DE102016215591A1

DE102016215591A1 - Klimamaschine

Info

Publication number: DE102016215591A1
Application number: DE102016215591.1A
Authority: DE
Inventors: Alexander Warlo; Lena Schnabel; Gerrit Füldner; Rahel Volmer; Jörg Weise
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2018-03-08
Also published as: EP3500807B1; EP3500807A1; WO2018033418A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine 1 mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche 13 ausbildenden Verdampferstruktur 10 und einem eine Arbeitsflüssigkeit 7 beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir 5, wobei die Verdampferstruktur 10 eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 aufweist sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. Dabei ist eine Blasenerzeugungsstruktur 2 vorgesehen, wobei die Blasenerzeugungsstruktur 2 zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit 7 überflutet, und/oder mit Arbeitsflüssigkeit 7 benetzbar, im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet ist und wobei die Verdampferstruktur 10 derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit 7 angeordnet ist, dass die Wärmeübertragungsoberfläche 13 durch von der Blasenerzeugungsstruktur 2 in der Arbeitsflüssigkeit 7 erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm 31 benetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche ausbildenden Verdampferstruktur und einem eine Arbeitsflüssigkeit beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir, wobei die Verdampferstruktur einen Kühlmitteldurchfluss aufweist sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Klimamaschine. Die Arbeitsflüssigkeit wird auch als Arbeitsmedium oder Kältemittel bezeichnet.
Derartige Klimamaschinen sind entweder als Kältemaschinen oder als Wärmepumpen ausgeführt. Durch an der Verdampferstruktur verdampfende Arbeitsflüssigkeit wird die Verdampferstruktur gekühlt. Die verdampfte Arbeitsflüssigkeit wird zunächst an einem Adsorber adsorbiert. Der beladene Adsorber wird auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, worauf die Arbeitsflüssigkeit wieder desorbiert und an einem Kondensator als Kondensat kondensiert wird. Bei einer Kältemaschine wird die Abkühlung der Verdampferstruktur für eine technische Anwendung genutzt, wogegen bei einer Wärmepumpe die Erwärmung des Kondensators und/oder des Adsorbers für eine technische Anwendung genutzt wird. Die Verdampferstruktur wird deshalb auch als Wärmeübertrager oder Wärmeübertragerstruktur bezeichnet. Der Nutzwärmestrom kann durch einen Kühlmitteldurchfluss der Verdampferstruktur aus der Klimamaschine entnommen werden. Derart ist ein geschlossener Kreislauf des Kühlmittels realisiert.
In derartigen Klimamaschinen, die z.B. als Adsorptionskältemaschinen oder -wärmepumpen ausgeführt sein können, wird also das Arbeitsmedium zyklisch verdampft und adsorbiert bzw. desorbiert und kondensiert. Derartige Kältemaschinen können einen Sorber und ein Bauteil, das Kondensator und Verdampferstruktur vereint, aufweisen, wie z.B. in der EP 1 278 028 B1 offenbart. Die Verdampferstruktur wird dann in alternierender Betriebsweise als Verdampfer und Kondensator betrieben. Das heißt zeitlich aufeinanderfolgend alternierend wird die Arbeitsflüssigkeit am Verdampfer verdampft und nach Adsorption und Desorption am Sorber wieder am Verdampfer bei Kondensationstemperatur kondensiert.
In Adsorptionswärmepumpen und Kältemaschinen werden bisher Wärmeübertrager zur Verdampfung/Kondensation eingesetzt, die nach dem Prinzip einer teilgefluteten Poolverdampfung arbeiten, teilweise auch in Verbindung mit kapillaren Strukturen, an deren Oberfläche die Arbeitsflüssigkeit aus dünnen Filmen heraus verdampft. In als Absorptionskältemaschinen ausgeführten Klimamaschinen werden meist berieselte Rohrbündel als Verdampfer- oder Wärmeübertragerstruktur eingesetzt. Dabei wird die Wärmeübertragerstruktur von oben mit Kältemittel berieselt oder besprüht. Auf der Wärmeübertragerstruktur bildet das Kältemittel einen dünnen Film (Rieselfilm), an dessen Oberfläche es verdampft. Bei dieser Betriebsweise einer Klimamaschine werden bei guter Kältemittelverteilung auf der Oberfläche aufgrund der dünnen Filme und aufgrund von sich im Rieselfilm einstellender Konvektion sehr hohe Wärmeübergangskoeffizienten von der Wärmeübertragerstruktur auf die Arbeitsflüssigkeit erreicht. Allerdings wird eine Umwälzpumpe für die Arbeitsflüssigkeit benötigt, da sich nicht verdampftes Kältemittel im Sumpf, das heißt in der sich im Arbeitsmittelreservoir angesammelten Arbeitsflüssigkeit, sammelt und erneut auf die Wärmeübertragerstruktur aufgebracht werden muss.
Ein in Adsorptionskältemaschinen und —wärmepumpen weit verbreiteter Ansatz ist eine teilgeflutete Betriebsweise, wie z.B. in der DE 1 00 33 972 B4 offenbart. Bei dieser Betriebsweise ist die Verdampferstruktur teilweise von der Arbeitsflüssigkeit überflutet, d.h. teilweise im Sumpf eingetaucht (Strukturflutung). Dabei können dünne Filme der Arbeitsflüssigkeit auf der Wärmeübertragungsoberfläche erzeugt werden, welche einen geringen Wärmeleitwiderstand aufweisen. Die Benetzung der Wärmeübertragungsoberfläche mit Arbeitsflüssigkeit erfolgt z.B. in der DE 10 2008 028 854 A1 durch Ausnutzung des Kapillareffekts. Die Wärmeübertragungsoberfläche wird dabei von einem niedrig berippten Rohr ausgebildet und bildet so eine Kapillarstruktur aus. Die Kapillarstruktur erfüllt während der Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit eine Doppelfunktion: Zum einen bewirkt sie eine Vergrößerung der Wärme übertragenden Fläche; zum anderen wird durch den Kapillareffekt das Kältemittel entgegen der Gravitationskraft auf die Kapillarstruktur gezogen und dort gleichmäßig verteilt. Aus den so entstehenden in Bereichen sehr dünnen Filmen entlang der sogenannten 3-Phasen-Grenze zwischen Dampf, Flüssigkeit und Metall verdampft die Arbeitsflüssigkeit.
Die DE 10 2011 015 153 A1 offenbart eine in situ Speicherung von Arbeitsmittel während der Kondensations-/Desorptionsphase auf waagerechten Wärmeübertragungsoberflächen, wie sie z.B. in Lamellenwärmeübertragern existieren. Während der Verdampfungs-/Adsorptionsphase wird die auf der Struktur vorliegende Arbeitsflüssigkeit wieder verdampft. Das Problem dieses Ansatzes ist, dass Arbeitsflüssigkeit auch an Stellen kondensiert, an denen sie keinen dünnen Film bildet sondern Strukturbereiche komplett füllt, partiell abtropft und so thermisch nicht oder nur mit einem sehr großen thermischen Widerstand aktiviert werden kann.
