DE3837872A1 - Sorptionskuehlsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sorptionskühlsystem aus einem Kühlbehälter und einem Adsorptionsbehälter.

Auf dem Gebiet der transportablen Getränkekühlung sind bisher nur Kühlgeräte nach dem Kompressionsprinzip im Einsatz. Diese Kompressorkühlgeräte bestehen im wesent­ lichen aus einem, meist hermetisch gedichteten Kom­ pressor, einem zwangsgekühlten Verflüssiger, einem Sam­ melbehälter für das flüssige Kältemittel, einem tempera­ turgeregelten Expansionsventil und einem Verdampfer. Die im Verdampfer erzeugte Kälte muß, da die Verdampferlei­ stung wesentlich kleiner ist als die während eines Zapf­ vorgangs notwendige Kälteleistung in einem Kältepuffer zwischengespeichert werden. Dadurch erreicht das Kompres­ sionsgerät eine längere Laufzeit als dies der Summe der einzelnen Zapfvorgänge entspricht. Heute übliche Kälte­ puffer haben entweder einen Wasserbehälter mit bis zu 20 l Inhalt oder einen großen Aluminiumblock. Dieser hat gegenüber dem Wasserbehälter den Vorteil, daß vor Inbe­ triebnahme des Gerätes kein Wasser eingefüllt werden muß und deshalb das Gerät bereits nach wenigen Minuten be­ triebsbereit ist. Der größte Nachteil des Aluminium­ blockes besteht jedoch darin, daß die Speicherkapazität relativ klein ist, so daß beim Zapfen von mehr als 0,5 l Flüssigkeit bereits die Kühlwirkung erschöpft ist. Der Wasserspeicher hat wiederum den Nachteil, daß nach Ein­ füllen des Wassers das Gerät längere Zeit in Betrieb sein muß, um die Wasserfüllung selbst abzukühlen. Darüber hin­ aus muß der Wasserbehälter mit einem zusätzlichen Rühr­ werk versehen sein, welches das Wasser um die Ver­ dampfer- und Kühlschlangen zum besseren Wärmeaustausch umpumpt. Dieses mechanische Rührwerk ist äußerst störan­ fällig und führt deshalb oft zum Ausfall des ganzen Kühl­ gerätes.

Derartige Kompressionskühlgeräte werden zum Kühlen von Getränken, z. B. Bier, Limonaden etc. in Festzelten oder bei Party′s eingesetzt. Ihre Verwendung beim Privatmann z. B. zur Kühlung eines geliehenen Bierfasses ist bisher nur beschränkt möglich, da durch die hohe Komplexität des Gerätes beim Anwender viel technischer Sachverstand vor­ ausgesetzt wird und sich für den Getränkeverleger das Kühlgerät aufgrund zu hoher Anschaffungs- bzw. Wartungs­ kosten nicht rentabel einsetzen läßt.

Unter Sorptionsapparaten versteht man Geräte, in denen ein flüssiges bzw. festes Sorptionsmittel ein zweites, höher siedenderes Mittel, das Arbeitsmittel unter Wärme­ freisetzung sorbiert. Bevor das Arbeitsmittel vom Sorp­ tionsmittel sorbiert wird, verdampft es unter Wärmeauf­ nahme in einem Kühlbehälter. Die Verdampfungstemperaturen liegen dabei, je nach Art des Arbeitsmittels bzw. Ein­ satzgebiet des Sorptionsmittels, im Bereich zwischen -40° und +40°C. Sorptionsapparate mit festen Adsorptionsmit­ teln, sog. Adsorptionsapparate arbeiten periodisch, d. h. einer Sorptionsphase folgt immer eine Desorptionphase, in der das Arbeitsmittel wieder vom Adsorptionsmittel ge­ trennt wird. Während der Desorptionsphase kann das Ar­ beitsmittel nicht sorbiert werden und deshalb auch nicht verdampfen. Im Kühlbehälter entsteht somit auch keine Kälte.

