用于在交替工作的吸附器之间实施热传递的方法及设备

摘要

本发明涉及一种用于在吸附制冷设备中在交替工作的吸附器(Ad1，Ad2)之间实施热传递的方法，该吸附制冷设备具有外部的冷却回路(Kw)和外部的加热回路(Hw)。方法的特征在于在第一吸附器和第二吸附器之间连接的闭合的传热回路，该传热回路具有在其中循环的传热介质(Wm)，其中在传热回路中经由第一热接触器实施与外部的冷却回路(Kw)的热传递并且经由第二热接触器实施与外部的加热回路(Hw)的热传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于在吸附制冷设备中在交替工作的吸附器之间实施热传递的方法和根据权利要求8所述的用于在交替工作的吸附器之间实施热传递的设备。

背景技术

在具有多个交替工作的吸附器的吸附制冷设备中必须在正在进行的热动态的循环过程中实施两个吸附器之间的热传递。这是需要的，以便将在两个吸附器的每个中的温度调节到适合被循环输送的即将来临的吸附或去吸附过程和以便因此过渡到循环过程的接下来的分步骤。为此在根据现有技术已知的方案中使用加热及冷却回路。经由阀装置，第一和第二吸附器交替地利用在加热及冷却回路中循环的介质如此长时间地通流，直至两个吸附器中的温度相同。

这样的工作方式带来严重的缺陷。通过加热或冷却介质在外部的通常大尺寸的回路中的循环，出现多个液压负效应，例如压力损失或压力峰值，其限制在相应的吸附器与加热介质及冷却剂之间的传热功率。这导致将两个吸附器中的温度调节到相同所需要的调节时间变得非常大，这对于吸附制冷设备的整个冷却功率产生负面影响。

此外两个不相关的外部的回路必须交替地接通在两个吸附器上。这带来高的力耗费并且需要相应设计尺寸的且因此费用高的阀装置。此外由于加热或冷却介质交替地流过吸附器，导致加热及冷却回路的不期望的液压的混合。因此在设计吸附制冷设备时不考虑外部的加热及冷却回路，当它们被不同的介质穿流时。由此限制传统的吸附制冷设备的应用可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于在吸附制冷设备中在交替工作的吸附器之间实施热传递的方法，该吸附制冷设备具有外部的冷却回路和加热回路，其中克服所述的缺点。特别是应当避免来自各外部回路的介质的混合并且缩短在两个吸附器之间的温度平衡所需的调节时间并且因此持久地提高设备工作效率。

上述目的在方法方面通过具有权利要求1的特征的用于在吸附制冷设备中的多个交替工作的吸附器之间实施热传递的方法实现，该吸附制冷设备具有外部的冷却回路和外部的加热回路，并且在设备方面的目的通过具有权利要求8特征的设备实现。相应的从属权利要求包含方法和/或设备的合适的或有利的实施方式。

根据本发明的方法的特征在第一吸附器和第二吸附器之间连接的闭合的传热回路，该传热回路具有在其中循环的传热介质。在传热回路中经由第一热接触器实施与所述外部的冷却回路的热传递并且经由第二热接触器实施与所述外部的加热回路的热传递。

与由现有技术已知的工作方式不同，根据本发明外部的冷却及加热回路与吸附器完全脱耦和分离。相反，传热介质在传热回路中循环通过吸附器并且在为此设置的点上与外部的回路交换热量。

通过因此总体上减小的传热回路大小和因此相关联地限制了循环的传热介质的量，显著改善了在各吸附器之间实施热传递时的切换特性并且完全与外部的回路中的液压动态特性脱耦。这导致短的响应时间、用于相应的阀装置的较低的力耗费并且尽可能避免液压的副效应。此外排除了外部的回路的混合。因此它们能够被几乎任意的介质通流，如果它们满足吸附制冷设备的热动态的需要的话。

传热回路在一个循环过程中实施如下的各个分步骤：

在第一分步骤中传热介质在第二热接触器中被加热并且进入第一吸附器中。同时将传热介质从第二吸附器中排出并且在第一热接触器中冷却传热介质。

在该分步骤中因此将热能从外部的加热及冷却回路取出或排出到外部的加热及冷却回路中。传热介质经由其流动允许在第一和第二吸附器与相应的第二和第一热接触器和因此外部的加热或冷却回路之间的热接触。

