird, und eine Verdampfer/Kondensatoreinheit, in welcher das Kältemittel in Abhängigkeit vom durchlaufenen

Teilschritt entweder kondensiert oder verdampft wird, Sehr oft kommen Adsorptionswärme- oder -käiteanlagen zur Anwendung, die zwei im Gegentakt betriebene Adsorbereinheiten und mindestens einen Kondensator und einen Verdampfer enthalten. Je nachdem, welcher Einsatzzweck mit einer

derartigen Anlage verfolgt werden soll, können Adsorptionswärme- oder -käiteanlagen entweder als Wärmepumpe im eigentlichen Sinn, dh zum Heizen, oder auch als Kältemaschine, dh zum Kühlen, verwendet werden.

In derartigen Anlagen wird ein thermodynamischer Kreisprozess ausgeführt. In der Adsorbereinrichtung befindet sich ein Sorptionsmittel, an die das Kältemittel adsorbiert und desorbiert wird. Das in dem Verdampfer oder der Verdampfer/Kondensatoreinheit in die Dampfphase übergeführte Kältemittel zieht aus der Umgebung Wärme ab und wird in der Adsorbereinrichtung an dem Sorptionsmittel gebunden. Anschließend wird das adsorbierte Kältemittel desorbiert. Hierzu wird von außen Energie, insbesondere Wärmeenergie, der Adsorbereinrichtung zugeführt. Das Kältemittel wird nun aus dem Sorptionsmitte! desorbiert und an einen Kondensator oder die nun als Kondensator fungierende Verdampfer/Kondensatoreinheit weiter bzw. zurück geleitet. Nach Abschluss dieses Desorptionsvorgangs wird die Adsorbereinrichtung wieder gekühlt und steht für eine erneute Adsorption zur Verfügung. Gleichzeitig gefangt das verflüssigte Kältemittel von dem Kondensator in den Verdampfer oder verbleibt in der Verdampfer/Kondensatoreinheit und wird erneut in den gasförmigen Zustand überführt, wobei sich der Arbeitszyklus der Adsorptions- wärme- oder -käiteaniage schließt. Im einfachsten Fall besteht die Adsorptionswärme- oder -kälteanlage aus einer einzigen Adsorbereinheit, in der zyklisch adsorbiert und desorbiert wird, wobei auf einem Wärmeübertrager das Kältemittel abwechselnd kondensiert und verdampft wird, und aus der Verdampfer/Kondensatoreinheit, die abwechselnd von der Umgebung Wärme aufnimmt und an die Umgebung Wärme abgibt und in der das Kältemittel sowohl kondensiert als auch verdampft wird.

Bei den technisch betriebenen Adsorptions- und Desorptionsprozessen stellt die Rückgewinnung der dabei ausgetauschten Wärme einen wichtigen Aspekt dar, der die Effizienz der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage stark beeinflusst. Ein erheblicher Anteil der zugeführten Wärme wird zum Aufheizen der technischen Komponenten benötigt, die nicht an dem Wärmepumpvorgang als solchem beteiligt sind. Diese stellen eine nicht zu vermeidende thermische Masse mit einer entsprechenden Trägheit dar.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der für die Effizienz der Adsorptionswärmeoder -kälteanlage von Bedeutung ist, betrifft die so genannte Beladungsbreite des Sorptionsmittels in der oder den Adsorbereinheiten. Die

Beladungsbreite gibt an, welcher Anteil des Sorptionsmittels oder

gleichbedeutend welcher Anteil der in der Adsorbereinheit vorgegebenen Adsorberfläche für die Sorptionsvorgänge tatsächlich zur Verfügung steht. Die Beladungsbreite wird insbesondere dadurch eingeschränkt, indem gewisse Restbestandteile des Kältemittels im adsorbierten Zustand verbleiben. Die von diesem Restanteil besetzte Sorptionsfläche steht für Adsorptions- und

Desorptionsprozesse nicht mehr zur Verfügung und bildet ebenfalls nur eine träge thermische Masse der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage .

Aus dem Stand der Technik nach DE 10 2006 011 409 B4 ist ein Verfahren bekannt, mit dem die Wärmerückgewinnung ausgeführt wird. Bei dem

Wärmerückgewinnungsverfahren kommen zwei Adsorbereinheiten zum

Einsatz, die im Gegentakt betrieben werden. Dabei befinden sich eine erste Adsorbereinheit in der Adsorptionsphase und eine zweite Adsorbereinheit in der Desorptionsphase des Arbeitszyklus. Über ein Wärmeübertragungsmedium wird die in der Desorptionsphase gespeicherte Wärme aus der entsprechenden Adsorbereinheit zur Vorheizung in die in der Adsorptionsphase befindliche zweite Adsorbereinheit überführt. Beide Adsorbereinheiten sind damit über einen geschlossenen oder offenen Wärmeübertragungskreislauf miteinander gekoppelt. Bei dieser Art der Wärmerückgewi nnung wird somit Wärme direkt zwischen beiden Adsorbereinheiten ausgetauscht.

Eine Vergrößerung der Beiadungsbreite und somit eine Optimierung des Verhältnisses zwischen den thermischen Massen des Kältemittels einerseits und derjenigen der Apparate andererseits erfolgt gemäß dem Stand der Technik dadurch, indem der Desorptionsdruck in nerhalb der jeweiligen

Adsorberein heit während der Desorptionsphase zusätzl ich abgesenkt wi rd. Bei Adsorptionswärme- oder -kälteanlagen, die mit zwei im Gegentakt

arbeitenden Adsorberei nheiten betrieben werden, werden hierzu die in der Adsorptionsphase und die in der Desorptionsphase befindlichen Adsorbereinheiten kurzzeitig kurzgeschlossen. Dadu rch bewirkt die Desorption in ei ner Einheit eine Steigerung des Adsorptionsdruckes in der anderen Einheit. Das Kältemittel wird gewissermaßen von ei ner Einheit zur a nderen getrieben .

