Тепловой насос адсорбционного типа - RU2547546C2

Чертежи

Показать все 16 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к тепловому насосу адсорбционного типа в соответствии с ограничительной частью пункта 1 формулы изобретения.

WO 2007/068481 А1 описывает адсорбционный тепловой насос, состоящий из нескольких полых элементов с соответственно одной областью адсорбции/десорбции и одной областью испарения/конденсации или с областью фазового перехода. Полые элементы обтекаются в каждой области теплопередающей жидкостью, причем контакт полых элементов относительно потока жидкости изменяется циклически с помощью расположения вентилей.

Задача изобретения состоит в создании такого адсорбционного теплового насоса, для которого возможно особенно широкое применение.

Эта задача решается для указанного теплового насоса посредством признаков пункта 1 формулы изобретения. Посредством параллельного потока жидкости через ряд полых элементов в области средств адсорбции (сторона сорбции теплового насоса) может быть достигнуто значительное выравнивание температур этих полых элементов на стороне сорбции, за счет чего будет расширяться в основном происходящий термодинамический циклический процесс.

Это может быть использовано, например, для увеличения температурного подъема теплового насоса. В частности, в этом контексте может иметь место сравнительно небольшой температурный подъем. Под температурным подъемом при этом понимается температурный интервал в рабочем процессе или между низкой температурой источника тепла (NQ) и среднетемпературным охладителем (MS), то есть в случае использования в качестве охлаждающего устройства по возможности более низкой температуры испарения и/или высокой температуры обратного охлаждения (соответственно температуры конденсации и температуры адсорбции). Под температурным сдвигом при этом понимается температурный интервал в возрастающем процессе, а именно температурный интервал между (высокой температурой) источником тепла и обратным охлаждением, соответственно, средней температурой - теплоотвода, в случае режима охлаждения соответственно - температурой обратного охлаждения. Особенно целесообразно через соответствующее решение изобретения увеличить соотношение между температурой подъема и температурой сдвига, без сильного уменьшения диапазона загрузки процесса, так, чтобы имела место расширенная область применения.

Дополнительно изобретение может использоваться для того, чтобы при заданном подъеме температуры увеличить полезный диапазон загрузки и таким образом также термический СОР (коэффициент эффективности работы) устройства.

В соответствии с одной из предпочтительных форм изобретения, при этом предусмотрено, что в каждом положении вентильного устройства, по меньшей мере, две группы множества полых элементов соответственно омываются параллельно, где по меньшей мере одна из групп расположена непосредственно за теплообменником по направлению течения. Теплообменники находятся в обмене с соответствующими тепловыми резервуарами на различных уровнях температур, например источник тепла с одной стороны и резервуар обратного охлаждения с другой стороны. Примерами источника тепла могут быть модуль солнечных батарей или получаемое тепло теплового блока электрической станции. Что касается резервуара обратного охлаждения, то речь может идти, например, о внешнем воздухе, при котором соответствующий теплообменник делает возможным «сухой» тепловой обдув окружающей среды.

В общем преимущественной формой для оптимизации соотношения между температурой сдвига и температурой подъема предусмотрено то, что количество одновременно параллельно обтекаемых полых элементов, по меньшей мере, составляет примерно одну четверть, в частности, по меньшей мере, одну треть от общего числа последовательно обтекаемых полых элементов.

Согласно наиболее предпочтительной форме осуществления изобретения при этом предусмотрено, что полые элементы в изменяющемся контуре жидкости посредством вентильного устройства области фазового перехода омываются посредством теплопередающей жидкости (теплоноситель) области фазового перехода, за счет чего полые элементы вводятся в тепловой контакт в области фазового перехода, при этом омывание полых элементов последующей жидкостью циклически меняется. За счет частичного параллельного обтекания не только в области адсорбции, но также и в области фазового перехода может достигаться дальнейшее повышение температурного подъема. В зависимости от конкретного оснащения, контур жидкости стороны фазового перехода полностью отделен от адсорбирующей стороны, при этом для дальнейшей оптимизации могут применяться различные жидкости. В конкретном случае контуры жидкости могут быть также соединены друг с другом, например, для цели совместного и при этом экономичного использования этих теплообменников как обратных охладителей. Примерами для особо пригодной теплопередающей жидкой среды теплового насоса, соответствующего изобретению, являются водно-гликолевые смеси, соответственно с добавками для защиты от коррозии, как они находят применение в охлаждающих контурах.

Целесообразно предусмотрено как для контура жидкости стороны адсорбции, также и для контура жидкости стороны фазового изменения в каждом случае свое вентильное устройство для циклически чередующегося обтекания полых элементов. В общем, также целесообразно, чтобы обе стороны управлялись одним и тем же единым вентильным устройством. Изобретение в основном включает все конструкции вентильной установки.

При предпочтительном детальном представлении обтекаются жидкостью области фазового перехода, по меньшей мере, в каждом положении особенно вентильных устройств области фазового перехода, по меньшей мере, параллельно два полых элемента в области фазового перехода. При этом по меньшей мере два полых элемента омываются последовательно друг за другом. В предпочтительном, но не необходимом дальнейшем усовершенствовании, при этом предусмотрено, что в каждом положении особенно последующего положения вентилей по меньшей мере две группы множества полых элементов в области фазового перехода каждый раз параллельно омываются жидкостью области фазового перехода, причем теплообменник расположен непосредственно до или после, по меньшей мере, одной группы из множества полых элементов..