Das Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit erfolgt bei den beschriebenen Klimamaschinen durch stilles Sieden, worunter ein Sieden ohne Blasenbildung verstanden wird. Der Wärmeübergang bei der Verdampfung wird im stillen (konvektiven) Sieden mit Kältemittelfilmen größer 1 mm im Wesentlichen durch den Transport der Wärme durch den Kältemittelfilm limitiert. Je größer die Filmdicke desto größer sind die zu überwindenden Wärmeübergangswiderstände. Bei einem überfluteten Wärmeübertrager, wie er bei einem Behältersieden von Wasser zum Einsatz kommt, sind die thermischen Widerstände sehr groß, da nur die Wasseroberfläche zur Verdampfung beiträgt. Für einen möglichst guten Wärmeübergang werden daher sehr geringe Filmdicken der Arbeitsflüssigkeit auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur angestrebt.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Verdampfung von Wasser als Reinstoff in einem Temperaturbereich von 0°C bis 30°C statt. Die Drücke sind dementsprechend niedrig im Bereich von 0,006 bar (0°C) bis 0,042 bar bei 30°C. In anderen Ausführungsformen der Erfindung wird Wasser als Reinstoff zyklisch in einem Temperaturbereich von –10°C bis 0°C von der festen in die gasförmige Phase überführt. Die Dichtedifferenz zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase ist sehr groß. Bei 10°C beträgt die Dichte der flüssigen Phase 999,7 kg/m³, die der gasförmigen Phase 0,0094 kg/m³. Daraus ergibt sich ein Dichtequotient von etwa 100000. In der apparativen Umsetzung von Verdampfern nach dem Stand der Technik muss insbesondere dem großen Dichtequotient durch Bauformen Rechnung getragen werden, in denen nicht im Strömungssieden sondern in ein freies Volumen verdampft wird, um Druckverluste gering zu halten und die Verblockung des Wärmeübertragers mit aufgrund des hohen Druckverlustes nicht austretenden Dampfpolstern zu vermeiden. Neben den Anforderungen an die Bauraumgestaltung sind für Wasser als Arbeitsflüssigkeit in dem beschriebenen Druck- und Temperaturbereich auf glatten Flächen Wandüberhitzungen von mehr als 20 K, an strukturierten Oberflächen Wandüberhitzungen von wenigstens 7 K erforderlich, um ein kontinuierliches Blasensieden mit hohen Wärmeübertragungskoeffizienten einzustellen. Wandüberhitzungen in der genannten Größenordnung sind in den Anwendungen der Wärmepumpen oder Kältetechnik nicht umsetzbar, da hohe Wandüberhitzungen gleichbedeutend mit erhöhten Kaltwassertemperaturen oder mit reduzierten Siededrücken sind, die sich ungünstig auf des erforderliche Verdichtungsverhältnis oder den Sorptionsdruck und damit auf die Effizienz des Kreisprozesses auswirken. Dazu ist insbesondere für Wasser der Gefrierpunkt eine weitere limitierende Betriebsgröße.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimamaschine und ein Verfahren zu deren Verwendung bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik verringert, wobei insbesondere eine Leistungsverbesserung bei zum Stand der Technik vergleichbaren treibenden Temperaturdifferenzen ermöglicht und die Verwendung von Wasser als Arbeitsflüssigkeit ermöglicht werden soll.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Klimamaschine weist eine, eine Wärmeübertragungsoberfläche ausbildende Verdampferstruktur und ein, eine Arbeitsflüssigkeit beinhaltendes Arbeitsmittelreservoir, also einen Arbeitsmittelsumpf, auf. Die Verdampferstruktur weist eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung auf. Erfindungsgemäß ist eine Blasenerzeugungsstruktur vorgesehen, wobei die Blasenerzeugungsstruktur zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit überflutet, und/oder mit Arbeitsflüssigkeit benetzbar, im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs angeordnet ist. Die Verdampferstruktur ist derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit, z.B. über dem Arbeitsmittelreservoir, angeordnet, dass die Wärmeübertragungsoberfläche durch, von der Blasenerzeugungsstruktur in der Arbeitsflüssigkeit erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen, mitgerissene Arbeitsflüssigkeit mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm benetzt wird. Als Spritzbereich wird dabei ein Volumenbereich bezeichnet, der von der mitgerissenen und von den Gasblasen aus dem Arbeitsmittelreservoir herausgeschleuderten Arbeitsflüssigkeit erreicht wird, d.h. in den die Arbeitsflüssigkeit spritzt (Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit) und/oder über Bauelemente umgelenkt wird. Unter dem Begriff „Gasblase“ wird für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung eine von der Blasenerzeugungsstruktur im Reservoir der Arbeitsflüssigkeit erzeugte und in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigende Dampfblase verstanden.
Derart wird ein hybrider Verdampfer insbesondere für Niederdruckanwendungen bereitgestellt. Das erfindungsgemäß verwirklichte Wärmeübertragerkonzept dient als Verdampfer insbesondere in Kältemaschinen und Wärmepumpen, kann also z.B. in Sorptionssystemen in Niederdruckanwendungen, aber auch zum Verteilen von Rieselfilmen z.B. in Absorptionsprozessen eingesetzt werden. Auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur kann so ein dünner Flüssigkeitsfilm der Arbeitsflüssigkeit ausgebildet werden, der nahezu vollständig zu verdampfen ist und einen geringen Wärmewiderstand zwischen Wärmeübertragungsoberfläche und der angrenzenden Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit bietet. Beim Betrieb der Klimamaschine kann in den Arbeitsflüssigkeitssumpf Wärme eingetragen werden, was lokal zur Bildung der Gasblasen führt. Das dadurch verspritzte Kältemittel, also die Arbeitsflüssigkeit, trifft auf die Verdampferstruktur und bildet dort den gewünschten dünnen Flüssigkeitsfilm. Durch Regelung einer Heizleistung kann die Blasenbildung im Arbeitsflüssigkeitssumpf und damit die Verdampfungsleistung eingestellt werden. Bei niedrigem Druck kann es zu einem starken Spritzen der Arbeitsflüssigkeit kommen. Die Heizleistung kann dabei z.B. durch eine konstante Grundheizung und Regelung durch eine zweite, zusätzliche Wärmequelle und/oder durch eine punktförmige Heizung, z.B. einen elektrischen Widerstand, eingebracht werden.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann somit die Verdampferstruktur derart konstruktiv von der Blasenerzeugungsstruktur getrennt sein, dass die zur Erzeugung der Gasblasen von der Blasenerzeugungsstruktur in das Arbeitsmittelreservoir eingebrachte Energie zumindest im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur der Kühlflüssigkeit in der Kühlflüssigkeitsdurchleitung der Verdampferstruktur ist und/oder gesteuert werden kann.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung enthält die Verdampferstruktur der erfindungsgemäßen Klimamaschine somit mindestens zwei Strukturbereiche, wobei der eine Strukturbereich sich als Blasenerzeugungsstruktur geflutet oder zumindest teilgeflutet in dem Arbeitsmittelreservoir befindet und derartig ausgestaltet ist, dass auf dessen Strukturaußenseite Blasensieden initiiert werden kann. Bedingt durch den großen Dichtequotient zwischen Flüssigkeit und Dampf erreichen als Dampfblasen erzeugte Gasblasen ein großes Volumen, das bei Ablösung und Aufsteigen der Gasblasen zu einem starken Mitreißen der Arbeitsflüssigkeit führt. Durch das Blasensieden spritzt die Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsmittelreservoir heraus und trifft, im als Verdampferstruktur ausgeführten zweiten Strukturbereich auf dessen Wärmeübertragungsoberfläche, die als Außenseite eines Wärmeübertragers ausgeführt ist, der durch seine geometrische Beschaffenheit derart gestaltet ist, dass die Arbeitsflüssigkeit flächig verteilt wird und aus so entstandenen dünnen Filmen heraus verdampfen kann.