Dadurch wird sowohl die Desorption als auch die Adsorption forciert und im Ergebnis erhöht sich die so genannte Beladungsbreite des Sorptionsm ittels, es kann somit zumindest effektiver desorbiert und adsorbiert werden . Als Folge davon wird somit mehr Kältemittel für den Prozesskreislauf

zurückgewonnen .

Beide Verfahren, sowohl das Betreiben eines Wärmeübertrag ungskreislaufs zwischen den Adsorbereinheiten als auch das Ku rzschl ießen der Einheiten, sind technisch relativ aufwändig. Sie erfordern jeweils zeitgenau arbeitende Ventilsteuerungen und Messungen verschiedener Prozesspa rameter,

beispielsweise des Drucks und der Temperatu r, sowie Regelkreise zum

Einsteilen und Beibehalten eines optimalen Arbeitspu nktes. Beide Verfahren werden daher nur selten gemeinsa m realisiert, denn die gemeinsame

Realisierung erfordert nun auch ei n gegenseitiges Einregulieren des Wärmeübertragungskreislaufs auf die Kurzschlussschaltung für die Adsorbereinheiten.

Es besteht daher die Aufgabe, ei n effizientes Verfahren zum Betreiben einer zyklisch arbeitenden Adsorptionswärme- oder -kälteanlage anzugeben, mit dem auf ei nfache Weise eine Effizienzsteigerung, insbesondere eine wirksame Rückgewinn ung des Kältemittels für den Prozesskreislauf, erreicht werden kann. Darüber hi naus soll die Wärmerückgewinnung in Verbindung mit einer Vergrößerung der Beladungsbreite intensiviert werden . Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer zyklisch arbeitenden Adsorptionswärme- oder -kälteanlage der erwähnten

gattungsgemäßen Art gelöst, das erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Hinsichtlich des Vorrichtungsaspektes erfolgt eine Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens oder der Vorrichtung.

Das Verfahren zum Betreiben einer zyklisch arbeitenden thermischen

Adsorptionswärme- oder -kälteanlage mit einer Desorptionsphase und einer Adsorptionsphase mit mindestens einer Adsorber/Desorbereinheit, einem zyklisch während der Adsorptionsphase adsorbierten und während der Desorptionsphase desorbierten Kältemittel und einer in Abhängigkeit von der Prozessphase als Verdampfer oder als Kondensator wirkenden Verdampfer/ Kondensatoreinheit zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass durch eine zeitlich parallel ablaufende zyklische Wärmerückgewinnung in einem Wärmerückgewinnungskreislauf mit einem Zwischenspeicher und einem Wärmeübertragungsmedium folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden:

Während der Desorptionsphase erfolgt ein Zuleiten des Wärmeübertragungsmediums mit einer niedrigen Temperatur in einen Wärmekontakt mit der Verdampfer/Kondensatoreinheit. Dabei wird das Wärmeübertragungsmedium während des Wärmekontakts erwärmt und es erfolgt am Ende des Zyklus ein Verschieben des erwärmten Wärmeübertragungsmediums in den Zwischenspeicher in einer ersten Zwischenspeicherphase.

Während der Adsorptionsphase erfolgt ein Zuleiten des Wärmeübertragungsmediums in einen Wärmekontakt mit der Verdampfer/Kondensatoreinheit. Dabei wird das Wärmeübertragungsmedium während des Wärmekontakts auf die niedrige Temperatur abgekühlt und es erfolgt am Ende des Zyklus ein Verschieben des abgekühlten Wärmeübertragungsmediums in den Zwischenspeicher in einer zweiten Zwischenspeicherphase.

Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit, während der Adsorptionsphase die Verdampfer/Kondensatoreinheit zusätzlich durch die Zufuhr von Wärmeenergie aufzuheizen, die während der Desorptionsphase an der Verdampfer/Kondensatoreinheit entnommen wurde. Dabei werden zwei Ziele gleichzeitig erreicht. Zum einen wird eine gewisse Wärmemenge innerhalb des thermodynamischen Prozesses gehalten und für das Ausführen der jeweils anderen Phase des Prozesses genutzt. Zum Anderen wird durch das Abführen der Wärmemenge einerseits und durch das Zuführen dieser Wärmemenge andererseits der Desorptionsdruck bzw. der Adsorptionsdruck im System abgesenkt bzw. gesteigert. Das zwischen der Adsorbereinheit und der Verdampfer/Kondensatoreinheit zirkulierende Kältemittel wird

beschleunigt kondensiert und damit aus der Adsorbereinheit desorbiert bzw. beschleunigt verdampft und in die Adsorbereinheit zurückgetrieben.

Die so beschriebenen Schritte lassen sich besonders gut bei Adsorptionswärme- oder -kälteanlagen ausführen, bei denen nur eine sowohl zur

Desorption als auch zur Adsorption dienende Adsorbereinheit mit einer sowohl zur Kondensation als auch zum Verdampfen des Kältemittels dienenden

Verdampfer/ Kondensatoreinheit gekoppelt ist. In einem derartigen Fall wird die bei der Desorptionsphase in der Verdampfer/Kondensatoreinheit freigesetzte Kondensationswärme vom Wärme ü bertrag ungsmedium aufgenommen und im Zwischenspeicher gespeichert. Anschließend wird in der darauf folgenden Adsorptionsphase das nun erwärmte Wärmeübertragungsmedium zurück an die Verdampfer/Kondensatoreinheit geführt und nun erneut in den Wärmekontakt gebracht. Die nun in der Verdampfer/Kondensatoreinheit ablaufende Verdampfung wird durch diese zwischengespeicherte Wärme befördert.