Особенно эффективен по замыслу изобретения тепловой насос, в котором как на стороне сорбции, так и на стороне фазового перехода омывается соответственно несколько полых элементов параллельно и несколько полых элементов последовательно. При этом эти различные омываемые полые элементы должны быть установлены в определенном фазовом положении относительно двух сторон. Так могут особенно предпочтительно омываться параллельно друг к другу те полые элементы группы, которые в своих областях сорбции, на стороне фазовых изменений каждый раз последовательно друг за другом омываются и наоборот. Для тонкой оптимизации работы теплового насоса этот предписанный порядок омывания полых элементов на стороне сорбции параллельно (последовательно) и на стороне фазовых изменений последовательно (параллельно) может иметь по отношению друг к другу сдвиг фазы, например на один или два элемента. Альтернативно или дополнительно временные точки переключения вентилей друг относительно друга могут быть передвинуты на определенный временной шаг. При этом может быть учтена термическая инерция системы.

Согласно предпочтительной форме исполнения изобретения в заданном положении установки вентилей, часть полых элементов подключена к части контура, причем теплопередающая жидкость с помощью дополнительного циркуляционного насоса циркулирует по части контура. В результате, в основном будет создана степень свободы, чтобы массовые потоки различных групп параллельно и последовательно омываемых полых элементов, по меньшей мере, установить частично независимо друг от друга. В первой возможной детальной конфигурации имеется всего два циркуляционных насоса, причем первая часть контура циркулирует с помощью первого циркуляционного насоса, а вторая часть контура сопряжена с первой частью контура и циркулирует с помощью второго циркуляционного насоса. Как результат, хороший компромисс достигнут между структурной сложностью и управляемостью массовых потоков. Для оптимального определения массовых потоков для различных групп полых элементов, омываемых параллельно и последовательно, может быть также предусмотрено, что всего имеется три части контура, которые разделены и которые каждый раз одним из трех циркуляционных насосов приводятся в движение.

При альтернативной малозатратной конструкции может также быть предусмотрен только один циркуляционный насос, у которого простое распределение массовых потоков к полым элементам достигается через разветвители.

При другой оптимизированной форме исполнения теплового насоса по меньшей мере каждый раз один из полых элементов, особенно в его области фазового перехода не омывается теплопередающей жидкостью. В предпочтительной детальной конфигурации к тому же неомываемый полый элемент каждый раз расположен между группой полых элементов, принимающих тепло в области фазового перехода, и группой полых элементов, отдающих тепло в области фазового перехода. Как результат, создается адиабатическая зона между областями фазовых переходов соседних полых элементов с особо большой температурной разницей, за счет чего нежелательный тепловой поток уменьшается, и эффективность действия теплового насоса в целом улучшается.

В предпочтительной форме исполнения изобретения, вентильное устройство включает, по меньшей мере, один поворотный вентиль с цилиндрическим корпусом и размещенным в нем с возможностью поворота поворотным корпусом вентиля. При этом, как правило, как сторона сорбции, так и сторона фазовых изменений имеют одни и то же вентильное устройство, которое может быть соответственно подобно или идентично сконструировано.

В предпочтительной дальнейшей разработке простой и эффективной конструкции поворотный вентиль имеет торцевые вводы и выводы для подключения к отдельным полым элементам.

Единая предпочтительная форма конструкции поворотного вентиля теплового насоса предусматривает, что корпус вентиля образует одно кольцевое пространство, причем, по меньшей мере, два осевых канала входят в кольцевое пространство и соединены с параллельно подключенными полыми элементами, и при этом предусматривается, по меньшей мере, одно радиальное отверстие кольцевого пространства, которое через кольцевое пространство соединено, по меньшей мере, с двумя осевыми каналами. Это делает возможным простую реализацию параллельного соединения групп полых элементов через осевые каналы, при этом к тому же чередуются параллельно подключенные полые элементы путем дальнейшего вращения корпуса вентиля. Радиальные подключения кольцевого пространства целесообразно соединены с теплообменниками, которые соответственно соединены до или после с параллельно подключенными полыми элементами, в зависимости от направления потока.

Задача изобретения решается для упомянутого в начале теплового насоса, к тому же с помощью признаков пункта 13 формулы изобретения. Благодаря тому, что, по меньшей мере, первая часть полых элементов расположена ниже по потоку от первого циркуляционного насоса и вторая часть полых элементов расположена ниже по потоку от второго циркуляционного насоса, возможно достижение, в частности, особенно эффективного теплового обмена при заданном структурном размере. В соответствии с одной из предпочтительных форм изобретения включает при этом, по меньшей мере, одна часть, по меньшей мере, два полых элемента, которые расположены параллельно друг другу по потоку соответствующего циркуляционного насоса. Обычно предусмотрено большое количество полых элементов, например 8 или 12, причем каждая из частей в каждом соответствующем рабочем положении содержит два или более полых элемента. При соответствующих требованиях может также случиться, что, по меньшей мере, одна из частей включает только минимальное число в один полый элемент.

При особенно предпочтительной форме исполнения изобретения предусмотрено, что обе части полых элементов принадлежат по меньшей мере в одном положении установки вентилей к двум частичным контурам жидкости, отделенным друг от друга. В результате, становится возможным достижение особенно высокой плотности мощности теплового насоса. Особенно предпочтительно, раздельные части контура могут иметь при этом различное количество полых элементов, в зависимости от того, с каким видом источника тепла или охлаждения раздельные контуры состоят в обмене. Находится, например, в соединении первая часть контура с высокотемпературным источником тепла (HQ) и вторая часть контура со среднетемпературным охладителем (MS), тогда предпочтительнее меньшее количество полых элементов первой части контура по сравнению со второй частью контура. Распределение полых элементов между двумя частями контура осуществляется предпочтительно в соотношении между 1:3 и 1:1, более предпочтительно между примерно 2:5 и примерно 4:5. Если общее количество полых элементов позволяет, особенно выгодно распределение 1:2.

