DE19823621A1 - Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen - Google Patents
Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von KraftfahrzeugenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage zur Klimatisierung von Fahrzeugen. Die
Antriebsenergie der Klimaanlage wird hauptsächlich dem Abgas der Kolbenmotoren
entzogen. Der Klimaanlage kann ein Katalysator vorgeschaltet werden.
Als Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge werden heutzutage Kompressionskälteanlagen
angeboten. Diese werden durch mechanische Arbeit des Kolbenmotors angetrieben.
Dadurch führt der Einsatz von Kompressionskälteanlagen für die Klimatisierung von
Fahrzeuginnenräumen zu einem erheblichen Mehrverbrauch an Motorkraftstoff.
Die einzigen nennenswerten Exergieströme, die heutzutage bei Kraftfahrzeugen anfallen
und nicht weiter genutzt werden sind der Wärmestrom im Abgas und der Wärmestrom zur
Motorkühlung. Diese Wärmeströme können prinzipiell durch die Nutzung von thermisch
angetriebenen Wärmepumpen zur Klimatisierung genutzt werden. Dabei sind als mögliche
Konzepte im wesentlichen Absorptions- und Adsorptionsanlagen zu nennen.
Gegenstand des Patentes ist eine Adsorptionswärmepumpe die mit dem Wärmestrom
Abgas betrieben wird. Typischerweise werden Adsorptionswärmepumpen in
Mehrbehälterausführung verwendet. Bei diesen Mehrbehälterausführungen sind
Adsorber/Desorber, Verdampfer und Kondensator in unterschiedlichen Behältern
untergebracht, die mit Leitungen und geregelten Ventilen oder selbsttätigen
Rückschlagklappen arbeiten. Dieses führt zu sehr vielen Dichtstellen und erheblichen
Druckverlusten während des Prozesses. Ein weiteres Konzept ist, die Komponenten einer
Adsorptionsanlage in einem Behälter unterzubringen. Dieses Konzept ist ebenfalls bekannt,
es wird in der Anwendung zur Wohnraumbeheizung erforscht. Heutige Anlagen sind jedoch
erheblich zu groß und für den Kfz Bereich nicht geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Exergiestrom Abgas zu nutzen, um den
Fahrgastinnenraum zu klimatisieren. Diese Aufgabe wird durch eine kompakt aufgebaute,
variabel einsetzbare Adsorptionswärmepumpe mit dem Stoffsystem Zeolith-Wasser
realisiert.
Basierend auf dem Konzept der Einbehälter-Adsorptionsanlage ist die Erfindung eine
kompakte Adsorptionsanlage zur Kfz Klimatisierung. Sie wird im wesentlichen durch den
Wärmestrom des Abgases des Kolbenmotors angetrieben und führt deshalb beim Betrieb
nicht zu einem nennenswerten Mehrverbrauch an Motorkraftstoff. Sie ist so kompakt und
variabel, daß sie einfach in den Abgasweg eingeordnet werden kann. Sie ist modular
aufgebaut. Ein Modul besitzt nur zwei Wärmeaustauscherflächen. Ein Modul besteht nur
aus einem hermetisch dichten, evakuierten Behälter. In einem Modul wird auf
störungsanfällige bewegte Teile verzichtet. Die Hochtemperaturwärme wird direkt, ohne
Zwischenwärmeträger, dem Abgas entnommen. Die Niedertemperaturwärme kann direkt,
ohne Zwischenwärmeträger, der Fahrgastinnenluft entzogen werden. Die Anlage arbeitet
geräuscharm. Sie ist einfach regelbar. Das komplette Modul besteht nur aus ungiftigen
Bestandteilen, so daß eine Entsorgung gefahrlos und einfach möglich ist. Außerdem
besteht Unterdruck in der Behälterkammer des/der Moduls/e, so daß auch bei einem Unfall
keine Gefährdung von der Klimaanlage ausgeht. Es wird nicht auf den eigentlichen
Motorprozeß eingegriffen, so daß die Klimaanlage einfach an bestehende Fahrzeuge
angepaßt oder nachgerüstet werden kann. Durch den Einsatz unterschiedlich vieler Module
für unterschiedliche Kühlleistungen kann eine kostengünstige Fertigung erreicht werden.