Diese zyklische Wärmerückgewinnung ist bei einer zweckmäßigen

Ausführungsform mit einem Prozess gekoppelt, der zur Erhöhung der

Beladungsbreite der Adsorber/Desorbereinheit führt. Dieser Prozess bewirkt ein thermisches Senken des Desorptionsdruckes und/oder ein Erhöhen des Adsorptionsdruckes und umfasst folgende Verfahrensschritte:

Zur Beeinflussung des Desorptionsdruckes wird während der ersten

Zwischenspeicherphase die Verdampfer/Kondensatoreinheit in einen unterhalb der Kondensationstemperatur liegenden Niedertemperaturkontakt gebracht.

Zusätzlich oder als eigener Verfahrensschritt wird zur Beeinflussung des Adsorptionsdruckes während der zweiten Zwischenspeicherphase die

Verdampfer/Kondensatoreinheit in einen oberhalb der Verdampfungstemperatur liegenden Mitteltemperaturko takt gebracht. Grundgedanke dieser Verfahrensschritte ist es, die Kondensation und/oder die Verdampfung des Kältemittels während der Desorption und/oder während der Adsorption zu befördern, indem die Verdampfer/Kondensatoreinheit zusätzlich gekühlt oder geheizt wird. Als Voraussetzung dafür müssen definierte

Temperaturen für das Wärmeübertragungsmedium eingestellt werden, mit denen die entsprechenden Komponenten beaufschlagt werden. Dies geschieht dadurch, indem die Verdampfer/Kondensatoreinheit über das Wärmeübertragungsmedium jeweils thermisch an einen Nieder- bzw. Mitteltemperaturkontakt mit definierten Temperaturen angekoppelt wird.

Zweckmäßigerweise erfolgt eine Speicherung des dabei auf die hohe

Temperatur erwärmten und/oder auf die niedrige Temperatur abgekühlten Wärmeübertragungsmediums. Dadurch werden die Wärmerückgewinnung und der Prozess der Erweiterung der Beladungsbreite kombiniert.

Bei einer zweckmäßigen Gestaltung des Verfahrens erfolgen die thermische Kopplung der Verdampfer/Kondensatoreinheit mit dem Niedertemperaturkontakt und/oder die thermische Kopplung der Verdampfer/Kondensatoreinheit mit dem Mitteltemperaturkontakt jeweils unmittelbar vor dem Beginn der ersten oder zweiten Zwischenspeicherphase. Das heißt, dass die

genannten Komponenten genau dann in die entsprechenden Temperaturkontakte gebracht werden, wenn das Wärmeübertrag ngsmedium mit der jeweils erforderlichen Temperatur aus dem Zwischenspeicher an die

Komponenten herangeführt wird und im Rückfluss mit der jeweils anderen Temperatur wieder in den Zwischenspeicher eintritt. Dadurch weist das Wärmeübertragungsmedium eine definierte Temperatur auf, die sich durch den Kontakt mit der Verdampfer/Kondensatoreinheit ändert.

Zweckmäßigerweise erfolgen die zyklische Wärmerückgewinnung und der Prozess zur Erhöhung der Beladungsbreite ventilgesteuert. Dabei werden die Schaltzeitpunkte der Ventilsteuerung in Abhängigkeit von einer der

Verdampf er/ ondensatoreinheit gemessenen ersten Prozesstemperatur, einer am Ausgang des Zwischenspeichers gemessenen zweiten Prozesstemperatur und/oder einer zwischen der ersten und der zweiten Prozesstemperatur ermittelten Temperaturdifferenz bestimmt. Beide kombinierten Prozesse verlaufen daher vollautomatisch und sind in ihrer Taktung auf die konkret vorliegenden Temperaturen im System angepasst, Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt eine zyklische Speicherung der Wärme der Desorber/Adsorbereinheit in der Weise, dass das Wärmeübertragungsmedi um am Ende der Desorptionsphase auf ei nem Hochtemperaturniveau und/oder am Ende der Adsorptionsphase auf einem Mitteltemperaturniveau in einen, als zweiten zusätzlichen oder auch ausschließlich ausgeführten Speicher zwischen gespeichert u nd im darauffolgenden Zyklus wieder zugeführt wird.

Zweckmäßigerweise wird bei der Speicherung des Wärmeübertragungsmediums auf dem Hochtemperaturniveau auf einen Hochtemperaturkontakt zurückgegriffen, wobei das Wärmeübertragungsmedium auf dem

Temperaturniveau des Hochtemperaturkontakts zurückgeführt wird,

Vorrichtungsseitig ist eine zyklisch arbeitende thermische Adsorptionswärmeoder -kälteanlage vorgesehen, die zum Ausführen einer Desorptionsphase und einer Adsorptionsphase m it mindestens einer Adsorber/Desorbereinheit, einem zykl isch während der Adsorptionsphase adsorbierten und während der Desorptionsphase desorbterten Kältemittel, und einer alternierend als

Verdampfer oder Kondensator betreibbaren Verdam pfer/Kondensatorei nheit ausgebildet ist.

Diese zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine an die

Verdam pfer/Kondensatoreinheit therm isch gekoppelte Anordn ung zur

Wärmezwischenspeicherung vorgesehen ist. Diese besteht aus einem

Zwischenspeicher, zwischen dem Zwischenspeicher und dem Verdampfer, dem Kondensator oder der Verdampfer/Kondensatoreinheit verlaufenden Leitungen und mindestens einer von einer externen Steuereinheit geschalteten Ventileinrichtung mit einem zwischen den genannten Kom ponenten zirkulierenden Wärmeübertragungsmedium .

Zweckmäßigerweise ist die Anord nung zur Wärmezwischenspeicherung über die Ventileinrichtung zyklisch an einen Mitteltemperaturkontakt und/oder einen Niedertemperaturkontakt koppelbar.