В альтернативной или дополняющей форме исполнения изобретения предусмотрено, что первая часть полых элементов принадлежит к первой части контура жидкости и вторая часть полых элементов принадлежит ко второй части контура, причем обе части контура связаны друг с другом, по меньшей мере, через один полый элемент. В результате обеспечены эффективный теплообмен, и поэтому хорошая плотность мощности, причем к тому же возможно повышение общей эффективности за счет обратного полученного тепла сопряжения частей контуров. В особенно предпочтительной конфигурации имеется при этом соединение соответствующего полого элемента части контура с соответствующей другой частью контура. Это может произойти, например, через подсасывающее соединение выхода соответствующего полого элемента с циркуляционным насосом другой части контура.

Далее вообще предпочтительно для оптимизации теплового насоса может быть предусмотрено, что вентильное устройство содержит поперечные приспособления и/или дроссельные элементы для обтекания отдельных подключенных полых элементов, которые ведут к максимизации обратного полученного тепла.

В общем, предпочтительно предусмотрено далее, что тепловой насос согласно пунктам 13-17 имеет, кроме того, типичные особенности любого из пунктов 1-12, чтобы сделать возможной дальнейшую оптимизацию.

Другие преимущества и особенности изобретения вытекают из последующих описанных примеров воплощения, а также из зависимых требований.

Ниже будут описаны многие примеры воплощения изобретения и подробнее объяснены посредством приложенных рисунков.

Фиг. 1 показывает коммутационную схему первого примера реализации теплового насоса согласно изобретению.

Фиг. 2 показывает диаграмму температура/давление с циклическими процессами стороны сорбции и стороны фазового перехода теплового насоса из Фиг. 1.

Фиг. 3 показывает схематическое расширенное представление о поворотном вентиле для управления потоком жидкости стороны сорбции через тепловой насос из Фиг. 1.

Фиг. 4 показывает продольное сечение через схематическую иллюстрацию поворотного вентиля из Фиг. 3.

Фиг. 5 показывает поперечное сечение поворотного вентиля из Фиг. 4 вдоль линии А-А.

Фиг. 6 показывает поперечное сечение поворотного вентиля из Фиг. 4 вдоль линии В-В.

Фиг. 7 показывает схематическое расширенное представление поворотного вентиля для управления потоком стороны фазового перехода жидкости через тепловой насос из Фиг. 1.

Фиг. 8 показывает продольное сечение через схематическую иллюстрацию поворотного вентиля из Фиг. 7.

Фиг. 9 показывает коммутационную схему второго примера воплощения теплового насоса согласно изобретению.

Фиг. 10 показывает диаграмму температура/давление с процессами контура стороны сорбции и стороны фазового перехода теплового насоса из Фиг. 9.

Фиг. 11 показывает коммутационную схему третьего примера воплощения теплового насоса согласно изобретению.

Фиг. 12 показывает коммутационную схему четвертого примера воплощения теплового насоса согласно изобретению.

Фиг. 13 показывает коммутационную схему пятого примера воплощения изобретения.

Фиг. 14 показывает коммутационную схему шестого примера воплощения изобретения.

Фиг. 15 показывает схематическое расширенное представление поворотного вентиля для управления потоком стороны сорбции жидкости через тепловой насос из Фиг. 14.

Фиг. 16 показывает схематическое расширенное представление поворотного вентиля для управления потоком стороны фазового перехода жидкости через тепловой насос из Фиг. 14,

Фиг. 17 показывает идеализированное управление процессом в форме прямоугольных схем коммутациями из Фиг. 13-16 в виде диаграммы в координатах Log p - 1/Т с увеличенным диапазоном насыщения.

Тепловой насос, который представлен функционально-схематическим способом на Фиг. 1, включает множество, в данном случае 12, полых элементов, которые имеют предпочтительно одинаковые конструкции и расположены один рядом с другим. Точные аппаратные воплощения таких полых элементов с точки зрения оборудования известны и представлены, например, в WO 2007/068481 А1. Полые элементы могут быть, например, выполнены в виде герметично закрытых продольных тел, причем в оконечных областях предусмотрены с одной стороны адсорбент, а с другой стороны средство для накопления жидкости, например капиллярные структуры.

Каждый из 12 полых элементов имеет соответственно область сорбции (SZ1 до SZ12), которая показана на левой половине Фиг. 1. В области сорбции находится соответственно некоторое количество абсорбента, такого как, например, активированный уголь. Кроме того, каждый из полых элементов, показанный в правой половине Фиг. 1., имеет область фазового перехода (PZ1 до PZ12) в виде капиллярных структур.

Содержащиеся на чертежах ссылочные обозначения от 1 до 12 соответственно относятся к нумерации полых элементов и/или их областей сорбции и областей фазовых переходов в зависимости от контекста.

В полых элементах заключено соответственно определенное количество рабочей среды, в данном случае метанола, так, что рабочая среда может чередоваться между абсорбентом и капиллярными структурами в зависимости от достигаемых температур области сорбции и/или области фазового перехода.

На стороне сорбции (Фиг. 1 слева) и на стороне фазового перехода (Фиг. 1 справа) предусмотрены соответственно контуры 101, 102 жидкости, посредством которых омываются жидкостью, переносящей тепло, отдельные области сорбции и области фазовых переходов полых элементов. С этой целью в каждом случае предусмотрен один циркуляционный насос 103, 103′,103″ на контур жидкости, а также одно расположение вентилей, не представленное на Фиг. 1, посредством которого полые элементы, в зависимости от их состояния, циклически далее включаются в кругооборот жидкости.