Die derart zu benetzende Verdampferstruktur kann über der Blasenerzeugungsstruktur oder auch seitlich davon angeordnet sein. Sie kann im Arbeitsmittelsumpf vollständig oder teilweise eingetaucht sein. Bei teilweisem Eintauchen kann zumindest bei Vorhandensein von kapillar aktiven Verteilstrukturen auf der Oberfläche der Verdampferstruktur ein zusätzliches Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsmittelsumpf bewirkt werden. Es wird keine Pumpe innerhalb des Vakuumsystems, d.h. des Systems in dem die Arbeitsflüssigkeit verdampft wird, benötigt. Dadurch müssen keine mechanisch beweglichen Bauteile vorhanden sein, so dass sich eine lange Lebensdauer ergeben kann. Ferner wird eine einfache Regelung der Klimamaschine über die Energiezufuhr der Blasenerzeugungsstruktur ermöglicht.Es wird eine steuerbare Benetzung von der Wärmeübertragungsoberfläche mit dünnen Arbeitsflüssigkeitsfilmen ermöglicht, so dass hohe Wärmeübergangskoeffizienten erreichbar sind. Hierfür ist keine Pumpe und auch keine kapillar Kältemittel verteilende Struktur erforderlich. Damit wird insbesondere für Wasser als Arbeitsflüssigkeit und andere Niederdruckarbeitsmittel, wie z.B. Methanol, ein Verdampfer mit hoher Leistungsdichte bei kleinen treibenden Temperaturdifferenzen bereitgestellt. Die Ergebnisse, die sich mit der erfindungsgemäßen Klimamaschine mit der Verdampfung aus dünnen verrieselten, d.h. aus der verspritzten Arbeitsflüssigkeit erzeugten, Wasserfilmen erzielen lassen, erreichen im Vergleich zu kapillar erzeugten Wasserfilmen um wenigstens 15% höhere Leistungen bei vergleichbaren treibenden Temperaturdifferenzen. Gleichzeitig sind insbesondere in Adsorptionsgeräten bewegte Teile unerwünscht, da dies sich nachteilig auf die Vakuumstabilität und den Energieaufwand auswirkt, durch Verschleiß zusätzlichen Wartungsaufwand und Stillstandszeiten bewirkt und als technischer Vorteil der Absorption gegenüber nicht aufgegeben werden soll. Beim Betrieb einer erfindungsgemäßen Klimamaschine werden mit einem geringen Anteil, der zum Betrieb nötigen und/oder einem Kühlmittel entzogenen Energie Gasblasen erzeugt, deren Aufgabe es ist, Kältemittel, d.h. Arbeitsflüssigkeit, auf der bzw. den Verdampferstrukturen zu verteilen. Die gezielte Erzeugung von Gasblasen in der Arbeitsflüssigkeit kann durch Auslegung von Strukturen oder auch durch nur phasenweise Energiezufuhr erfolgen.
Vorteilhaft weist die Blasenerzeugungsstruktur ein Fluidführungsrohr zur Erzeugung der Gasblasen durch Blasensieden auf. Durch das Fluidführungsrohr kann eine Kühlflüssigkeit geführt sein, der zum Erzeugen der Gasblasen Wärme entzogen wird. Es kann sich dabei um die gleiche Kühlflüssigkeit handeln, die durch die Kühlflüssigkeitsdurchleitung der Verdampferstruktur geleitet wird. Derart erfolgt sowohl beim Blasenerzeugen als auch beim Verdampfen der Arbeitsflüssigkeit ein Wärmeentzug aus der Kühlflüssigkeit.
Die hydraulische Verschaltung der beiden fluidführenden Strukturen, also der Kühlflüssigkeitsdurchleitung der Verdampferstruktur und dem Fluidführungsrohr der Blasenerzeugungsstruktur, kann entweder in serieller oder paralleler Ausführung erfolgen. Vorteilhaft sind das Fluidführungsrohr und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander angeordnet. Dabei wird das Fluidführungsrohr zuerst von der Kühlflüssigkeit durchströmt, so dass dort eine höhere Kühlflüssigkeitstemperatur als in der Kühlflüssigkeitsdurchleitung herrscht. Die Energie zur Ausbildung der Gasblasen, also zur Blasenbildung, wird derart thermisch durch den Vorlauf des von der Kühlflüssigkeit ausgebildeten Kühlflüssigkeitskreislaufes, z.B. eines Kaltwasserkreises, dem Arbeitsmittelreservoir zugeführt. Die thermische Energie zur Erzeugung der Gasblasen wird dabei also direkt über den Kühlflüssigkeitskreislauf eingebracht, indem dieser seriell durchfahren wird, d.h. in der Blasenerzeugungsstruktur liegt dann die größte Temperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeit und Arbeitsflüssigkeit an. In dieser Ausführungsform kann als Blasenbildungstruktur ein Warmeübertrager genutzt werden, der derart gestaltet ist, dass sein Kaltwassereintrittsbereich blasenbildende Überhitzungen ermöglicht.
Die Blasenerzeugungsstruktur kann elektrische Heizmittel und/oder ein Heatpipe und/oder mechanische Mittel zur Erzeugung der Gasblasen aufweisen. Die Energie zur Blasenbildung kann dann zusätzlich oder alternativ zur thermischen Zuführung durch den Vorlauf des z.B. Kaltwasserkreises oder andere Wärme transportierende Fluidkreise, durch elektrische Heizelemente, wie elektrische Widerstände oder Einleiten von Mikrowellen und/oder Heatpipes und/oder durch mechanische Verfahren wie z.B. Rütteln und/oder Einleiten von Ultraschall zugeführt werden. Ist bei der Energiezufuhr durch andere Fluidkreise oder die letztgenannten Möglichkeiten davon auszugehen, dass die Wandüberhitzung, also die Temperatur der Außenwand der Blasenerzeugungsstruktur, die mit der Arbeitsflüssigkeit in Kontakt steht, die der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur, durch die der Kühlflüssigkeitskreislauf, z.B. ein Kaltwasserkreislauf, geführt ist, wesentlich überschreitet, so ist die Blasenerzeugungsstruktur thermisch gut von der Verdampferstruktur zu isolieren.
Die Blasenerzeugungsstruktur kann vorteilhaft eine Rohrumlenkung und/oder Oberflächenstrukturen zur Vergrößerung eines Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit und/oder zur Verbesserung einer Blasenablösung der Gasblasen aufweisen. Zur Unterstützung der Gasblasenbildung und zur Unterstützung der Gasblasenablösung dienende Oberflächenstrukturen können Spalte und/oder Kavitäten ausbilden. Weiter kann das Fluidführungsrohr eine inhomogene Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere partielle Oberflächenisolierungen und/oder abwechselnd hydrophile und hydrophobe Bereiche aufweisen. Die sich an der Blasenerzeugungsstruktur ausbildenden Gasblasen können zu einer beachtlichen Größe, z.B. mehrere Zentimeter, heranwachsen. Dadurch kann je nach Bauraum beim Blasenabriss ein starkes Spritzen und eine ausgeprägte Konvektion verursacht werden. Die Blasenentstehung kann lokal häufig Spalten am Strukturrand der Blasenerzeugungsstruktur mit weniger als 1 mm Spaltbreite oder auch gut wärmeleitenden Mikrostrukturen, z.B. Fasern und/oder Rillen, zugeordnet werden. Derartige Oberflächenstrukturen dienen zur Verbesserung der Blasenablösung und/oder Blasenbildung.