Zweckmäßigerweise sind über die Ventileinrichtung mindestens folgende Schaltungen realisierbar, die eine definierte Temperatur des Wärmeübertragungsmediums sichern . Realisierbar sind dabei : - eine Desorptionsphasenschaltung mit einer Absperrung des Zwischenspeichers und einer thermischen Ankoppl ung der Verda mpfer/Kondensatoreinheit an den Mitteltem peraturkontakt ,

- eine erste Wärmerückgewi nnungsschaitu ng mit einem zwischen der

Verdampfer/Kondensatoreinheit und dem Zwischenspeicher ausgebildeten Kreislauf,

- eine Adsorptionsphasenschaltung mit einer Absperrung des Zwischenspeichers und einer thermischen Ankopplung der Verdampfer/Kondensatoreinheit an den Niedertemperaturkontakt (NT),

- eine zweite Wä rmerückgewi nnungsschaitu ng mit einem zwischen der

Verdampfer/Kondensatoreinheit (V/K) und dem Zwischenspeicher (ZS) ausgebildeten Kreisla uf.

Das Wärmeübertragungsmedium ist zweckmäßigerweise eine Flüssigkeit, vorzugsweise eine wässrige Flüssigkeit. Dadurch liegen eine hohe Wärmekapazität und damit ein hohes Vermögen zur Wä rmespeicherung vor.

Der Mitteltemperaturkontakt und/oder der Niedertemperaturkontakt si nd zweckmäßigerweise als externe thermisch angekoppelte und im Wärmeaustausch mit dem Wärmeübertragungsmedium befindliche Reservoirs mit jeweils konstanten Tem peraturen ausgebildet.

Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist mi ndestens ein Zwischenspeicher zur zyklischen Speicherung der Wärme der Desorber/Adsorberei nheit auf einem Hochtemperaturniveau am Ende der Desorptionsphase und/oder auf einem Mitteltemperaturniveau am Ende der Adsorptionsphase vorgesehen.

Der mindestens eine weitere Zwischenspeicher ist bei ei ner Ausgestaltung der Vorrichtung bei der Spetcherung des Wärmeübertragungsmediums a uf dem Hochtemperaturniveau mit einem Hochtem peraturkontakt thermisch

kontaktiert, wobei sich das Wä rmeübertragungsmediu m auf dem Temperaturniveau des Hochtem peraturkontakts befindet.

Bei einer Ausführungsform können die Zwischenspeicher ZS in ihrem

Fassungsvolumen derart angepasst werden, dass zusätzlich zur Wasserinha!tsmenge der Wärmetauscher von Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K bzw. Adsorber/Desorbereinheit A/D, die Wassermengen gespeichert werden, die zur Abkühlung bzw. Aufheizung der Wä rmetauscher benötigt werden. Dadurch kann die speicherba re Wärmemenge erhöht werden.

Bei einer Ausführungsform kann dabei in den Wärmerückgewinnu ngsphasen die Durchström ung der Speicher mit dem Wärmeübertragungsmedium zur Wärmentnahme / -beladung entsprechend der sich in den Speichern einstellenden Temperaturschichtung umgekehrt werden. Auf diese Weise werden die Adsorber/Desorbereinheit A/D bzw. die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K vorgeheizt / abgekühlt und der Teil der zurück zu gewinnenden Wärme erhöht sich erheblich .

Bei ei ner Ausführungsform ist die Adsorptionswärme- oder -käiteantage als eine quasi konti nuierlich arbeitende doppelt wirkende Adsorptionswärmeoder -kälteanlage mit zwei jeweils im Gegentakt arbeitenden und wechselnd auf die Verdam pfer/Kondensatoreinheit geschalteten Adsorber/Desorber- einheiten a usgebildet. Die Adsorptionswä rme- oder -kälteanlage kann aber auch als eine diskontinuierlich arbeitende Adsorptionswärme- oder -kälteanlage ausgebildet sein.

Bei einer Ausfü hrungsform ist die Adsorptionswärme- oder -kälteanlage als eine quasi kontinuierlich arbeitende mit einem separat als Verdampfer und separat als Kondensator a rbeitenden Einheit ausgebildet.

Das Verfahren und die dafü r verwendete Vorrichtung sollen nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden . Zur

Verdeutlichung dienen die beigefügten Figuren 1 bis 8, Es werden für gleiche oder gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.

Es zeigt;

Fig . 1 eine Darstel lung des prinzi piellen Abla ufs der Wärmerückgewi nnung während der Desorptionsphase,

Fig . 2 eine Darstel lung des prinzipiellen Ablaufs der Wärmerückgewinnung während der Adsorptionsphase Fig . 3 eine Darstellung einer Adsorptionswärme- oder -kä ltean lage mit einer Adsorbereinheit und einer Verdampfer/Kondensatoreinheit und dafür vorgesehenen Mitteln zur Sorptionsdruckbeeinflussu ng während einer Desorptionsphase,

Fig . 4 eine Darstellu ng der in Fig. 3 gezeigten Anordnung während des

Durch laufens einer Desorptionsdrucksenkung und einer damit kom binierten Wärmezwischenspeicherung.

Fig. 5 eine Darstellung der in den vorhergehenden Figuren gezeigten

Anord nung während des Durchlaufens der Adsorptionsphase,

Fig . 6 eine Darstellung der in den vorhergehenden Figuren gezeigten

Anord nung während des Durchlaufens Adsorptionsdrucksteigerung mit einer damit kombinierten Wärmezwischenspeicherung,

Fig. 7 eine Darsteliung der Wärmerückgewinnung nach der Desorptionsphase mit zwei Speichern und Umkehrung der Speicherdurchströmung und

Fig . 8 eine Darstellung der Wärmerückgewinnung nach der Adsorptionsphase mit zwei Speichern u nd Umkehrung der Speicherdu rchströmung.