在第二分步骤中在第一吸附器和第二吸附器之间转移传热介质。同时将传热介质从第一热接触器转移到第二热接触器中。

该分步骤指出在两个吸附器之间的热传递。同时在第一热接触器中通过与外部的冷却回路的热接触被冷却的介质到达第二热接触器中并且在那儿与外部的加热回路发生热接触。

在第三分步骤中传热介质在第二热接触器中被加热并且现在进入第二吸附器中。同时将传热介质从第一吸附器中排出并且在第一热接触器中冷却传热介质。

第三分步骤因此基本上对应于第一分步骤，仅仅存在这样的区别，即现在第二吸附器与第二热接触器且与外部的加热回路处于热接触，并且第一吸附器与第一热接触器和因此与外部的冷却回路处于热接触。

在第四分步骤中传热介质在第二吸附器和第一吸附器之间转移。同时传热介质从第一热接触器转移到第二热接触器中。

第四分步骤因此对应于方法的第二分步骤。因此经由在循环内部的传热回路一次将第一吸附器并且一次将第二吸附器与外部的冷却和加热回路热接触并且两个吸附器彼此之间热接触。

在一个特别有利的实施方式中，第二热接触器构成为蒸发器并且第一热接触器构成为冷凝器。在蒸发器中实现传热介质的蒸发并且在冷凝器中实现传热介质的冷凝。

在第一和第三分步骤中在传热介质分别进入第二吸附器和第一吸附器时实现传热介质的冷凝。在第二和第四分步骤时当传热介质在第一吸附器和第二吸附器之间转移时传热介质在两个吸附器的其中一个中部分地蒸发并且在相应另外的吸附器中冷凝。

与外部的回路的热交换，同时结合发在蒸发器和冷凝器中发生的相转变，提高了传热回路中的热传递功率并且因此总体上显著提高了吸附制冷设备的工作效率。同时在两个吸附器之间的热量回收过程的持续时间(即在传热回路中发生的循环过程的持续时间)显著减小了。这尤其在快速切换的吸附制冷设备中是特别重要的。此外在此条件下气相的传热介质流过相应的吸附器。这导致在调节流动路径时显著降低的力耗费并且进一步均匀的流动特性，其中避免压力峰值。

有利地在冷凝器中冷凝的传热介质收集在连接在冷凝器和蒸发器之间的冷凝液容器中。由此能够以简单的方式调节传热介质在冷凝器和蒸发器之间的流动。

有利地在重力作用下实现液态的传热介质在冷凝液容器中的收集。由此能够取消泵装置。

在一种实施方式中第一吸附器通过第一传热装置替换并且第二吸附器通过第二传热装置(WT2)替换，其中在第一传热装置和第二传热装置中交替地蒸发吸附制冷设备的冷却剂，并且加热回路(Hw)通过冷却回路(Kw)替换。

用于在吸附制冷设备中在交替工作的吸附器之间实施热传递的设备，该吸附制冷设备具有外部的冷却回路和外部的加热回路，其特征在于设有热管装置，该热管装置具有在其中循环的传热介质并且与外部的冷却回路和外部的加热回路处于热耦合。

热管装置通常具有如下的元件：与冷却回路处于热接触的第一热接触器；与第一热接触器连接的、与加热回路处于热接触的第二热接触器；在第一吸附器、第二吸附器和第二热接触器之间的第一阀单元；以及在第一吸附器、第二吸附器和第一热接触器之间的第二阀单元。

第一热接触器有利地是冷凝器并且第二热接触器是蒸发器。附加地在一个优选的构造中，设有在冷凝器和蒸发器之间连接的冷凝液容器。

适合的是，在冷凝器和冷凝液容器之间设置第三阀以及在冷凝液容器和蒸发器之间设置第四阀。由此能够调节冷凝的传热介质在冷凝器、冷凝液容器和蒸发器之间的流动。

阀装置实现接下来的循环重复的阀状态。在第一阀状态时在蒸发器和第一吸附器之间存在打开的连接，在第二吸附器和冷凝器之间存在打开的连接；在第二阀状态时在第一吸附器和第二吸附器之间存在打开的连接，在冷凝器和/或冷凝液容器和蒸发器(Vd)之间存在打开的连接；在第三阀状态时在蒸发器和第二吸附器之间存在打开的连接，在第一吸附器和冷凝器之间存在打开的连接；在第四阀状态时重新调节到第二阀状态。