На стороне сорбции осуществляется, наряду с теплообменом жидкости с областями SZ1-SZ12 сорбции, также обмен с источником тепла HQ (тепловой резервуар высокой температуры) через теплообменник 105 и с источником тепла MS (тепловой резервуар средней температуры) через теплообменник 106 как обратный охладитель.

На стороне фазового перехода осуществляется наряду с теплообменом жидкости с областями фазовых переходов PZ1-PZ12 также обмен с источником NQ тепла (тепловой резервуар пониженной температуры) через теплообменник 107 и с источником MS тепла (тепловой резервуар средней температуры) через теплообменник 106′. В зависимости от формы выполнения, в особенности среднетемпературные источники тепла, могут быть идентичными, например, в форме окружающего воздуха. Соответствующие теплообменники 106, 106′ тогда могут быть структурно объединены или также представлять собой единственный теплообменник, например, при соединении двух контуров 101, 102 жидкости.

В одном возможном применении теплового насоса для климатизации жилых помещений, теплообменник 107 соответствует испарителю, который разработан для охлаждения воздушного потока до температурного уровня NQ, по возможности ниже точки росы для одновременного обезвоживания воздуха. Тепловой резервуар MS может тогда соответствовать внешнему воздуху. Источником HQ тепла может быть, например, исходящее тепло блока электростанции или также тепло солнечного модуля. Наконец, тогда охлаждается воздух от уровня MS до уровня NQ (″температурное повышение″ MS-NQ) за счет теплового потока с уровня HQ до уровня MS (″температурный сдвиг″ HQ-MS).

Циклический процесс на Фиг. 2, который иллюстрирован в диаграмме изостеры, разложен здесь на 12 этапов, которые со смещением по времени друг за другом будут осуществляться каждым полым элементом. Так как число частичных процессов соответствует числу полых элементов, для каждого частичного процесса имеется всего один полый элемент, который проходит этот частичный процесс. Для упрощения, момент времени рассмотрения выбран таким образом, что номер полого элемента соответствует номеру частичного процесса. После определенного временного интервала каждый полый элемент будет переключен далее на один этап процесса и так далее, до тех пор, пока через 12 этапов не повторится весь цикл.

Из Фиг. 1 очевидно, что теплопередающая жидкость обтекает полые элементы со стороны сорбции частично параллельно и частично последовательно в направлении уменьшения номеров полых элементов. В результате на этапах процесса возникает с изменяющейся температурой адсорбента вид подключения встречного потока полых элементов (уменьшающиеся номера полых элементов) относительно дальнейшего переключения полых элементов (увеличивающиеся номера полых элементов). Напротив, полые элементы с одинаковой температурой сорбции будут обтекаться параллельно.

Согласно правой части Фиг. 1 существуют также на стороне фазового перехода (зоны испарения/уплотнения) области с параллельным обтеканием и последовательным обтеканием полых элементов, а также два не обтекаемых полых элемента (№1 и 7).

В результате с точки зрения схемы имеются 4 области в контуре 101 жидкости зон сорбции (слева на Фиг. 1) и зон фазового перехода (справа на Фиг. 1), функции которых будут описаны применительно к Фиг. 2, сначала в общем и затем подробно:

Этапы процесса от состояния 1, до состояния 5 на Фиг. 2 включают извлечение высокой температуры, когда температура уменьшается (1=>2: изостерическое охлаждение и 2=>5: изобарическая адсорбция). К этому присоединяется фаза изотермического отвода тепла при увеличивающемся давлении до состояния точки 7 (изотермическая адсорбция). Этапы процесса от состояния точки 7 до И характеризуют подвод тепла при увеличивающейся температуре (7=>8: изотерическое нагревание и 8=>11: изобарическая десорбция). К этому присоединяется фаза изотерического подвода тепла при уменьшающемся давлении, пока снова не будет достигнуто состояние 1 (изотермическая десорбция).

Дополнительная информация, помещенная в круглых скобках на Фиг. 1 для обозначения областей полого элемента имеет следующее значение:

+Q: подвод тепла, - Q: отвод тепла, А: адсорбция, D: десорбция, Т: изменение температуры; V: испарение, К: конденсация, (-): адиабатическая фаза.

Далее детально описываются по отдельности 12 этапов процесса вдоль пути потока стороны сорбции и параллельно протекающие процессы, происходящие параллельно на стороне фазового перехода, начиная с состояния точки 1:

1. Это состояние характеризуется полностью десорбированной и все еще горячей областью сорбции, обозначенной (SZ1), которая впоследствии будет охлаждаться при постоянном давлении (изостерически). При этом, согласно Фиг. 1, уже подогретая теплопередающая жидкость, поступающая из подсоединенной области сорбции (SZ2), еще подогревается, перед тем, как затем будет проведена для дальнейшего нагревания к высокотемпературному источнику тепла (HQ). Стоящая в равновесии давления зона фазового перехода (PZ1) полого элемента не будет подвергаться воздействию теплоносителя, вследствие чего она адиабатически может быть охлаждена без заметного испарения рабочей среды от состояния V3 до состояния V1 (смотри Фиг. 2).