Das Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit kann beispielsweise durch eine gezielte geometrische Anordnung von fluidführenden Rohren bzw. Kanälen der Blasenerzeugungsstruktur und/oder durch aufgebrachte oder in die wärmeübertragende Oberfläche der Blasenerzeugungsstruktur eingearbeitete Strukturen, wie z. B. Pins, Stifte, Rillen, Gewebe, perforierte Folien, Fasern, Schwämme, etc. verstärkt werden. Bei bestimmten Abständen, z.B. Spalte von kleiner 3 mm, zwischen den fluidführenden Rohren/Kanälen wird das Arbeitsmittel an Stellen wie z.B. Rohrumlenkungen lokal überhitzt, so dass es dort schneller zur Dampfblasenbildung kommt und Arbeitsmittel aus dem Arbeitsmittelreservoir herausspritzt. Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Erzeugung von Dampfblasen ist die Einbringung von schlecht wärmeleitenden Materialien an die Grenzfläche zwischen Arbeitsflüssigkeit und äußerer Oberfläche der Blasenerzeugungsstruktur, z.B. einer fluiddurchströmten Struktur. Durch eine derartige Anordnung werden große Temperaturunterschiede auf der Oberfläche der Blasenerzeugungsstruktur erzeugt, was die Blasenbildung und Blasenablösung unterstützt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Blasenerzeugungsstruktur Mittel zum Einbringen einer die Gasblasen beinhaltenden Zweiphasenströmung der Arbeitsflüssigkeit in das Arbeitsmittelreservoir auf. Die zum Verspritzen der Arbeitsflüssigkeit erforderlichen Gasblasen können auch durch das Einbringen einer Zweiphasenströmung, die z.B. aus der Druckdifferenz in der Arbeitsflüssigkeit zwischen einem Kondensator und der Verdampferstruktur mittels eines Drosselorgans erzeugt wird, generiert werden. Das die Zweiphasenströmung ausbildende zweiphasige Gemisch wird in den Kältemittelpool, also das Arbeitsmittelreservoir, von unten eingeströmt. Die dann in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen generieren das Mitreißen des flüssigen Kältemittels, d.h. der Arbeitsflüssigkeit.
Vorteilhaft weist die Verdampferstruktur an der Kühlflüssigkeitsdurchleitung zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsoberflächen angeordnete Lamellen (Kühlrippen oder -lamellen) auf und/oder die Kühlflüssigkeitsdurchleitung ist dazu zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet und/oder die Kühlflüssigkeitsdurchleitung ist dazu zumindest teilweise als parallel zueinander verlaufende Rohre ausgebildet. Die Wärmeübertrager- d.h. die Verdampferstruktur, auf die durch die entstehenden Gasblasen Kältemittel, d.h. Arbeitsflüssigkeit, verspritzt wird, ist derart angeordnet, dass sie für das verspritzte Kältemittel gut zugänglich ist. Dies kann beispielsweise in Form von vertikal oder seitlich über dem Arbeitsmittelreservoir ausgerichteten Lamellen, durchströmten Platten oder fluchtend übereinander angeordneten Rohren verwirklicht sein. Zur Vermeidung von spritzender Arbeitsflüssigkeit außerhalb des Raumbereiches der Verdampferstruktur, die z.B. zu einem für den Prozess ungünstigen Übertrag von Arbeitsflüssigkeit in andere Bauteile führen könnte, kann bei einer in mehreren übereinander angeordneten Strukturreihen ausgebildeten Verdampferstruktur in der obersten Strukturreihe eine versetzte Anordnung der Struktur ausgebildet sein. Es kann dabei auch eine terrassenförmige Anordnung der Strukturreihen vorgesehen sein, so dass abfließendes Kältemittel gesammelt und gleichmäßig weiterverteilt wird.
Wenn auf der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur eine Oberflächenstrukturierung und/oder eine hydrophile Beschichtung und/oder eine poröse Schicht aufgebracht ist, kann eine Verbesserung der Verteilung der Arbeitsflüssigkeit erreicht werden. Die zu benetzende Wärmeübertragungsoberfläche zeichnet sich derart durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten aus. Dies kann entweder durch eine durch mechanische Strukturierung ausgeformte Oberflächenstrukturierung in Form von z.B. Rillen, Pins, etc. gezielt erzeugten Rauhigkeiten, poröse Schichten mit einer Strukturhöhe von weniger als 1 mm und/oder durch eine hydrophile bzw. kontaktwinkelreduzierende Oberflächenbeschichtung und/oder chemische Vorbehandlung der Wärmeübertragungsoberfläche geschehen. Die Wärmeübertragungsoberfläche, auf der der dünne Film der Arbeitsflüssigkeit, z.B. ein Wasserfilm, verdampft, kann auch Eigenschaften aufweisen, die zu einer gleichmäßigen Verteilung der Arbeitsflüssigkeit einerseits, aber auch Erhöhung der Verweilzeit und Vermischung der Arbeitsflüssigkeit andererseits beiträgt. Dies können z.B. fischgrätenartige Wellenstrukturen und/oder auch Strukturvorgaben sein, die mit der Gestaltung von eingeprägten Rillen oder aufgebrachten porösen Strukturen, z.B. Fasern, Gewebe, Schwämme, bestimmt werden können.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 4000 und etwa 60000 aufweisen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 15000 und etwa 60000 oder zwischen etwa 7000 und etwa 25000 oder zwischen etwa 4000 und etwa 14000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von mehr als etwa 4000 oder mehr als etwa 7000 oder mehr als etwa 12000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von weniger als etwa 55000 oder weniger als etwa 25000 oder weniger als etwa 14000 aufweisen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Arbeitsflüssigkeit Wasser und/oder Methanol und/oder Ethanol enthalten oder daraus bestehen. Optional kann z.B. ein Additiv zur Oberflächenspannungsreduktion beigesetzt sein. Insbesondere Wasser als Arbeitsflüssigkeit ist sehr umweltfreundlich, so dass auf schädliche Substanzen wie FCKW oder Ammoniak verzichtet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Klimamaschine kann mit einer Wandüberhitzung an der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur von lediglich 3 bis 5 Kelvin eine gute Leistungsdichte erreicht werden.
In der Arbeitsflüssigkeit können poröse Partikel eingebracht sein. Derartige im flüssigen Kältemittel eingebettete Partikel sind insbesondere inert, hochporös und gut wärmeleitend. Durch Konvektion im Arbeitsmittelreservoir werden diese Partikel immer wieder an die Oberfläche der Arbeitsflüssigkeit geschleudert und können dort aufgrund ihrer sehr großen Kontaktfläche zum Dampfraum über dem Arbeitsmittelreservoir schnell Kältemittel verdampfen. Die dafür erforderliche Wärme wird zunächst dem Partikel entzogen, der sie nach Eintreten in die Flüssigkeit der Arbeitsflüssigkeit und damit z.B. einem Kaltwasserkreis entzieht.Die dem Kältemittel beigemischten Partikel werden aufgrund der Blasenbildung stark bewegt. Sind diese Partikel inert, hochporös und gut wärmeleitend, so können sie im Dampfraum schnell das in ihnen gespeicherte Kältemittel freisetzen. Die dabei dem Partikel entzogene Wärme wird diesem wieder zugeführt, sobald der Partikel in den Arbeitsflüssigkeitssumpf wieder eintaucht und kann somit über den Arbeitsflüssigkeitssumpf dem Kreislauf der Kühlflüssigkeit, z.B. einem Kaltwasserkreis, entzogen werden. In dieser Ausführung kann die Verdampferstruktur auch in den Boden oder die Seiten des Arbeitsmittelreservoirs integriert sein. Eine partiell eingebrachte Blasenerzeugungsstruktur ist thermisch gut zu isolieren.