在第一阀状态和第三阀状态下在存在冷凝液容器的情况下打开在冷凝器和冷凝液容器之间的连接。由此产生的冷凝的传热介质在冷凝器外部被收集并且被暂时存储。

第一阀单元和/或第二阀单元构成为可控制的三通阀。第三阀在一种实施方式中同样是可控制的三通阀。

附图说明

方法和设备现在借助于实施例详细阐述。附图1和2用于阐述。对于相同的或起到相同作用的部件使用相同的附图标记。附图示出：

图1被传热介质穿流的热管装置；

图2用于在吸附制冷设备中被循环输送的冷却剂的实施方式。

具体实施方式

图1示出在第一吸附器Ad1、第二吸附器Ad2、外部的冷却回路Kw和外部的加热回路Hw之间的被传热介质穿流的热管装置。

热管装置(heat pipe arrangement)经由冷凝器Kd与外部的冷却回路热耦合并且经由蒸发器Vd与外部的加热回路热耦合。设置冷凝液容器Kb，其将在冷凝器中液化的传热介质首先收集并且而后传送给蒸发器。

多个阀单元用于流动调节和用于实现在热管装置中进行的工作过程。第一阀单元V1控制传热介质从蒸发器Vd向吸附器Ad1和/或Ad2的供给并且控制传热介质在两个吸附器Ad1和Ad2之间的流动。第二阀单元V2控制传热介质从吸附器Ad1或Ad2至冷凝器Kd的进一步引导并且控制传热介质在两个吸附器之间的流动。

第三阀单元分别打开和闭合在冷凝器Kd和冷凝液容器Kb之间的连接和/或在冷凝液容器Kb和蒸发器Vd之间的连接。最后，第四阀单元分别打开和关闭其它的在冷凝液容器和蒸发器之间的连接。

在当前的实施例中阀单元V1和V2分别构成为三通阀，其经由在此未示出的控制单元操作和切换，这能够特别是通过机电方式、气动方式或液压方式实施。

第三阀单元V3在该例子中构成为三通阀，其设置在冷凝液容器Kb的上面上并且不仅调节冷凝液Kd的入流而且调节至蒸发器Vd的出流。这样的阀单元V3的位置是有用的，以便达到传热介质从冷凝液容器向蒸发器的自动调节的流率。在此所示出的装置中，冷凝液容器中的液态介质通过在蒸发器中由于介质蒸发形成的负压被抽吸，其中液态介质在冷凝液容器和蒸发器之间的流率直接与蒸发器中的介质的蒸发率相关。如阀单元V1和V2，这个阀单元也被控制单元操作并且能够通过机电方式、气动方式或液压方式切换。

第四阀单元V4确保液态的传热介质从冷凝液容器至蒸发器的直接的进一步引导。一个结构在该关联中是有利的，其中冷凝器Kd设置在冷凝液容器Kb的上方，并且冷凝液容器设置在蒸发器Vd的上方，或者至少设置在其高度水平上。在这样的结构中，液态的传热介质仅仅通过重力作用能够流入冷凝液容器中或者在需要时进一步掉入蒸发器Vd中。

热管装置的不同的工作循环通过阀单元V1、V2、V3和V4的位置预定。在此对于阀单元V1和V2而言设置三个不同的位置并且对于阀单元V3和V4而言设置两个不同的位置。

对于阀单元V1进行如下阐述：

在位置V1-1，在吸附器Ad1和蒸发器Vd之间的连接是打开的并且在吸附器Ad2和蒸发器Vd之间的连接是闭合的。在位置V1-2，在吸附器Ad2和蒸发器Vd之间的连接是打开的并且在吸附器Ad1和蒸发器Vd之间的连接是闭合的。在位置V1-3，在吸附器Ad1和Ad2之间的连接是打开的并且它们与蒸发器Vd的连接是闭合的。