2. При достижении углового пункта 2 процесса, зона фазового перехода будет омываться охлаждающей жидкостью, приходящей от низкотемпературного источника тепла NQ, причем рабочая среда испаряется на низком уровне (VI) давления испарения. Одновременно предварительно охлажденная область сорбции омывается слегка охлажденной рабочей средой и тем самым охлаждается дальше до состояния точки 3, поглощая выпаренную рабочую среду. Адсорбционное тепло, находящееся все еще на достаточно высоком температурном уровне, подводится к уже сравнительно сильно нагретому теплоносителю.

3. Этот процесс адсорбции сначала осуществляется при постепенно понижающейся температуре теплоносителя до состояния точки 4,

4. и продолжается в обмываемом до этого полом элементе вплоть до состояния точки 5 при постоянно низкой температуре испарения, но при снижающейся температуре адсорбции.

5. Начинаясь с состояния точки 5, полый элемент на стороне сорбции, в соответствии с Фиг. 1, омывается непосредственно жидкостью в значительной степени повторно охлажденной до температуры окружающей среды (MS). Путем омывания области фазового перехода слегка подогретым теплоносителем частичного промежуточного контура ZK происходит подъем давления испарения до уровня V2. Связанное с этим повышение давления в области сорбции действует так, что она может поглотить рабочую среду без подъема температуры до состояния точки 6.

6. Также принадлежащий этому частичному процессу полый элемент при параллельном подключении с полым элементом из этапа 5 процесса заполняется жидкостью, поступающей из обратного охладителя 106 (среднетемпературный источник тепла MS) и имеющей минимально возможную температуру. Так как область фазового перехода заполняется еще более горячей жидкостью, благодаря чему процесс испарения в основном происходит на уровне V3 давления, область сорбции может также поглощать другую рабочую среду без снижения температуры. Повышенная температура жидкости промежуточного цикла ZK стороны фазового перехода была достигнута путем поглощения конденсационного тепла из позднее описанного этапа 11 процесса. В результате увеличенного адсорбционного давления адсорбционная область может поглотить другую рабочую среду при фактически постоянной температуре.

7. В пункте 7 состояния достигнуто максимальное насыщение области адсорбции и начинается фаза подвода тепла внутрь области адсорбции. Так как область адсорбции практически еще находится при температуре окружающей среды, для разогрева достаточно умеренно теплой жидкости, которая передает свое остаточное тепло в область адсорбции, за счет чего эта температура еще дальше приближается к температуре окружающей среды, прежде чем обратный охладитель 106 (MS) для охлаждения до температуры окружающей среды будет доведен. Поскольку относящаяся к этому область изменения фазы PZ7 за счет падающего потока сохраняется адиабатически, давление рабочей среды возрастает практически изостерически до состояния точки 8.

8. При этом уровне давления подводится дальнейшее тепло при более высокой температуре, в результате чего рабочая среда десорбируется и конденсируется на соответственно повышенном температурном уровне конденсации (К6). Как показывает диаграмма на Фиг. 2, лежит он примерно на уровне обеих конечных температур адсорбции, в результате чего для отвода тепла адсорбции и для тепла конденсации может использоваться общий обратный охладитель 106, 106′. За счет ограниченной температуры жидкости, этот процесс заканчивается в точке 9 состояния.

9. На следующем этапе процесса, полый элемент десорбируется с несколько более высокой температурой жидкости в состояние точки 10, причем область изменения фазы охлаждается при том же температурном уровне К6 в параллельном включении с жидкостью, которая также охлаждена до уровня температуры окружающей среды (MS).

10. Этот процесс продолжается с еще более повышенной температурой десорбции до состояния точки 11, причем дальнейшее тепло конденсации на уровне Кб отдается в обратно охлажденную жидкость.

11. На следующем этапе процесса, область адсорбции десорбируется непосредственно с температурой источника тепла HQ, а уровень температуры конденсации в области изменения фаз снижается до уровня К5. В соответствии с Фиг. 1, эта температура устанавливается за счет предварительно охлажденного теплоносителя отдельного промежуточного цикла ZK. При этом происходит по существу изотермическая десорбция области адсорбции в точке 12 процесса.

12. Этот процесс продолжается на следующем этапе процесса благодаря тому, что при одинаковой максимальной температуре жидкости для десорбции уровень давления конденсации и уровень температуры еще дальше будут падать. Это достигается тем, что область изменения фазы непосредственно наполнена преимущественно предварительно охлажденным теплоносителем из этапа 5 процесса отдельного промежуточного цикла ZK. Этот промежуточный этап заканчивается при достижении стартового состояния точки 1.

На примере выше рассмотренного теплового насоса при этом как на стороне сорбции, так и на стороне фазового перехода омываются соответственно отдельные полые элементы параллельно друг другу, а некоторые полые элементы последовательно друг за другом. В частности, это следующие группы:

Сторона сорбции параллельно: SZ5 с SZ6, SZ11 с SZ12.

Сторона сорбции последовательно: SZ10 в SZ7 и SZ4 в SZ1.

Сторона фазового перехода параллельно: PZ2 в PZ4 и PZ8 в PZ10.

Стороны фазового перехода последовательно: PZ5 с PZ6 и PZ11 с PZ12.

В частности, прежде всего, это те группы полых элементов, которые соединены на стороне сорбции параллельно, на стороне фазового перехода соответственно последовательно.

Фигуры 3-6 показывают различные представления предпочтительной конструктивной реализации вентильного устройства для управления контуром 101 жидкости стороны сорбции на Фиг. 1. Вентильное устройство представляет собой единственный поворотный вентиль с цилиндрическим корпусом 109 и с одним установленным в нем поворотным корпусом 110, который установлен на валу 110а с возможностью вращения в неподвижном корпусе 109.