Aus der DE-OS 34 25 419 ist ein periodisch arbeitender Adsorptionskühlapparat bekannt, bei welchem während der Adsorptionsphase durch Teilverdampfung des Arbeitsmittels Wasser eine Eisbank aufgebaut wird. Der Apparat besteht dabei aus einem Adsorptionsbehälter, der mit dem Sorp­ tionsmittel Zeolith gefüllt ist, einem Kühlbehälter, der das Arbeitsmittel Wasser enthält und aus einer Absperr­ einrichtung mit Hilfe derer ein Dampfkanal zwischen dem Adsorptionsbehälter und dem Kühlbehälter absperrbar ist. Über die Behälterflächen des Kühlbehälters kann Kälte, beispielsweise zum Kühlen einer Kühltasche abgeführt werden, während über die Behälterwände des Adsorptions­ behälters Wärme abrufbar ist. Während der Desorptions­ phase wird durch Zufuhr von Desorptionswärme in den Ad­ sorptionsbehälter das Arbeitsmittel aus dem Sorptions­ mittel desorbiert und im Kühlbehälter unter Wärmeabgabe rückverflüssigt. Nach Abschluß dieses Desorptionsvor­ ganges wird die Absperreinrichtung geschlossen und der Adsorptionsbehälter gekühlt. In diesem Zustand ist der Adsorptionsapparat beliebig lange lagerfähig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sorptions­ kühlsystem aufzuzeigen, das sich durch eine einfache und kostengünstige Bauart auszeichnet und mit dessen Hilfe auch größere Flüssigkeitsmengen auf Temperaturen zwischen +4° und +10°C von einer beliebigen Anfangstemperatur unter geringem Regelaufwand gekühlt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Sorptionssystem obengenannter Art nach den Merkmalen des Patentan­ spruchs 1.

Die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Sorptionskühlsystemes auf.

Das erfindungsgemäße Sorptionskühlsystem besteht aus einer transportablen Kühleinheit und einer davon sepa­ rierbaren, stationären Ladestation. Mit einer einzigen Ladestation ist daher eine Vielzahl transportabler Kühleinheiten regenerierbar. Um die Kühleinheiten leicht transportabel zu halten, bestehen sie lediglich aus den technisch unbedingt notwendigen Teilen, nämlich einem Adsorptionsbehälter, gefüllt mit einem Adsorptionsmittel, einem Kühlbehälter, der das flüssige Arbeitsmittel und einen darin eingebetteten Wärmetauscher enthält, einem Arbeitsmitteldampfkanal, der den Adsorptionsbehälter mit dem Kühlbehälter verbindet und einer Absperreinrichtung, welche den Dampfkanal absperrbar macht.

Im geladenen Zustand ist das Arbeitsmittel vom Adsorp­ tionsmittel getrennt als Flüssigkeit im Kühlbehälter. Die Absperreinrichtung ist geschlossen, Adsorptions- und Ar­ beitsmittel befinden sich auf Umgebungstemperatur. In diesem geladenen Zustand kann die Kühleinheit an den Kunden, z. B. zusammen mit einem Bierfaß entliehen wer­ den. Der Kunde schließt die Getränkeleitungen an den Wärmetauscher an und öffnet die Absperreinrichtung. Das Arbeitsmittel kann nunmehr im Kühlbehälter verdampfen, über den Arbeitsmitteldampfkanal zum Adsorptionsmittel strömen und von diesem unter Wärmefreisetzung adsorbiert werden. Die Adsorptionswärme wird dabei über die Wände des Adsorptionsbehälters, beispielsweise an die Umge­ bungsluft abgeführt. Der Adsorptionsbehälter kann aber auch vorteilhaft mit einem Wasserbehälter gekoppelt sein, dessen Wasserinhalt die Adsorptionswärme aufnehmen kann. Durch die Verdampfung des Arbeitsmittels entsteht im Kühlbehälter Kälte, die das durch den Wärmetauscher fließende Medium, beispielsweise ein Getränk kühlt. Durch temperaturgeregeltes Öffnen und Schließen der Ab­ sperreinrichtung kann die Austrittstemperatur des Ge­ tränkes geregelt werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Adsorptions­ stoffpaares Zeolith/Wasser. Zeolith ist ein kristallines Mineral, das aus einer regelmäßigen Gerüststruktur aus Silizium- und Aluminiumoxiden besteht. Diese Gerüst­ struktur enthält kleine Hohlräume, in welchen Wassermole­ küle unter Wärmefreisetzung adsorbiert werden können. Innerhalb der Gerüststruktur sind die Wassermoleküle starken Feldkräften ausgesetzt, welche die Moleküle im Gitter verflüssigen und in einer flüssigkeitsähnlichen Phase binden. Die Stärke der auf die Wassermoleküle ein­ wirkenden Bindungskräfte ist abhängig von der bereits in der Gerüststruktur enthaltenen Wassermenge und der Tempe­ ratur des Zeolithen. Für den praktischen Gebrauch können pro 100 Gramm Zeolith bis zu 25 Gramm Wasser adsorbiert werden. Zeolithe sind feste Stoffe ohne störende Wärme­ ausdehung bei der Adsorptions- bzw. Desorptionsreaktion. Die Gerüststruktur ist von allen Seiten für die Wasser­ dampfmolekühle frei zugänglich. Die Kühleinheit ist des­ halb in jeder Lage einsatzfähig.