Im Arbeitsmittelreservoir können Gewebestrukturen und/oder Drahtstrukturen angeordnet sein. Bei teilweisem Eintauchen der Verdampferstruktur in das Arbeitsmittelreservoir kann zumindest bei Vorhandensein von kapillar aktiven Verteilstrukturen auf der Oberfläche der Verdampferstruktur ein zusätzliches Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsmittelsumpf bewirkt werden. Bei diesem Ansatz können offenporige Gewebe- oder Drahtstrukturen zur Verteilung der Arbeitsflüssigkeit verwendet werden. Die Kühlflüssigkeit, z.B. Kaltwasser, führende Struktur kann auch direkt in die Gewebestruktur eingearbeitet sein.
Vorteilhaft können im Spritzbereich Mittel zum Erweitern und/oder Umlenken des Spritzbereiches, insbesondere eine Verteilerstruktur zum Auffangen von von den Gasblasen mitgerissener Arbeitsflüssigkeit und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit auf und/oder über die Verdampferstruktur, d.h. deren Wärmeübertragungsoberfläche, und/oder eine Arbeitsmittelförderröhre, die mit einem offenen Ende in das Arbeitsmittelreservoir eintaucht, vorgesehen sein. Die Verteilerstruktur bildet einen Teil der Verdampferstruktur aus.
Wenn eine z.B. trichterförmige Arbeitsmittelförderröhre vorgesehen ist, wobei die Arbeitsmittelförderröhre mit einem offenen Ende, im Falle der Trichterform dem weiten Trichterbefüllungsende, in das Arbeitsmittelreservoir eintaucht, können aufsteigende Gasblasen Arbeitsflüssigkeit, d.h. Kältemittel, durch die Arbeitsmittelförderröhre gegen die Schwerkraft nach oben pumpen, so dass der Spritzbereich nach oben z.B. über die Verdampferstruktur hinaus vergrößert werden kann. Z.B. derart kann flüssiges Kältemittel von oben auf der Wärmeübertragungsoberfläche verteilt werden. Durch eine Querschnittsverengung der Arbeitsmittelförderröhre oder andere Fluidführungsstrukturen kann das flüssige Kältemittel auf ein Niveau oberhalb des Wärmeübertragers gefördert und von dort aus schwerkraftgetrieben auf die Verdampferstruktur verteilt werden. Derart wird eine Pumpe realisiert, die das flüssige Kältemittel gezielt in die höher gelegene Verdampferstruktur befördert. Die hierfür erforderliche mechanische Energie wird aus der thermisch getriebenen Blasenbildung und der dadurch bedingten Volumenvergrößerung des Kältemittels gezogen. Die Effizienz des Verdampfungsprozesses wird hierdurch praktisch nicht reduziert, da die benötigte mechanische Energie zum Pumpen einer zu verdampfenden Kältemittelmenge nur einen vernachlässigbaren Bruchteil der umgesetzten Wärmemenge beträgt. Zum Beispiel wird für 1 Gramm Wasser, das um 0,1 Meter angehoben wird 0,001 Joule mechanische Energie im Vergleich zu 2400 Joule/Gramm Verdampfungsenthalpie benötigt. Es kann auch eine Kombination einer Benetzung der Verdampferstruktur von unten und oben vorgenommen werden. Bei der Benetzung von oben wird die Antriebskraft der aufsteigenden Gasblasen genutzt, um die Verdampferstruktur von oben mit Arbeitsflüssigkeit zu berieseln. Dies kann z.B. durch ein Verteilnetz als Verteilerstruktur geschehen, das gezielt über der Verdampferstruktur, bzw. deren Teile die die Wärmeübertragungsoberfläche ausbilden, endet und von oben beaufschlagt wird. Die Verteilerstruktur sollte dazu ausreichend porös sein, um den in den Gasblasen vorhandenen Dampf der Arbeitsflüssigkeit zum Adsorber ohne Flüssigkeitsmitreißen strömen zu lassen. Mit der Auftriebskraft der Gasblasen können auch Elemente, z.B. Ventile, Klappen, Strömungsträger, bewegt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Klimamaschine weist folgende Verfahrensschritte auf:

– Erzeugen und/oder Einbringen von Gasblasen in die Arbeitsflüssigkeit mittels der Blasenerzeugungsstruktur im Arbeitsmittelreservoir,
– Benetzen der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur mit von in der Arbeitsflüssigkeit aufsteigenden Gasblasen mitgerissener und in den Spritzbereich spritzender Arbeitsflüssigkeit, und
– Kühlen einer die Kühlflüssigkeitsdurchleitung durchströmenden Kühlflüssigkeit durch Verdampfen der die Wärmeübertragungsoberfläche benetzenden Arbeitsflüssigkeit.

Derart kann ein effizienter Kreisprozess einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe verwirklicht werden.
Wenn in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die desorbierte Arbeitsflüssigkeit an der Verdampferstruktur kondensiert wird, kann auf ein zusätzliches, einen Kondensator ausbildendes, Modul verzichtet werden. Der Betrieb der Verdampferstruktur einer erfindungsgemäßen Klimamschine ist sowohl als reiner Verdampfer als auch als kombinierter Verdampfer/Kondensator in einem Bauteil möglich. Bei letzterer Betriebsweise kondensiert die Arbeitsflüssigkeit an den aktiv fluiddurchströmten Strukturen, d.h. der Kühlflüssigkeitsdurchleitung, der Verdampferstruktur, wobei überschüssiges Kondensat von der nicht gefluteten Verdampferstruktur abtropfen kann und sich im Arbeitsmittelreservoir sammelt, in welchem sich die zweite Struktur, d.h. die Blasenerzeugungsstruktur, befindet. Ein Vorteil dieser Bauweise ist, dass auch mit steigender Kältemittelverflüssigung eine konstante Kondensationsfläche zur Verfügung steht und sämtliche Arbeitsflüssigkeit, auch wenn sie an ungewünschten Stellen kondensiert, wieder aktiviert, respektive verdampft werden kann, da sich das Arbeitsmittelreservoir vorzugsweise am Boden eines Bauteils befindet, das die Arbeitsflüssigkeit und deren Dampf räumlich umfasst.
Zum Erzeugen der Gasblasen kann vorteilhaft weniger als 5 Prozent der Wärmeenergiemenge verwendet werden, die beim Kühlen der die Kühlflüssigkeitsdurchleitung durchströmenden Kühlflüssigkeit, also einem Kühlflüssigkeitskreislauf z.B. einem Kaltwasserkreislauf, der Kühlflüssigkeit entzogen wird. Die Blasenerzeugungsstruktur, mittels der das Blasensieden erzeugt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass lokal sehr begrenzt eine hohe Wärmestromdichte in Form von Wandüberhitzungen von mehr als 10 Kelvin aufgebracht werden kann. Der so erzeugte Wärme- und/oder Energiestrom von der Blasenerzeugungsstruktur in die Arbeitsflüssigkeit kann durch thermische oder elektrische Energie oder durch Maßnahmen wie Rütteln, Ultraschall, Mikrowellen erzeugt werden. Die Energiezufuhr ist derart gestaltet, dass der Wärmeeintrag in das flüssige Kältemittel gering bleibt und sich auf die Erzeugung der Blasen beschränkt. Für die Blasenerzeugung soll dabei deutlich weniger als 5 %‚ eher weniger als 1% der Wärmeenergie, die dem z.B. Kaltwasserkreislauf als Energie entzogen wird, genutzt werden.