Fig. 1 zeigt eine Darstell ung des prinzipiellen Ablaufs des Verfahrens der Wärmerückgewi nnung an der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage während der Desorptionsphase. Die Adsorptionswärme- oder -kälteanlage besteht aus einer Adsorber/Desorbereinheit A/D, in der sowohl die Adsorption und als auch die Desorption eines Kältemittels erfolgt. Die Adsorber/Desorbereinheit A/D ist mit einer Kondensatoreinheit K gekoppelt, in der das Kältemittel in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsphase der Adsorptionswärme- oder - kältean lage kondensiert wird,

Die Wärmerückgewinnung wird in einem Wärmerückgewinnungskretsiauf ausgeführt. Dieser enthält einen Zwischenspeicher ZS und ist an die

Kondensatoreinheit K thermisch angekoppelt. Innerha lb des Wärmerückgewinnungskreislaufes zi rkuliert ein Wä rmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser. Die Bewegung des Wärmeübertragungsmediums ist in Fig. 1 durch schwarze Pfeile verdeutlicht. Die Bewegung des Kältemittels innerhalb der eigentlichen Adsorptionswärme- oder -kälteanlage ist durch einen weißen Blockpfeil dargestellt.

Während der Desorption des Kältemittels in der Adsorber/Desorbereinheit A/D gelangt das Kältemittel in die Kondensatoreinheit K und wird dort

kondensiert. Das über den Wärmerückgewinnungskreislauf aus dem Zwischenspeicher ZS herangeführte Wärmeübertragungsmedium ist kalt und weist eine Temperatur T _u auf. Das Wärme Übertrag ungsmedi um nimmt über den Wärmekontakt mit der Kondensatoreinheit die abgegebene Kondensationswärme auf. Das dabei auf die Temperatur T ₀ erwärmte Wärme Übertrag ungsmedi um gelangt in den Zwischenspeicher ZS zurück und verdrängt dabei das dort noch verbliebene kalte W rmeübertragungsmedium. Die durch den Kondensations- prozess abgegebene Wärme ist nun in Form des warmen Wärmeübertragungsmediums im Zwischenspeicher gespeichert.

Gleichzeitig wird während des Beaufschlagens der Kondensatoreinheit K mit dem kalten Wärme Übertragungsmedium die Desorptionsphase in der

Adsorber/Desorbereinheit A/D hinaus weiter betrieben und dabei das

Kältemittel so vollständig wie möglich aus der Gasphase abgezogen. Dadurch wird der Desorptionsdruck p _des innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit A/D abgesenkt. Die Desorption läuft dadurch vollständiger und wirkungsvoller ab.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung des prinzipiellen Ablaufs des Verfahrens der Wärmerückgewinnung an der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage während der Adsorptionsphase. Die Adsorber/Desorbereinheit A/D ist nun mit einem Verdampfer V gekoppelt. Während dieser Phase wird das Kältemittel in dem Verdampfer V verdampft und in der Adsorber/Desorbereinheit A/D wieder adsorbiert. Über den Wärmerückgewinnungskreislauf wird nun das in dem Zwischenspeicher enthaltene warme Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur T ₀ an den Verdampfer V herangeführt. Das Wärmeübertragungsmedium gibt die gespeicherte Wärme dabei über den Wärmekontakt an das verdampfende Kältemittel ab. Dabei sinkt die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums wieder auf die Temperatur T _u . Das nun kalte Wärmeübertragungsmedium wird zurück in den Zwischenspeicher ZS geführt und verdrängt das dort noch verbliebene warme Wärmeübertragungsmedium.

Nach dem Durchlaufen des in Fig. 2 gezeigten Prozesses wird somit die während der Desorptionsphase am Kondensator anfallende und zwischengespeicherte Wärme während der Verdampfungsphase an den Verdampfer und somit an die Adsorptionswärme- oder -kälteanlage zurück übertragen und somit für den dort ablaufenden zyklischen Prozess wiedergewonnen.

Zugleich wird die Adsorption innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit weiter ausgeführt. Dabei wird durch die forcierte Verdampfung des Kältemittels innerhalb des Verdampfers der Adsorptionsdruck p _ac j _s in der Adsorber/Desorbereinheit A/D gesteigert. Die Adsorption wird somit effektiver ausgeführt.

Anhand der prinzipiellen Darstellungen in Fig. 1 und Fig. 2 wird somit deutlich, dass die Wärmerückgewinnung mit einer Beeinflussung der

Beladungsbreite der Sorptionsfläche in der Adsober/Desorbereinheit A/D einher geht, die über die beschriebene Beeinflussung des Desorptions- und Adsorptionsdruckes erfolgt.

Zugleich ist anhand der Darstellungen aus Fig. 1 und 2 zu erkennen, dass das Verfahren der Wärmerückgewinnung und der Beeinflussung des Adsorptionsund Desorptionsdruckes auch an Adsorptionswärme- oder -kälteanlagen ausgeführt werden kann, bei denen der Kondensator und der Verdampfer räumlich voneinander getrennt sind.

Für eine besonders wirkungsvolle Ausführung der Kombination aus

Wärmerückgewinnung und Des- bzw. Adsorption sdruckbeeinflussung ist es zweckmäßig, das W rmeübertragungsmedium zumindest kurz vor den einzelnen Phasen des W rmerückgewinnungsprozesses und der Zwischen- speicherung, dh zumindest in einem gewissen Zeitraum während der

Betriebsphasen der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage auf definierte Temperaturen zu bringen oder auf definierten Temperaturen zu halten. Dies geschieht in den nachfolgend erläuterten Schaltungen, bei denen sowohl die Komponenten der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage als auch das

Wärmeübertragungsmedium und die Komponenten des Wärmerückgewinnungskreislaufs zyklisch in einen Hochtemperaturkontakt HT, einen Mitteltemperaturkontakt MT und einen Niedertemperaturkontakt NT gebracht werden. Dabei werden durch Ventileinrichtungen zyklisch aufeinander folgend eine in Fig. 3 gezeigte Desorptionsphasenschaltung Des, eine in Fig. 4 dargestellte erste Wärmerückgewinnungsschaltung WR1, eine in Fig. 5 gezeigte Adsorptionsphasenschaltung Ads und eine in Fig. 6 offenbarte zweite Wärmerückgewinnungsschaltung WR2 realisiert.