对于阀单元V2而言定义如下的阀位置：

在位置V2-1，在吸附器Ad1和冷凝器Kd之间的连接是打开的并且在吸附器Ad2和冷凝器Kd之间的连接是闭合的。在位置V2-2，在吸附器Ad1和冷凝器Kd之间的连接是闭合的并且在吸附器Ad2和冷凝器Kd之间的连接是打开的。在位置V2-3，在吸附器Ad1和Ad2之间的连接是打开的并且它们与冷凝器Kd的连接是闭合的。

阀单元V3具有如下的阀位置：

在位置V3-1，在冷凝器Kd和冷凝液容器Kb之间的连接是打开的并且在冷凝液容器Kb和蒸发器Vd之间的连接是闭合的。在阀单元V3的位置V3-2，在冷凝液容器Kb和蒸发器Vd之间的连接是打开的并且在冷凝器Kd和冷凝液容器Kb之间的连接是闭合的。

最后对于阀单元V4定义如下的阀位置：

在位置V4-1，在冷凝液容器Kb和蒸发器Vd之间的连接是打开的。在位置V4-2，在冷凝液容器Kb和蒸发器Vd之间的连接是闭合的。

在设备中存在的各阀单元的所描述的阀位置和在各单个工作循环步骤中必要的切换状态当然可以通过多个其它的阀构造形式实现，其对于专业人员是已知的。由于在每个分步骤中精确确定的各阀单元V1至V4的切换位置的组合，特别是一个包含所有阀的紧凑的构造形式的特殊阀或阀模块是可能的，其实现所描述的切换位置并且在其中在结构上整合上述的阀单元。

在热管装置中运行的循环过程在考虑到上述定义的阀位置的情况下例如按照如下实施：

在第一步骤中在吸附器Ad1中实现传热介质的吸附并且在吸附器Ad2中实现传热介质的吸附。第一阀单元V1在此位于位置V1-1，第二阀单元V2位于位置V2-2，第三阀单元V3位于位置V3-1，并且第四阀单元V4位于位置V4-2。通过与加热回路Hw处于热接触，传热介质在蒸发器Vd中被蒸发并且进入吸附器Ad1中，在那儿被冷凝。同时介质在吸附器Ad2中蒸发并且进入冷凝器Kd，在那儿通过与外部的冷却回路Kw的热接触而被冷凝。在冷凝器中液化的传热介质进入冷凝液容器Kb中并且在那儿被收集。当吸附器Ad1具有在蒸发器中存在的通过外部的加热回路Hw确定的温度T_Had1时并且吸附器Ad2具有在冷凝器中存在的通过外部的冷却回路Kw确定的温度T_Kad2时，第一步骤而后结束。

在第二步骤中实现在吸附器Ad1和吸附器Ad2之间的热量回收。第一阀单元在此处于位置V1-3中，第二阀单元处于位置V2-3中，第三阀单元处于位置V3-2中并且第四阀单元处于位置V4-2中。吸附器Ad1和Ad2现在直接彼此连接并且不仅相对于蒸发器Vd而且相对于冷凝器Kd切断。传热介质的一部分在吸附器Ad1中蒸发且在吸附器Ad2中冷凝。由此吸附器Ad1和Ad2具有相同的温度T_G。当达到温度T_G时，第二步骤结束。同时在冷凝液容器Kb中收集的液体传热介质被导入蒸发器Vd中。

在第三步骤中在吸附器Ad2中实现去吸附并且在吸附器Ad1中实现吸附。第一阀单元在此位于位置V1-2中，第二阀单元位于位置V2-1中，第三阀单元位于位置V3-1中并且第四阀单元位于位置V4-2中。从冷凝液容器Kb进入蒸发器Vd中的传热介质通过与外部的加热回路Hw的热接触而蒸发并且进入吸附器Ad2中，在那儿冷凝。同时传热介质在吸附器Ad1中蒸发并且进入冷凝器Kd中，在那儿通过与冷却回路Kw的热接触而冷凝。在那儿冷凝的传热介质流入冷凝液容器Kb中并且在那儿被收集。当吸附器Ad2具有在蒸发器Vd中和因此在加热回路Hw中存在的温度T_Had2时并且吸附器Ad1具有在冷凝器Kd中存在的且通过冷却回路Kw确定的温度T_Kad1时，这个步骤结束。