Neben der Energiezufuhr in die Blasenbildungsstruktur über den Kühlflüssigkeitskreislauf kann alternativ oder zusätzlich auf anderen Temperaturniveaus, also auf zum Temperaturniveau des Kühlflüssigkeitskreislaufs unterschiedlichen Temperaturniveaus, verfügbare Wärme zur Gasblasenbildung zugeführt werden. Bei Verwendung einer elektrisch versorgten Wärmequelle oder auch den anderen genannten Möglichkeiten der Ausführungsformen der Blasenbildungsstruktur kann ebenfalls ein deutlich höheres Temperaturniveau und damit eine höhere Wandüberhitzung erzeugt werden, als der Wandüberhitzung auf der für die Kältemittelverdampfung vorgesehenen, mit einem dünnen Film der Arbeitsflüssigkeit benetzten Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur. Diese Wärmezufuhr auf höherem Temperaturniveau verursacht nur einen sehr geringen Wärmeeintrag. Dabei ist eine gute thermische Abgrenzung der Bereiche hoher Wandüberhitzung gegen die anderen Verdampfungsbereiche, also insbesondere die Verdampfungsstruktur, vorgesehen.
Vorteilhaft wird die zum Erzeugen der Gasblasen verwendete Energie mittels eines Leistungsregelungsmoduls der Blasenerzeugungsstruktur diskontinuierlich zugeführt. Bei der diskontinuierlichen Zuführung wird die für die Erzeugung der Blasen erforderliche Energie phasenweise, pulsierend und/oder entsprechend von Prozessanforderungen mit geregelter Leistung zugeführt.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur ein Fluidführungsrohr aufweist.
2a und 2b zeigen jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur elektrische Heizmittel aufweist.
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der die Blasenerzeugungsstruktur Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung der Arbeitsflüssigkeit in das Arbeitsmittelreservoir aufweist.
4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine, bei der im Spritzbereich eine Verteilerstruktur zum Auffangen von den Gasblasen mitgerissener Arbeitsflüssigkeit und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit auf die Verdampferstruktur vorgesehen ist sowie eine Arbeitsmittelförderröhre vorgesehen ist.
In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungsstruktur 2 ein Fluidführungsrohr 3 aufweist. Dazu ist die im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnete Blasenerzeugungsstruktur 2 teilweise von in dem Arbeitsmittelreservoir 5 gesammelter Arbeitsflüssigkeit 7 überflutet. In dem von der Blasenerzeugungsstruktur 2 ausgebildeten Strukturbereich werden gezielt stark spritzende Gasblasen 8 in der Arbeitsflüssigkeit 7 erzeugt. Von in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 spritzt über die Oberfläche 9 der Arbeitsflüssigkeit 7 im Arbeitsmittelreservoir 5 hinaus in einen Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit 7. Das Fluidführungsrohr 3 wird von einem Kältemittel durchflossen, dessen Temperatur ausreicht, um ausreichend Wärmeenergie in die Arbeitsflüssigkeit 7 einzuleiten um die Gasblasen 8 durch Blasensieden zu erzeugen.
Über dem Arbeitsmittelreservoir 5 und der darin teilgeflutet angeordneten Blasenerzeugungsstruktur 2 ist in dem Spritzbereich eine Verdampferstruktur 10 angeordnet. Die Verdampferstruktur 10 wird von einem, eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 ausbildenden Rohr ausgebildet. Die Verdampferstruktur 10 weist eine von einem porösen Material (poröse Schicht) ausgebildete Wärmeübertragungsoberfläche 13 auf, die von der mitgerissenen Arbeitsflüssigkeit 7 mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm benetzt wird. Letzteres ist durch die auf die Verdampferstruktur 10 auftreffenden Gasblasen 8 symbolisch dargestellt. Die Verdampferstruktur 10 ermöglicht als Wärmeübertrager eine flächige Benetzung mit dünnen Arbeitsflüssigkeitsfilmen. Die Arbeitsflüssigkeit 7 des Arbeitsflüssigkeitsfilms verdampft, wodurch die Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 und die diese durchströmende Kühlflüssigkeit abgekühlt wird. In der für Adsorptionskältemaschinen und —wärmepumpen bestimmten dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden fluiddurchströmten Strukturen, nämlich die Verdampferstruktur 10 und die Blasenerzeugungsstruktur 2, räumlich übereinander angeordnet und können im zyklischen Wechsel als Verdampfer und Kondensator agieren.
Die in dieser Ausführungsform auf Rohrgeometrien basierende teilgeflutete Blasenerzeugungsstruktur 2 überträgt Wärme aus der sie durchfließenden Kühlflüssigkeit auf die Arbeitsflüssigkeit 7 und kann somit auch als ein unterer Wärmeübertrager bezeichnet werden. Die hydraulische Verschaltung der beiden Wärmeübertrager kann seriell oder parallel erfolgen. In den Figuren sind lediglich die Anschlüsse der Kühlflüssigkeitsdurchleitung 10 und des ebenfalls Kühlflüssigkeit durchleitenden Fluidführungsrohres 3 angedeutet.
Die Blasenerzeugungsstruktur 10 kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlichen Spaltabständen der Rillen 15 aufgebaut sein. Zwischen engeren Spaltabständen kann sich eine größere Überhitzung ausbilden, wodurch die Erzeugung der Gasblasen 8 auf bestimmte Teile der Längserstreckung des Fluidführungsrohres 3 lokalisiert werden kann. Die Spaltabstände der Rillen 15 liegen dabei vorteilhaft in einem Bereich von weniger als 1 mm. Die Rillen 15 bilden also Oberflächenstrukturen zur Vergrößerung des Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit aus. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Vergrößerung des Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit auch durch dicht nebeneinander angeordnete Rund- oder Flachrohre sowie Umlenkungen erzielt werden, so dass lokal ein größerer Wärmeeintrag erfolgt. Weiter kann ein Wechsel in der Oberflächenbeschaffenheit, z.B. hydrophil/hydrophob, die Gasblasenablösung unterstützen. Die Teilflutung der Blasenerzeugungsstruktur 2 stellt sicher, dass ein ausreichend großes Arbeitsflüssigkeitsreservoir 5 bereitsteht, aus welchem die Arbeitsflüssigkeit 7 herausspritzt und damit die räumlich höher angeordnete Verdampferstruktur 10 benetzen kann.
Alternativ zur dargestellten Ausführungsform der als oberer Wärmeübertrager ausgebildeten Verdampferstruktur 10 mit einem kühlflüssigkeitsdurchströmten Rohr/Kanal, auf dessen Außenfläche eine poröse Struktur aufgebracht ist, kann auch durch eine Oberflächenbehandlung der Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur ein gutes Benetzungsverhalten erreicht werden. Poröse Strukturen haben den Vorteil, dass sie die Verweilzeit der Arbeitsflüssigkeit verlängern, müssen aber thermisch gut an das Wärme abgebende Rohr, d.h. die Kühlflüssigkeitsdurchleitung, angebunden sein und sollten nur eine geringe Dicke von weniger als 5 mm aufweisen. Beispiele für poröse Strukturen sind metallische Fasern, Schwämme und/oder Schäume. Die Vorteile dieser porösen Strukturen sind hohe spezifische Oberflächen, die eine gute Aufnahme der spritzenden Arbeitsflüssigkeit erlauben, die gute Arbeitsflüssigkeitsverteilung aufgrund von Kapillarwirkung und die erhöhte Wärmeleitfähigkeit durch die metallische poröse Struktur im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit von reinem Wasser.