Fig. 3 zeigt hierfür einen beispielhaften hydraulischen Schaltplan. Die Figur zeigt zugleich eine Ventilstellung für die Desorptionsphasenschaltung Des. Die Schaltung enthält eine Adsorptionswärme- oder -Kälteanlage AWP aus einer Adsorber/Desorbereinheit A/D und einer Verdampfer/Kondensatoreinheit V/D. Die Adsorber/Desorbereinheit A/D dient zugleich der Adsorption als auch der Desorption des Kältemittels, während die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsphase sowohl zur Verdampfung als auch zur Kondensation des Kältemittels genutzt wird. Der Kältemittelkreislauf zwischen der Adsorber/Desorbereinheit A/D und der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K ist hier aus Gründen einer möglichst einfachen Darstellung nicht dargestellt.

Weiterhin ist der Zwischenspeicher ZS vorgesehen. Zum Einstellen definierter Temperaturen dienen drei Wärmekontakte HT, MT und NT. Diese sind als externe Wärmebäder ausgebildet, die von Leitungsabschnitten des Wärmerückgewinnungskreislaufs durchzogen sind. Der Wärmekontakt HT stellt einen Hochtemperaturkontakt mit einer hohen Temperatur T _H T _A der Wärmekontakt MT einen Mitteltemperaturkontakt mit einer mittleren Temperatur T _MT und der Wärmekontakt NT einen Niedertemperaturkontakt mit der niedrigen

Temperatur

_MT > T

_NT . Das Wärmeübertragungsmedium durchströmt die Wärmekontakte und wird dabei auf die entsprechenden Temperaturen definiert eingestellt. Für diese Temperatureinstellungen werden die Desorptions- und die Adsorptionsphasen der

Adsorptionswärme- oder -Kälteanlage genutzt.

Während der Wärmerückgewinnungsphasen erfolgt ein zyklisches Ersetzen des entweder auf die Temperatur T _MT oder T _NT gebrachten Wärmeübertragungsmediums in der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K und ein

Verschieben bzw. Freigeben des zwischendurch gespeicherten Wärmeübertragungsmediums in bzw. aus dem Zwischenspeicher ZS.

Die Temperatur des Wärmeü bertrag ungsmedi ums wird während des Prozessverlaufs mindestens an zwei Punkten registriert. Der erste Temperaturüberwachungspunkt Tl befindet sich am Ausgang der Verdampfer/ Kondensator- einheit V/K, der zweite Temperaturüberwachungspunkt T2 ist am Ausgang des

Zwischenspeichers ZS angeordnet.

Das Wärmeübertragungsmedium wird durch zwei Pumpen PI und P2 umge- trieben. Diese befinden sich jeweils am Eingang der Adsorber/Desorbereinheit A/D sowie am Eingang der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K.

Die verschiedenen zyklusabhängigen Schaltungen und Fließrichtungen des Wärmeübertragungsmediums werden durch Ventile VI, V2, V3, V4, V5 und V6 eingestellt. Der eigentliche Wärme rückgewinnungskreislauf wird dabei durch die Ventile V3 bis V6 gesteuert, während die Ventile VI und V2 eine definierte Temperatur des Wärmeübertragungsmediums für die

Adsorber/Desorbereinheit A/D einstellen.

Sämtliche Ventile sind in diesem Beispiel als Drei-Wege-Ventile ausgebildet. Sie werden von einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung geschaltet. Die Steuereinrichtung und die Ventile sind als Teil eines Regelkreises ausgebildet. Der Regelkreis umfasst jeweils einen Temperatursensor an dem Temperaturüberwachungspunkt Tl. und einen Temperatursensor an dem Temperaturüberwachungspunkt T2, sowie eine Einheit zur Berechnung einer Temperaturdifferenz zwischen den an diesen Stellen gemessenen Temperaturwerten. In Abhängigkeit von der gemessenen Temperaturdifferenz werden die nachfolgend erläuterten Phasen beendet oder gestartet. Die Anordnung wird hierzu über die Ventile VI bis V6 nacheinander in die Desorptionsphasen- schaltung, eine erste Wärmerückgewinnungsschaltung, eine Adsorptionsphasenschaltung und eine zweite Wärmerückgewinnungsschaltung gebracht.

Fig. 3 zeigt die Desorptionsphasenschaltung Des. In der Adsorptionswärmeoder -kälteanlage AWP wird innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit A/D die Desorptionsphase durchlaufen. Die Adsorber/Desorbereinheit A/D wird dazu in den HT-Wärmekontakt gebracht. Hierzu sind die Ventile VI und V2 so gestellt, das das Wärmeübertragungsmedium über die Pumpe PI in einem Kreislauf zwischen dem HT-Temperaturreservoir und der Adsorber/Desorbereinheit A/D umgetrieben wird. Das Kältemittel innerhalb der Adsorptionswärme- oder -kälteanlage wird dabei desorbiert und kondensiert in der Verdampf er/ Kondensatoreinheit V/K. Während des regulären Desorptionsprozesses oder zumindest an dessen Ende wird die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K auf einem mittleren Temperaturniveau TMT gehalten. Das Wärmeübertragungsmedium wird hierzu über die Pumpe P2 über entsprechend gestellte Ventile V3 und V4 in einem Kreislauf zwischen dem MT-Temperaturreservoir und der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K umgetrieben.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind sowohl der Zwischenspeicher ZS als auch das Niedertemperaturreservoir NT während der Desorptionsphase vom System abgetrennt.