На Фиг. 3 представлена развертка поворотного корпуса 110, с помощью которой будет особенно ясен принцип работы. Поворотный корпус 110 имеет в общей сложности четыре вращающихся кольцевых пространства 111, которые загерметизированы с помощью скользящих уплотнений 112 относительно корпуса 109. Внешние радиальные отверстия 113 соединяют кольцевые пространства 111 снаружи с соответствующими теплообменниками 105, 106, таким образом, что каждый ввод и вывод теплообменников 105, 106 находится точно в соединении с одним из четырех кольцевых пространств 111.

Поворотный корпус 110 также имеет осевые сквозные каналы 114, которые полностью проходят через него. В связи с этим, некоторые проходные каналы могут быть объединены в один единый канал (соответственно разветвлены), например, при переходе полых элементов 11 и 12 к полому элементу 10 (сравните Фиг. 1).

Поворотный корпус имеет также осевые скрытые каналы 116, которые через внутренние радиальные отверстия 115 открываются в одном из кольцевых пространств 111. В развернутом виде на Фиг. 3, эти отверстия показаны как вид сверху оконечностей стрел и хвостовиков стрел. Тем самым получены соединения между одним или несколькими полыми элементами и одним из теплообменников 105, 106.

Циклически изменяющаяся коммутация осуществляется путем поэтапного дальнейшего вращения поворотного корпуса 110, в результате чего торцевые отверстия 117 в корпусе 109 поочередно перекрываются с осевыми отверстиями проходных каналов 114 и со скрытыми каналами 116 в поворотном корпусе. В области торцевого перекрытия могут быть предусмотрены пригодные средства 121 уплотнения, например, керамические шайбы уплотнения.

В центральной области 118 поворотного корпуса могут быть предусмотрены (не показаны) пружинящие элементы, которые первую 119 поворотного корпуса и вторую часть 120 поворотного корпуса будут отжимать друг от друга и, соответственно, нажимать на аксиальное торцевое средство 121 уплотнения. Соединение проходных каналов 114 в центральной области 118 может происходить через шланговые элементы. Разветвления и объединения могут осуществляться, например, в одном из возможных вариантов реализации, посредством шланговых элементов.

Нумерация торцевых подключений на корпусе 109 соответствует соединениям с полыми элементами на стороне сорбции соответственно схеме коммутации согласно Фиг. 1.

Фиг. 7 и Фиг. 8 показывают поворотный вентиль 108 в качестве вентильного устройства стороны фазового перехода. Конструкция и функционирование в значительной мере аналогичны вентилю 108 стороны сорбции. Благодаря различному переключению, поворотный вентиль 108 стороны фазового перехода имеет всего семь кольцевых пространств 111 с соответственно тремя внутренними радиальными отверстиями 115 в поворотном корпусе 110. Циркуляционный насос 103″ соединен с двумя в общей сложности из шести внешних радиальных отверстий 113, для того, чтобы задействовать промежуточный контур ZK.

Фиг. 9 показывает другой пример реализации теплового насоса в соответствии с изобретением. В отличие от первого примера, здесь на стороне сорбции соответственно соединены три полых элемента параллельно друг с другом, в частности, группы SZ4 до SZ6 и SZ10 до SZ12. В результате может быть достигнуто дальнейшее увеличение соотношения температуры подъема к температуре сдвига. Аналогичным образом, на стороне фазового перехода такие же группы полых элементов (PZ4 до PZ6 и PZ10 до PZ12) соединены последовательно в промежуточном контуре.

Дальнейшее совершенствование повышения температуры, которое может быть достигнуто на примере согласно Фиг. 9, получается путем сравнения диаграммы, размещенной на Фиг. 10 с соответствующей диаграммой первого примера реализации (Фиг. 2).

В принципе, в смысле изобретения в зависимости от требований, любое распределение полых элементов, которые соединены параллельно и последовательно, может существовать, чтобы влиять на повышение температуры и температурный сдвиг. В целях дальнейшей оптимизации повышения температуры, особенно предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна треть от общего числа полых элементов была подключена параллельно на стороне сорбции. В первом варианте осуществления, это как раз тот случай с четырьмя полыми элементами соединенными параллельно из общего числа двенадцати полых элементов. Во втором варианте осуществления в соответствии с Фиг. 9, ровно половина полых элементов соединены параллельно на стороне сорбции.

В двух вариантах осуществления изобретения, описанных выше, в каждом конкретном случае, имеется в общей сложности три циркуляционных насоса на стороне фазового перехода, так, что как обе группы полых элементов, которые соединены параллельно, так и промежуточный контур могут быть установлены отдельно друг от друга в отношении основного потока жидкости. В результате, в частности, особо точная регулировка теплового насоса может быть проведена с целью оптимизации его эффективности.

С другой стороны, только один циркуляционный насос 103′ имеется на стороне сорбции, где основной поток жидкости распределяется или суммируется в соответствии с разветвлением в линиях или установкой вентилей. Это экономически выгодное решение, которое относительно оптимального соответствующего основного потока дает для регулировки мало возможностей.

Фиг. 11 представляет третий пример реализации, который в своей коммутации на стороне сорбции соответствует второму примеру на Фиг. 9. Тем не менее, на стороне фазового перехода нет больше промежуточного контура, а все полые элементы включены в единый контур жидкости, который приводится в движение с помощью только одного циркуляционного насоса 103″. Кроме того, здесь имеются две группы полых элементов, соединенные параллельно и группы полых элементов, соединенные последовательно аналогично примеру, представленному на Фиг. 9. Пример, представленный на Фиг. 11, особенно экономически выгоден в связи с небольшим числом циркуляционных насосов 103″. Он может быть предпочтительно использован особенно тогда, когда полые элементы выполнены из нескольких подмодулей и/или высокие температурные нагревы во внешних теплообменниках допустимы или желательны. Это особенно выгодно при использовании внешних теплообменников в поперечно- противоточном подключении, предпочтительно для воздуха в качестве источника тепла и/или охладителя.