Die Blasenerzeugungsstruktur 2 ist in der dargestellten Ausführungsform in den Arbeitsflüssigkeitssumpf, d.h. dem Arbeitsmittelreservoir 5, eingearbeitet, kann aber z.B. auch durch Kapillarstrukturen von einem Arbeitsflüssigkeitspool aus mit Arbeitsflüssigkeit 7 versorgt werden. Bei alternierender Nutzung der Verdampferstruktur 10 als Verdampfer und Kondensator kann der Arbeitsflüssigkeitssumpf als Kondensatsammelbereich dienen. Bei paralleler Verwendung erfolgt die Kondensatzufuhr über ein Drosselorgan aus dem Kondensator. Die hier vorhandene Druckdifferenz, die etwa 10 bis 50 mbar umfasst, kann ebenfalls in die Erzeugung spritzender Gasblasen 8 durch gezieltes Einbringen der Zweiphasenströmung eingebracht werden. Die Anordnung des Arbeitsmittelreservoirs 5 und der Blasenerzeugungsstruktur 2 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragerkonzepts erfolgt vorzugsweise am Boden eines Sorptionsmoduls 17, d.h. unterhalb einer Verdampferstruktur. Dies hat den Vorteil, dass sich sämtliche während der Kondensation abtropfende Arbeitsflüssigkeit 7 im Arbeitsflüssigkeitssumpf am Boden sammelt und dort wieder verdampft werden kann. Arbeitsflüssigkeit 7 kann folglich nicht verloren gehen, d. h. an Stellen gelangen, an denen sie nur noch schwer aktiviert/verdampft werden kann.
In den 2a und 2b ist jeweils eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungsstruktur 2 z.B. elektrische Heizmittel (Stifte) zur Wärmezufuhr in die Arbeitsflüssigkeit 7 aufweisen. Diese z.B. von elektrischen Widerständen ausgebildeten Heizmittel stellen Siedestrukturen 20 dar und sind am Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet, so dass dort Siedebereiche ausgebildet sind. Die Figuren zeigen zwei sich unterscheidende Anordnungen der Siedebereiche und Verdampferstrukturen 10. In 2a ist die Verdampferstruktur 10 flächig über dem Arbeitsmittelreservoir 5 angeordnet. Die Heizmittel sind dabei flächig verteilt über den Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet. Die Verdampferstruktur 10 weist gleichmäßig entlang deren Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 verteilte Kühllamellen 22 auf. In 2b sind die Heizmittel der Blasenerzeugungsstruktur 2 nur in den Bereichen mit freien Kanalquerschnitten der Verdampferstruktur 10 am Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet. Sie bilden also lokal angeordnete Siedestrukturen aus. Die Verdampferstruktur 10 weist mehrere Teilverdampfer mit jeweils einer Kühllamellen 22 umfassenden Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 auf. Als freie Kanalquerschnitte werden die Bereiche zwischen den Teilverdampfern bezeichnet. Die Heizmittel können auch im Arbeitsmittelreservoir verteilt oder in Form eines Wärmeübertragers eingebracht sein. Die Beheizung erfolgt von der Unterseite bzw. dem Boden des Arbeitsmittelreservoirs 5. Neben der flächigen thermischen Wärmezufuhr könnten in den einzelnen Stiften z. B. kleine elektrische Heizelemente und/oder Heatpipes integriert sein. Wird die erforderliche Energie zur Gasblasenbildung nicht durch einen Kaltwasserkreis zugeführt, so sollten die Blasenerzeugungsstrukturen 2 thermisch isoliert werden.
Auch in dieser Ausführungsform ist der zu benetzende Wärmeübertrager, also die Verdampferstruktur 10, gut zugänglich oberhalb oder seitlich von der Blasenerzeugungsstruktur 2 angeordnet. Die Verdampferstruktur 10 zeichnet sich durch ein sehr gutes Benetzungsverhalten aus. Dies kann z.B. durch mechanische Bearbeitung in Form von Rillen, Pins, gezielt erzeugten Rauhigkeiten und/oder durch eine hydrophile bzw. kontaktwinkelreduzierende Oberflächenbeschichtung und/oder chemische Vorbehandlung erreicht sein.
In 3 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der die Blasenerzeugungsstruktur 2 Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung 30 der Arbeitsflüssigkeit 7 in das Arbeitsmittelreservoir 5 aufweist. Bei dieser Ausführungsform werden das Blasensieden und das damit einhergehende Spritzen der Arbeitsflüssigkeit 7 nicht durch eine ganz oder teilgeflutete Struktur 35 zum Aufheizen der Arbeitsflüssigkeit 7 initiiert, sondern z.B. durch Zuführung des Kondensatrückflusses aus einem Kondensator. Die aufsteigenden Dampf- bzw. Gasblasen 8 sorgen für ein Spritzen der Arbeitsflüssigkeit 7 und eine Benetzung der nicht gefluteten, kühlflüssigkeitführenden Verdampferstruktur 10 bzw. deren Wärmeübertragungsoberfläche mit einem Film 31 aus Arbeitsflüssigkeit. Die Mittel zum Einbringen einer Zweiphasenströmung 30 der Arbeitsflüssigkeit sind als ein mit Perforationen versehenes Rohr ausgebildet. Die Struktur 35, z.B. ein Kühlflüssigkeit führendes Rohr, ist in der dargestellten Ausführungsform geflutet im Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet. Dieses Rohr kann zur Vorheizung des Arbeitsmittels 7 im Arbeitsmittelreservoirs 5 genutzt werden.
In 4 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimamaschine 1 dargestellt, bei der im Spritzbereich eine Verteilerstruktur 40 zum Auffangen von den Gasblasen 8 mitgerissener Arbeitsflüssigkeit 7 und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit auf die Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur 10 vorgesehen ist sowie eine Arbeitsmittelförderröhre 42 vorgesehen ist. Die von den Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 benetzt dabei nicht direkt, wie bei den Ausführungsformen der 1 bis 3, oder nur zum Teil direkt die Wärmeübertrageroberfläche der Verdampferstruktur 10, sondern es wird über ein Verteilsystem 44 der Verteilerstruktur 40 kanalisiert die Benetzung erzeugt. Die Verdampferstruktur 10 weist zwei Teilverdampfer auf, die jeweils von einer Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 mit parallel zueinander verlaufenden, Wärmeübertrageroberflächen ausbildenden Lamellen 22 ausgebildet sind. Die Wärmeübertragungsoberfläche der Verdampferstruktur 10 kann auch z.B. lediglich von der Oberfläche der Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 ausgebildet sein. Die Verteilerstruktur 40 weist eine als Spritzschutz 45 für die Arbeitsflüssigkeit ausgeführte Verteilerkappe und das z.B. als ein Gewebe und/oder eine Drahtstruktur zur Arbeitsflüssigkeitsverteilung ausgebildete Verteilsystem 44 auf.