An die Desorptionsphase schließt sich eine erste Wärmerückgewinnungsphase an, Hierzu realisieren die Ventile VI bis V6 die in Fig. 4 gezeigte erste

Wärmerückgewinnungsschaltung WRl. Die Ventile VI und V2 bleiben hierzu in der in Fig. 3 gezeigte Stellungen. Die Desorption wird in der Adsorber/Desor- bereinheit A/D somit fortgesetzt. Die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K wird über die Ventile V3, V4, V5 und V6 in einen über die Pumpe P2

getriebenen Kreislauf mit dem Zwischenspeicher ZS gebracht.

Während innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit A/D der Desorptionsprozess weiterhin andauert, wird die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K aus dem Zwischenspeicher ZS mit dem Wärmeübertragungsmedium beaufschlagt. Das Wärmeübertragungsmedium weist dabei eine Temperatur auf, die der

Temperatur T _N j des Niedertem eraturreservoirs T entspricht. Das somit kalte Wärmeübertragungsmedium verdrängt das aus der vorhergehenden Desorptionsphase noch an der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K

verbliebene Wärmeü bertrag ungsmedi um mit der Temperatur T _M j und kühlt damit die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K auf die Temperatur T _NT ab. Das an der Verdampfer/ Kondensatoreinheit V/K noch verbliebene Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur Τ _Μ τ wird in den Zwischenspeicher ZS verschoben und verdrängt dort das Wärmeü bertrag ungsmedi um mit der Temperatur TNT- ES findet somit sowohl an der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K als auch in dem Zwischenspeicher ZS einerseits ein Austausch des warmen Wärmeübertragungsmediums durch das kalte Wärmeübertragungsmedium und andererseits des kalten Wärmeübertragungsmediums durch das warme Wärmeübertragungsmedium statt. Dabei wird die in dem Wärme- übertragungsmedium mit der Temperatur TMT aufgenommene Wärme im

Zwischenspeicher gespeichert. In Verbindung damit wird durch die Abkühlung der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K auf die Temperatur T _NT die dort noch ablaufende Kondensation des Kältemittels forciert. Dadurch sinkt der Desorptionsdruck innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit A/D, wodurch die dort ablaufende Desorption des Kältemittels verstärkt stattfindet und vervollständigt wird. Die Desorptions- drucksenkung ermöglicht eine besonders wirksame Nachdesorption nach dem Abschluss der eigentlichen Desorptionsphase und senkt dadurch die

Restbeladung der Sorptionsfläche in der Adsorder/Desorbereinheit A/D ab. Die Beladungsbreite wird somit vergrößert.

Der Prozess der kombinierten Wärmerückgewinnung und der Desorptions- drucksenkung findet dann seinen Abschluss, wenn sowohl an der Stelle Tl als auch an der Stelle T2 eine im Wesentlichen gleiche Temperatur gemessen wird und die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an der Stelle Tl und der Stelle T2 ihr Vorzeichen wechselt. Dies ist genau dann der Fall, wenn gerade die im Zwischenspeicher verbliebene Restmenge des

Wärmeübertragungsmediums mit der Temperatur T _NT den Zwischenspeicher ZS verlassen hat und aus der Verdampfer/Kondensatoreinheit das

Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur TNT wieder auszutreten beginnt, nachdem dort das Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur TMT verdrängt worden ist. Unmittelbar darauf werden durch die Steuereinheit die Ventile VI bis V6 von der ersten Wärmerückgewinnungsschaltung W 1 in die Adsorptionsphasenschaltung Ads umgeschaltet.

Fig. 5 zeigt die Adsorptionsphasenschaltung Ads. Innerhalb der Adsorber/ Desorbereinheit A/D wird die Adsoption des Kältemittels ausgeführt, während innerhalb der Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K die Verdampfung des Kältemittels stattfindet. Der Zwischenspeicher ZS enthält das auf die

Temperatur T _M j erwärmte Wärmeträgermedium und ist von den übrigen Komponenten abgetrennt. Die Ventile VI und V2 sind so geschaltet, dass die Adsorber/Desorbereinheit A/D mit dem MT-Wärmekontakt gekoppelt ist. Das Wärmeträgermedium wird von der Pumpe PI in die Adsorber/Desorbereinheit A/D über das Ventil V2 durch den MT-Wärmekontakt über das Ventil VI zurück zur Pumpe getrieben.

Die Verdampfung des Kältemittels vollzieht sich bei einem geringen Druck und einer niedrigeren Temperatur. Die Verdampfer/ Kondensa oreinhei V/K ist mit dem NT-Wärmekontakt gekoppelt. Das Wärmeträgermedium wird von der Pumpe P2 in die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K getrieben und über die entsprechend gestellten Ventile V4, V5 und V6 zu dem NT-Wä rmekontakt geführt, bevor es dann über das Venti l V3 zurück zur Pumpe und wieder in die Verdampfer/Kondensatorei nheit V/K gela ngt.

An die Adsorptionsphase schließt sich eine zweite Wärmerückgewinnungsphase an. Hierzu werden die Ventile V3, V4, V5 und V6 in die zweite

Wärmerückgewi nnungsschaltung WR2 gesteift. Die Schaltung WR2 ist in Fig. 6 dargestellt.