Ein Ausführungsbeispiel eines Moduls ist in Fig. 1 dargestellt. Dieses Modul besteht im
wesentlichen aus einem hermetisch verschlossenen Behälter (1). Am unteren Teil des
Moduls verläuft ein Strömungskanal für Umgebungsluft und Raumluft (2), am oberen Teil
des Moduls ein Strömungskanal für Umgebungsluft und Abgas (3). Im unteren Teil von Fig. 1
ist ein Schnitt des Moduls dargestellt. Der Teil des Behälters (1), der mit dem
Strömungskanal für Abgas/Umgebungsluft (3) in Verbindung steht, ist mit Zeolith (4) bedeckt.
Nach der Fertigung des Moduls wird der Behälter (1) evakuiert und mit Wasser gefüllt. Dabei
beträgt das Gewicht des Wassers ca. 10% bis 60% des Gewichts des Zeolithes.
In einem Prozeßschritt 1 wird das heiße Abgas durch den Strömungskanal für
Abgas/Umgebungsluft (3) geführt. Während dieser Zeit wird Umgebungsluft durch den
Kanal für Umgebungsluft/Raumluft (2) geleitet. Durch Abkühlung des heißen Abgases wird
Wasser aus dem Zeolithen desorbiert. Dieses Wasser wird durch Wärmeabgabe an die
Umgebungsluft im Bereich des Kanals für Umgebungsluft/Raumluft (2) kondensiert.
Das Ende des Prozeßschrittes 1 ist erreicht, wenn der Zeolith nahezu vollständig desorbiert
und von Wasser befreit ist. Dann wird das Abgas umgeschaltet und am Modul
vorbeigelenkt. Der Prozeßschritt 2 beginnt. Umgebungsluft wird durch den Strömungskanal
Abgas/Umgebungsluft (3) geführt. Die abzukühlende Luft für den Fahrzeuginnenraum wird
durch den Kanal für Umgebungsluft/Raumluft (2) geleitet. Durch Aufwärmen der
Umgebungsluft wird der Zeolith unter den Gleichgewichtszustand abgekühlt und beginnt
wieder, Wasser zu adsorbieren. Dadurch sinkt der Druck in dem Behälter und das am
Behälterboden kondensierte Wasser wird durch Abkühlung der Raumluft verdampft. Dies
geschieht so lange, bis das Wasser vollständig verdampft ist.
Dann wird das Abgas wieder umgeschaltet und der Prozeßschritt 1 kann erneut beginnen.
Das Abgas heizt den Zeolithen (4) oberhalb des Gleichgewichtszustandes auf und erneut
wird Wasser desorbiert.
Zur Verbesserung und Vergleichmäßigung der Wärmeauskopplung aus der Luft für den
Fahrzeuginnenraum werden vorzugsweise mehrere Einzelmodule zu einer Klimaanlage
zusammengeschaltet. In Fig. 2 ist eine solche Anordnung für zwei Module (13) dargestellt.
Zweckmäßigerweise wird die Einheit nach dem Katalysator (8) angeordnet. Eine
Schalteinheit (9) stellt gleichzeitig den Abgasstrom (5) den Raumluftstrom (6) und den
Umgebungsluftstrom (7) um. Es ist weiterhin gut möglich, noch mehr Module
zusammenzuschalten. Dadurch kann einerseits die im Abgasstrom enthaltende Exergie
besser genutzt werden, andererseits kann die Wärmeauskopplung aus der Luft für den zu
klimatisierenden Innenraum deutlich vergleichmäßigt werden.
Wesentlich bei der Konzeption der Anlage ist, daß die Hochtemperaturwärme, die
Antriebswärme des Prozesses direkt dem Abgas entzogen werden kann. Auch für den zu
klimatisierenden Luftstrom kann auf einen Zwischenwärmeübertrager verzichtet werden.
Hier kann zur Vergleichmäßigung der auszukoppelnden Wärmemenge allerdings ein
Zwischenwärmeübertrager eingesetzt werden. Die Abwärme bei der Kondensation und bei
der Adsorption auf mittlerem Temperaturniveau wird direkt der Umgebung zugeführt. Durch
das Fehlen von Zwischenwärmeübertragern werden die Irreversibilitäten des Prozesses
minimiert.