Фиг. 12 представляет другой пример исполнения, при котором было выбрано соединение только с одним циркуляционным насосом 103″ на стороне фазового перехода, как в примере в соответствии с Фиг. 11. С другой стороны, на стороне сорбции выбрано сочетание двух частичных контуров, которые смешиваются друг с другом и которые распространяются с помощью двух циркуляционных насосов. Здесь также разделяется основной поток жидкости, приходящий от одного из теплообменников 105, 106 соответственно на три полых элемента, тем не менее обратные потоки двух этих модулей в виде соединенных частичных контуров снова подведены непосредственно к теплообменнику. Основной поток жидкости только одного из этих трех параллельных полых элементов подается на следующие последовательно соединенные полые элементы. Путем управления обоими насосами и/или не представленными ограничителями потока, можно в значительной мере так установить спорные основные потоки жидкости на последовательно и параллельно соединенные группы полых элементов, что однако можно отказаться от третьего циркуляционного насоса.

Пример, в соответствии с Фиг. 12 соответствует изобретению по меньшей мере, в объеме пунктов 1 и 12.

Понятно, что особенности соответствующих примеров исполнения изобретения могут быть должным образом сочетаться друг с другом в зависимости от требований. В особенности это относится, в частности, для предлагаемых соединений с одним, двумя или тремя циркуляционными насосами, которые могут использоваться в зависимости от требований как на стороне сорбции, так и на стороне фазового перехода.

Так, например, схема с тремя отдельными частичными контурами, соответственно с тремя циркуляционными насосами может использоваться как на стороне фазового перехода в примере, представленном на Фиг. 1, так и на стороне сорбции. В этом случае все полые элементы, соединенные параллельно и связанные непосредственно с источником тепла 105 (HQ) и радиатором 106 (МС), вели бы обратно к этим внешним передатчикам тепла. Промежуточный контур выполняет при этом восстановление тепла при изменении температуры от температуры десорбции до температуры адсорбции и обратно с помощью другого насоса.

Во всех описанных выше вариантах соединения, профиль подключения и профиль температуры сдвигаются путем поэтапного вращения поворотного вентиля 108 в сторону уменьшения нумерации модулей. Дополнительно следует обратить внимание на одинаково направленное фазосинхронное последовательное подключение обоих вентилей 108. Предпочтительно, тем не менее, это также может оказаться выгодным, время переключения для управления жидкостью области сорбции и области фазового перехода компенсируются по времени со смещением по отношению друг к другу для того, чтобы учитывать различные кинетические и временные задержки кинетических процессоров, происходящих в модулях.

Характеристикой всех соединений является с одной стороны, сочетание параллельных и последовательных соединений полых элементов для области сорбции и, при необходимости, для области фазового перехода. С другой стороны, характерным является по существу дополнительное подключение области сорбции и области фазового перехода всех полых элементов в том смысле, что группы полых элементов, которые соединены параллельно на стороне сорбции, на стороне фазового перехода соединены последовательно и наоборот.

Предпочтительно, не омывается соответствующий полый элемент (PZ1, PZ7), на стороне фазового перехода, при котором меняется процесс от процесса испарения к процессу конденсации и, наоборот, причем на стороне сорбции происходит практически изостерическое изменение давления и температуры. Путем распределения модулей в дополнительные параллельно и последовательно соединенные группы, может варьироваться соотношение температур подъема и сдвига, (MS-NQ)/(HQ-MS) без уменьшения диапазона насыщения адсорбента и оптимально приводиться в соответствие желаемый относительный уровень температур доступных источников тепла (HQ, NQ) и охлаждения (MS).

На Фиг. 13 показана схема переключения соответственно расположения полых элементов, которая соответствует в особенности изобретению в рамках пункта 13 формулы изобретения. При этом имеется всего 8 полых элементов с областями сорбции (SZ1 до SZ8) и с областями фазовых переходов (PZ1 до PZ8). Схематическое изображение и обозначение является аналогом предыдущих примеров реализации изобретения.

В этом варианте реализации изобретения, в соответствии с левой иллюстрацией, все полые элементы на стороне сорбции разделены на две группы параллельно омываемых элементов, которые совместно с соответствующим циркуляционным насосом 103 и теплообменником HQ, MS образуют два совершенно отдельных контура. Верхний кругооборот связан здесь с высокотемпературным источником тепла HQ, а нижний кругооборот подключен к среднетемпературному охладителем радиатора МС.

Особенно предпочтительно, группа полых элементов, через которую проходит параллельный поток среднетемпературного контура больше, чем группа полых элементов, омываемых высокотемпературным контуром. В данном случае имеется соотношение количеств около 3:5. При этом учитывается, как правило, большая кинетика процесса десорбции по сравнению с процессом адсорбции.

Соответствующие зоны фазовых переходов полых элементов (правая иллюстрация на Фиг. 13) особенно предпочтительно омываются по меньшей мере на групповой основе и также соответственно параллельно. В примере исполнения согласно Фиг. 13, первая группа PZ1-PZ3 со среднетемпературным охладителем (MS) и циркуляционным насосом образует снова отдельный контур. Вторая группа полых элементов PZ4-PZ8 разделена на две параллельно омываемые подгруппы, которые в этом варианте осуществления соединены последовательно и образуют отдельный контур с низкотемпературным источником тепла NQ и со вторым циркуляционным насосом 103 зоны фазового перехода.