Die zweite Wärmerückgewinnungsschaltung dient dazu, die während der ersten Wärmerückgewinnungsphase im Zwischenspeicher ZS gespeicherte Wärme wieder an die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K zurück zu führen. Die Adsorber/Desorbereinheit A/D führt währenddessen weiterhin die

Adsorption des Kältemittels aus. Wie aus der Figur 6 zu entnehmen ist, wird die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K von dem Niedertemperaturkontakt NK getrennt und in einen von der Pumpe P2 getriebenen Kreislauf mit dem

Zwischenspeicher ZS gebracht. Das in dem Zwischenspeicher ZS enthaltene Wärmeträgermedium mit der Temperatur MT wi rd nun über das Ventil V6 und das Ventil V3 über die Pumpe in die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K gedrückt und verdrä ngt das dort vorhandene Wärmeübertragungsmedium mit der Tem peratur ΤΝΤ· Das verdrängte Wärmeübertrag ungsmedium wird in den Zwischenspeicher ZS geschoben und ersetzt dort das noch verbliebene

Wärmeübertragungsmedi um m it der Tem peratur T _MT . Dadurch wird die während der ersten Wärmerückgewinnungsphase gespeicherte Wärme wieder an die Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K abgeführt. Währenddessen wird die Temperatur des Wärmeübertragungsmediums an den Stellen Tl und T2 registriert und die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Werten

bestimmt.

Während der zweiten Wärmerückgewinnungsphase wird innerhalb der

Adsorber/Desorbereinheit A/D weiterhin das Kä ltemittel adsorbiert. Die nun durch das Wärmeübertragungsmedium auf das Temperaturniveau des MT- Wärmekontaktes gehobene Verdampfer/Kondensatoreinheit V/K führt eine forcierte Verdampfung des Kältemittels a us. Dadurch erfolgt ein Abdampfen des Kältemittels in d ie Gasphase und im Ergebnis eine Adsorptionsdrucksteigerung innerhalb der Adsorber/Desorbereinheit A/D. Das Kältemittel wird dadurch forciert adsorbiert. Als Resultat wird dadurch die Sorptionskapazität der Adsorber/Desorbereinheit A/D stärker genutzt und deren Beiadungsbreite vergrößert.

Der Prozess der kombinierten Wärmerückgewinn ung und der Adsorptionsdrucksteigerung fi ndet dann seinen Abschluss, wenn sowohl an der Stelle Tl als auch an der Stelle T2 eine im Wesentlichen gleiche Temperatu r gemessen wird und die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen an der Stelle Tl und der Stelle T2 ihr Vorzeichen wechselt. Dies ist genau dann der Fa ll, wenn gerade die im Zwischenspeicher verbliebene Restmenge des Wärmeübertragungsmediums mit der Temperatur TMT den Zwischenspeicher ZS verlassen hat und aus der Verdampfer/Kondensatoreinheit das

Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur TMT wieder auszutreten beginnt, nachdem dort das Wärmeübertragungsmedium mit der Temperatur TNT verdrängt worden ist. Unmittel bar darauf werden durch die Steuereinheit die Ventile VI bis V6 von der zweiten Wärmerückgewinnungsschaltung WR2 in die Desorptionsphasenschaltung Des gemäß Figur 3 umgeschaltet.

Der gesamte Zyklus aus Desorptionsphase und erster Tem peratureinstel lung, erster Wärmerückgewi n nung und erster Zwischenspeicherung des

Wärmeträgers, Adsorptionsphase und zweiter Temperatureinstellung und zweiter Wärmerückgewinn ung und zweiter Zwischenspeicherung des

Wärmeträgers kann nun erneut durchlaufen werden.

Der in den Figuren beschriebene Grundaufbau kann insbesondere hinsichtlich des Zwischenspeichers vorteilhaft modifiziert sein. Hierzu ist es insbesondere möglich, ansteile des einen Zwischenspeichers je einen Zwischenspeicher für das warme und für das kalte Wärmeübertragungsmedium vorzusehen und diese Zwischenspeicher darüber hinaus thermisch an den Hochtemperaturkontakt HT bzw. den Mitteltemperaturkontakt MT zu koppeln, um so die Wärmerückgewinnung und die Beeinflussung des Adsorptions- und

Desorptionsdruckes innerhal b der Temperaturdifferenz zwischen der

Temperatur THT und TMT auszuführen.

Es versteht sich außerdem für einen Fachma nn, dass die in den Ausfüh rungsbeispielen erläuterten Verfahrensabläufe prinzipiell auch mit Adsorptionswärme- oder -kälteanlagen ablaufen kön nen, bei denen entweder der

Kondensator und der Verdampfer als räumlich getrennte Ei nrichtungen ausgebildet sind und/oder bei denen zwei Adsorber/Desorbereinheiten vorgesehen sind, die im Gegentakt betrieben werden und deren

Kältemittelkreisläufe alternierend auf die Kondensatoren bzw. Verdampfer geschaltet sind. In einem derartigen Fall wird das W rmeübertragungsmedium in zwei Zwischenspeichern gesammelt und aus diesen Zwischenspeichern alternierend zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer verschoben.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung wurden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Im Rahmen

fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.

Bezugszeichenliste

Ads Adsorptionsphasenschaltung

Des Desorptionsphasenschaltung

WR1 erste Wärmerückgewinnungsschaltung

WR2 zweite W rmerückgewinnungsschaltung

AWP Adsorptionswärme- oder -kälteanlage

A/D Adsorber/Desorbereinheit

K Kondensator

V Verdampfer

V/K Verdampfer/Kondensatoreinheit

HT Hochtemperaturkontakt

MT Mitteltemperaturkontakt

NT Niedertem eraturkontakt

PI erste Pumpe

P2 zweite Pumpe

Tl erster Temperaturüberwachungspunkt

T2 zweiter Temperaturüberwachungspunkt

T ₀ höhere Temperatur

Ty niedrigere Temperatur

VI bis V12 Ventile

ZS Zwischenspeicher