Die trichterförmig ausgebildete Arbeitsmittelförderröhre 42 (Trichterform) dient zum Ausnutzen der Auftriebskraft der Gasblasen 8, um die Verdampferstruktur 10 von oben mit Arbeitsflüssigkeit 7 zu bespritzen bzw. zu berieseln. Das weite, offene Einfüllende 47 der Trichterform ist dazu in die Arbeitsflüssigkeit 7 im Arbeitsmittelreservoir über einem die Blasenerzeugungsstruktur 2 ausbildenden Heizmittel eingetaucht. Durch das Heizmittel erfolgt der Wärmeeintrag in die Arbeitsflüssigkeit 7 zur Gasblasenerzeugung. Die über dem Heizmittel in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 werden von der Trichterform eingefangen und führen zu einem Herausspritzen von Arbeitsflüssigkeit 7 aus dem schmalen offenen Ende 48 der Trichterform. Die derart in den Spritzbereich herausspritzende Arbeitsflüssigkeit wird von der Verteilerkappe nach unten umgelenkt. Dies führt derart zu einer entsprechenden Erweiterung des Spritzbereiches auf den Bereich des Verteilsystems 44 und der Verdampferstruktur 10.
Die Erfindung betrifft eine Klimamaschine 1 mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche 13 ausbildenden Verdampferstruktur 10 und einem eine Arbeitsflüssigkeit 7 beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir 5, wobei die Verdampferstruktur 10 eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung 11 aufweist sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
Dabei ist eine Blasenerzeugungsstruktur 2 vorgesehen, wobei die Blasenerzeugungsstruktur 2 zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit 7 überflutet, und/oder mit Arbeitsflüssigkeit 7 benetzbar, im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs 5 angeordnet ist und wobei die Verdampferstruktur 10 derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit 7 angeordnet ist, dass die Wärmeübertragungsoberfläche 13 durch von der Blasenerzeugungsstruktur 2 in der Arbeitsflüssigkeit 7 erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit 7 aufsteigenden Gasblasen 8 mitgerissene Arbeitsflüssigkeit 7 mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm 31 benetzt wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1278028 B1 [0003]
DE 10033972 B4 [0005]
DE 102008028854 A1 [0005]
DE 102011015153 A1 [0006]

Claims

Klimamaschine (1) mit einer eine Wärmeübertragungsoberfläche (13) ausbildenden Verdampferstruktur (10) und einem eine Arbeitsflüssigkeit (7) beinhaltenden Arbeitsmittelreservoir (5), wobei die Verdampferstruktur (10) eine Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Blasenerzeugungsstruktur (2) vorhanden ist, wobei die Blasenerzeugungsstruktur (2) zumindest teilweise von der Arbeitsflüssigkeit (7) überflutbar und/oder mit Arbeitsflüssigkeit (7) benetzbar im Bereich des Arbeitsmittelreservoirs (5) angeordnet ist und wobei die Verdampferstruktur (10) derart in einem Spritzbereich der Arbeitsflüssigkeit (7) angeordnet ist, dass die Wärmeübertragungsoberfläche (13) durch von der Blasenerzeugungsstruktur (2) in der Arbeitsflüssigkeit (7) erzeugbaren und/oder einbringbaren und in der Arbeitsflüssigkeit (7) aufsteigenden Gasblasen (8) mitgerissene Arbeitsflüssigkeit (7) mit einem Arbeitsflüssigkeitsfilm (31) benetzbar ist.
Klimamaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) ein Fluidführungsrohr (3) zur Erzeugung der Gasblasen (8) durch Blasensieden aufweist.
Klimamaschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidführungsrohr (3) und die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) in einem Kühlflüssigkeitskreislauf seriell hintereinander angeordnet sind.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) zumindest ein elektrisches Heizmittel und/oder eine Heatpipe und/oder Mittel zur mechanischen Erzeugung der Gasblasen (8) aufweist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) eine Rohrumlenkung und/oder Oberflächenstrukturen (15) zur Vergrößerung eines Wärmeübertrages auf die Arbeitsflüssigkeit (7) und/oder zur Verbesserung einer Blasenablösung der Gasblasen (8) aufweist und/oder dass das Fluidführungsrohr (3) eine inhomogene Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere partielle Oberflächenisolierungen und/oder abwechselnd hydrophile und hydrophobe Bereiche, aufweist.
Klimamaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Blasenerzeugungsstruktur (2) Mittel zum Einbringen einer die Gasblasen (8) beinhaltenden Zweiphasenströmung (30) der Arbeitsflüssigkeit (7) in das Arbeitsmittelreservoir (5) aufweist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferstruktur (10) an die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) angeordnete Lamellen (22) und/oder Rippen aufweist und/oder dass die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) zumindest teilweise plattenförmig ausgebildet ist und/oder dass die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) zumindest teilweise als parallel zueinander verlaufende Rohre ausgebildet ist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Wärmeübertragungsoberfläche (13) der Verdampferstruktur (10) eine Oberflächenstrukturierung und/oder eine hydrophile Beschichtung und/oder eine poröse Schicht aufgebracht ist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient zwischen etwa 4000 und etwa 60000 aufweist oder dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von mehr als etwa 4000 oder mehr als etwa 7000 oder mehr als etwa 12000 aufweist oder dass die Arbeitsflüssigkeit einen Dichtequotient von weniger als als etwa 55000 oder weniger als etwa 25000 oder weniger als etwa 14000 aufweist.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (7) Wasser und/oder Ethanol und/oder Methanol enthält oder daraus besteht.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Arbeitsflüssigkeit (7) poröse Partikel eingebracht sind und/oder dass im Arbeitsmittelreservoir (5) Gewebestrukturen und/oder Drahtstrukturen angeordnet sind.
Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Spritzbereich Mittel zum Erweitern und/oder Umlenken des Spritzbereiches, insbesondere eine Verteilerstruktur (40) zum Auffangen von von den Gasblasen (8) mitgerissener Arbeitsflüssigkeit (7) und zum Verteilen der Arbeitsflüssigkeit (7) auf und/oder über die Verdampferstruktur (10) und/oder eine Arbeitsmittelförderröhre (42), die mit einem offenen Ende in das Arbeitsmittelreservoir (5) eintaucht, vorgesehen sind.
Verfahren zum Betreiben einer Klimamaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit den Verfahrensschritten – Erzeugen und/oder Einbringen von Gasblasen (8) in die Arbeitsflüssigkeit (7) mittels der Blasenerzeugungsstruktur (2) im Arbeitsmittelreservoir (5), – Benetzen der Wärmeübertragungsoberfläche (13) der Verdampferstruktur (10) mit von in der Arbeitsflüssigkeit (7) aufsteigenden Gasblasen (8) mitgerissener und in den Spritzbereich spritzender Arbeitsflüssigkeit (7), und – Kühlen einer die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) durchströmenden Kühlflüssigkeit durch Verdampfen der die Wärmeübertragungsoberfläche (13) benetzenden Arbeitsflüssigkeit (7).
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem nachfolgenden Verfahrensschritt die desorbierte Arbeitsflüssigkeit an der Verdampferstruktur (10) kondensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Gasblasen (8) weniger als 5 Prozent der Wärmeenergiemenge verwendet wird, die beim Kühlen der die Kühlflüssigkeitsdurchleitung (11) durchströmenden Kühlflüssigkeit der Kühlflüssigkeit entzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Erzeugen der Gasblasen (8) verwendete Energie mittels eines Leistungsregelungsmoduls der Blasenerzeugungsstruktur (2) diskontinuierlich zugeführt wird und/oder in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs des Adsorbers gesteuert und/oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Benetzen der Wärmeübertragungsoberfläche (13) der Verdampferstruktur (10) zusätzlich durch Aufsaugen der Arbeitsflüssigkeit aus dem Arbeitsmittelsumpf mittels kapillar aktiven Verteilstrukturen bewirkt wird.