在第四步骤中实现在吸附器Ad2和吸附器Ad1之间的热量回收。第一阀单元位于位置V1-3，第二阀单元位于位置V2-3，第三阀单元位于位置V3-2并且第四阀单元位于位置V4-2。吸附器Ad2和Ad1现在彼此直接连接并且相对于蒸发器Vd和冷凝器Kd切断。传热介质的一部分在吸附器Ad2中蒸发且在吸附器Ad1中冷凝。由此吸附器Ad1和Ad2具有相同的温度T_G。当达到温度T_G时，第四步骤结束。同时在冷凝液容器Kb中收集的液体传热介质被导入蒸发器Vd中。因此工作循环结束并且现在接着进行第一步骤。

在此，经由温度传感器连续地测定在吸附器、冷凝器和蒸发器中的传热介质的温度并且传递给在此未示出的控制单元，其根据内部程序运行的结果将切换信号输送给阀单元并且导致相应的阀位置。

如由所示的步骤顺序得出，在传热介质与在冷凝器Kd中的冷却回路、在蒸发器Vd中的加热回路或在吸附器Ad1和Ad2中的加热回路之间的热传递与相转变相关联。在此，传热介质以气体形式或蒸汽形式在热管的位于吸附器和冷凝器之间和在吸附器和蒸发器之间的部段中以及在各吸附器之间的部段循环，并且仅仅在位于冷凝器和蒸发器之间的相对短的部段中以液体形式存在。这导致在切换阀单元V1和V2时特别低的力消耗，同时具有最小的切换时间，而在冷凝器Kd和蒸发器Vd之间的液体流动几乎仅仅在重力作用下实现。也可以使用较小的阀，同时具有可比较的热功率。因为液压的外部的回路Kw和Hw保持分离，完全避免由于阀的切换而在这些回路中形成压力峰值。

通过使用在传热介质中的相转变，显著减小了在工作循环的第二和第四步骤中的在吸附器之间的热量回收过程的持续时间。这特别是在快速切换的吸附制冷机器中具有大的优点。此外，冷凝器Kd和蒸发器Vd在其液压特性方面(特别是在压力损失以及其热传递功率)与吸附器的构造形式无关地进行设计和优化。在此特别是板式热交换器是合适的。

图2示出一个适合于在吸附制冷设备中循环输送(Umtreiben)冷却剂Km的实施方式。在该图中示出的冷却剂回路的实施方式在其构造上基本上对应于在图1中示出的热管装置。在当前的实施方式中然而替代至此所述的吸附器，设置两个热交换器WT1和WT2。它们实施冷却剂Km的蒸发和冷凝并且与之前所述的装置的吸附器Ad1和Ad2热耦合。所有其它的元件和在循环过程中的工作过程对应于图1的所述的热管装置。然而在此所述的实施方式中，冷却剂回路的蒸发器Vd耦合在图1中所述的冷却回路Kw上，而在该实施例中冷凝器Kd与吸附制冷设备的周围环境热耦合。

根据图1的实施方式的传热介质的类型和根据图2的实施方式的冷却剂的类型与精确的应用条件、特别是与在冷凝器和蒸发器上的且通过外部的回路确定的温度和在导管内部存在的压力以及介质的蒸发热量和在蒸发器和冷凝器和吸附器和热交换器上的相应的加热以及冷却功率相关。同样使用水以及例如氨气或水氨气混合物也是可能的是。这在设计设备或方法时在专业人员的考虑范围内。

其它的实施方式通过专业人员的常识和从属权利要求得出。

附图标记清单

Ad1  第一吸附器

Ad2  第二吸附器

Kb   冷凝液容器

Kd   冷凝器

Km   冷却剂

V1   第一阀单元

V2   第二阀单元

V3   第三阀单元

V4   第四阀单元

Wm   传热介质

WT1  第一热交换器

WT2  第二热交换器