Zur Realisierung einer Klimaanlage für den Kfz-Bereich ist es notwendig, die
wärmeübertragende Fläche kompakt zu gestalten. Dies ist hierbei besonders wichtig bei der
mit Zeolith bedeckten Fläche. Eine Möglichkeit dies zu tun ist in Fig. 1 angedeutet. Hierbei
ist die mit Zeolith bedeckte wärmeübertragende Wand (10) in viele Falten geformt. Dies
erhöht die angebotene Fläche, ohne den Bauraum deutlich zu vergrößern. Außerdem kann
hierdurch der Wärmeübergang vom Abgas an die Behälterwand verbessert werden. Es sind
hier auch andere Lösungen denkbar, wie z. B. eine berippte Fläche. Eine weitere
Möglichkeit ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei strömt das Abgas nicht mehr durch einen Kanal,
sondern durch mehrere Einzelrohre (11). Diese Rohre sind mit Zeolith (4) beschichtet. Diese
Rohren können als Rippenrohre ausgeführt werden. Auch ist die Lage der zeolithbedeckten
Fläche innerhalb der Anlage variabel. Dies ist beispielhaft in Fig. 4 angedeutet. Auch die
Fläche, auf der das kondensierte Wasser gespeichert ist, kann in berippter Form ausgeführt
werden. Diese Rippen können so ausgeführt werden, daß bei einer leichten Schräglage des
Fahrzeugs das flüssige Wasser nicht in einer Ecke des Behälters zusammenläuft. Die Lage
dieser Fläche auf der das flüssige Wasser kondensiert und bis zur Verdampfung
gespeichert wird, ist vorzugsweise im unteren Teil des Behälters angeordnet. Zur
Verbesserung des inneren Prozesses des Moduls sollte der Strahlungswärmeaustausch
zwischen Verdampfer/Kondensator und Desorber/Adsorber minimiert werden. Dies kann
durch ein einfaches Stahlungsschutzblech (12) realisiert werden.
Claims (12)
1. Eine Klimaanlage für mit Kolbenmotoren angetriebene Fahrzeuge, die hauptsächlich mit
der Hochtemperaturwärme des Abgases angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Adsorptionswärmepumpe benutzt wird, bei denen
Adsorber/Desorber und Kondensator/Verdampfer in einem Behälter untergebracht sind
und die ohne geregelte Ventile und Rückschlagklappen auskommt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stoffsystem Zeolith-Wasser verwendet wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Strömungskanäle gibt, die abwechselnd mit
Abgas und Umgebungsluft oder mit Umgebungsluft und zu klimatisierender Luft
beaufschlagt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber/Desorber mit Zeolith bedeckt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Desorber direkt ohne einen zwischengeschalteten
Wärmeübertrager vom Abgas beheizt werden kann.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer direkt ohne einen zwischengeschalteten
Wärmeübertrager mit dem zu kühlenden Luftstrom in Wärmeaustausch steht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer mit einen zwischengeschalteten
Wärmeübertrager mit dem zu kühlenden Luftstrom in Wärmeaustausch steht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator und der Adsorber direkt ohne einen
zwischengeschalteten Wärmeübertrager mit der Umgebungsluft in Wärmeaustausch
steht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Anlage bestehend aus mehreren Modulen realisiert
werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß in die Anlage Strahlungsschutz integriert werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Schalteinheit die wärmeaustauschenden
Fluidströme gleichzeitig umgeschaltet werden können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Verdampfers/Kondensators mit
Rippen versehen ist, so daß auch bei einer leichten Schräglage der Anlage das
kondensierte Wasser nicht in einer Ecke des/der Moduls/e zusammen läuft.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19823621A DE19823621A1 (de) | 1998-05-27 | 1998-05-27 | Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen |
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Publications (1)
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|---|---|
| DE19823621A1 true DE19823621A1 (de) | 1999-12-02 |
Family
ID=7869031
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| DE19823621A Withdrawn DE19823621A1 (de) | 1998-05-27 | 1998-05-27 | Klimaanlage für den Betrieb mit Abgasen von Kolbenmotoren, insbesondere für die Klimatisierung von Kraftfahrzeugen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE19823621A1 (de) |
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