Схемная логика соединения потоков жидкости, определяемая устройством вентилей, перемещается в этом случае поэтапно относительно изображения на определенных этапах вверх так, что каждый модуль циклически подключается к различным температурным контурам. Предпочтительно временные точки переключения, к которым вентили переключаются на одно положение дальше, смещены по времени так, что временные точки переключения устройства вентилей для зон фазовых переходов происходят позднее на один определенный интервал по отношению к временным точкам переключения устройства вентилей зон сорбции. При этом учитывается тепловая инерция при становлении нового физического состояния в полых элементах.

Пример согласно Фиг. 13 в особенности соответствует изобретению в объеме пункта 13 формулы изобретения.

Фиг. 14 представляет еще одну форму реализации, подобную Фиг. 13, при которой оба контура жидкости на стороне сорбции не полностью разделены для реализации выигрыша обратного нагрева. Более того, обратные потоки вторых полых элементов SZ1 и SZ4 подключены соответственно к дополнительному контуру. При этом речь идет о тех полых элементах, которые после переключения вентилей имеют все еще высокую тепловую емкость.

В этом случае предлагается, что объемные потоки параллельно омываемых полых элементов, в особенности соответствующих переходных элементов (в представленной схеме коммутации это полые элементы SZ1 и SZ4) за счет в расположении вентилей примененных поперечных юстировок и/или дроссельных элементов так распределены, что изменение температуры в переходных полых элементах как раз полностью происходит в течение определенного временного интервала переключения вентилей. Таким образом, температурный наклон температурного профиля, который формируется в соответствующих полых элементах, в течение этой длительности временного интервала, как раз будет полностью передвинут, за счет чего обратно полученное тепло достигает максимума. В представленной установке вентилей в соответствии с Фиг. 15, такие меры за счет различной ширины проходов в вентилях представлены схематически. Например, проходы в вентиле, следующие за полыми элементами, обозначенными выходами «1», а также «4» (соответственно SZ1 и SZ4 в представлении согласно Фиг. 14), имеют особенно маленькое поперечное сечение.

Поскольку полый элемент SZ1 соответственно соединен при этом последовательно с параллельно включенными полыми элементами SZ6, SZ7 и SZ8 и к тому же полый элемент SZ4 включен соответственно последовательно с параллельно включенными полыми элементами SZ2, SZ3 и SZ4, то соответствует пример согласно Фиг. 14 изобретению по меньшей мере в объеме пунктов 1, а также 15.

В примере реализации в соответствии с Фиг. 14, на стороне фазового перехода зона фазового перехода (смотри правую сторону иллюстрации) полого элемента PZ4 не омывается, так что полый элемент после переключения соответствующей зоны сорбции со стороны фазового перехода, прежде всего, проводит адиабатическое изменение процесса. Дополнительно или альтернативно могут временные точки переключения вентиля для зоны фазового перехода по отношению к временным точкам переключения установки вентилей для зоны сорбции осуществляться с задержкой.

С примерными вариантами коммутации, которые сочетают между собой параллельные и последовательные типы омывающих потоков через полые элементы, можно так воздействовать, с учетом подходящей регулировки массовых потоков жидкости, что практически прямоугольной формы профиль процесса будет протекать в соответствии со схемой согласно Фиг. 17.

Указанные варианты схем, в частности, в соответствии с Фиг. 13 и Фиг. 14, также имеют одновременно то преимущество, что ширина загрузки при заданных температуре подъема и температуре сдвига, за счет уровня температуры резервуара тепла, может быть существенно увеличена, как указывает двойная стрелка. С другой стороны, это конечно означает, что при сопоставимом диапазоне насыщения может быть реализовано лучшее соотношение температуры подъема и температуры сдвига.

Цифры на прямоугольном процессе символизируют средние состояния, которые вытекают из номеров модулей на Фиг. 14.

Скользящие области температуры, в особенности контура конденсации и контура испарения, могут быть дополнительно использованы для того, чтобы эксплуатировать подключенные контуры жидкости с большой входной/выходной подпиткой и сравнительно малыми массовыми потоками, чтобы удерживать мощности насосов и вентиляторов небольшими.

Реферат

Изобретение относится к тепловому насосу адсорбционного типа. Тепловой насос включает множество полых элементов, имеющих адсорбент. В полых элементах заключено рабочее вещество с возможностью перемещения между адсорбентом и областью фазового перехода. Полые элементы установлены с возможностью обтекания теплопередающей жидкостью в изменяющемся посредством вентильного устройства контуре (101) жидкости, благодаря чему полые элементы в области адсорбента вводятся в термический контакт с жидкостью. Обтекание полых элементов жидкостью чередуется циклически. В каждом положении вентильного устройства, по меньшей мере, два полых элемента обтекаются жидкостью параллельно и, по меньшей мере, два полых элемента обтекаются жидкостью последовательно друг за другом. В каждом положении вентильного устройства, по меньшей мере, две группы из множества полых элементов обтекаются параллельно. По меньшей мере, одна группа из множества полых элементов расположена непосредственно до или после теплообменника (105, 106). Количество одновременно параллельно обтекаемых полых элементов составляет, по меньшей мере, одну четверть, предпочтительно, по меньшей мере, одну треть от количества последовательно обтекаемых полых элементов. Изобретение направлено на расширение области применения теплового насоса. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 17 ил.

Формула