Die Verwendung von Wasser als Arbeitsmittel gestattet es, den erforderlichen Regelungsaufwand auf ein Minimum zu reduzieren. Beim Verdampfen von Wasser unter Vakuum kühlt sich die Wasseroberfläche auf 0°C ab und gefriert durch fortgesetzte Verdampfung zu Eis. Diese Eisschicht wächst, falls erwünscht, innerhalb kurzer Zeit durch den Kühlbe­ hälter bis der entstehende Druckabfall durch die Eis­ schicht das Wachstum stoppt. Diese Eisschicht kann vor­ teilhaft zur Regelung der Getränkeaustrittstemperatur benutzt werden. Bei geringer Zapfleistung wächst die Eis­ schicht, bei sehr großer Zapfleistung schmilzt sie ab. Die Temperatur der darunterliegenden Wassermenge hat +4°, da Wasser bei dieser Temperatur die größte Dichte hat. Da der Kühlbehälter so ausgelegt ist, daß der Wärmetauscher immer unterhalb der Eisschicht liegt, hat das gezapfte Getränk eine Austrittstemperatur von +4° bis +9°C, unab­ hängig von der Eintrittstemperatur. Damit kann durch Nutzung dieses Anomalieeffektes von Wasser, bei dem er­ findungsgemäßen Sorptionskühlsystem, die notwendige Regelungseinheit für die Absperreinrichtung entfallen.

Die Kühlkapazität der Kühleinheit ist durch die einge­ füllte Zeolithmenge sowie der am Ende der Zapfzeit erreichten Adsorptionsmitteltemperatur festgelegt. Diese Menge kann deshalb so ausgelegt werden, daß eine Kühlein­ heit zur Kühlung eines kompletten Getränkegebindes (Bier­ faß, Limonadencontainer usw.) ausreicht.

Nach Rückgabe der entladenen Kühleinheit wird diese mit dem Adsorptionsbehälter in eine Öffnung des Wärmeschran­ kes der Ladestation eingebracht und desorbiert. Bei die­ sem Ladevorgang wird das Adsorptionsmittel erwärmt und das Arbeitsmittel ausgedampft. Das dampfförmige Arbeits­ mittel wird in einem dafür geeigneten Wärmetauscher rück­ verflüssigt und in den Kühlbehälter zurückgeführt. Die Temperatur des Wärmeschrankes liegt am Ende der Ladephase zwischen 250° und 350°C. Sobald das Adsorptionsmittel aufgeheizt und das Arbeitsmittel desorbiert ist, wird die Absperreinrichtung geschlossen und die gesamte Kühlein­ heit von der Ladestation getrennt. Der Adsorptionsbe­ hälter kann nun abkühlen aber keinen Wasserdampf aus dem Kühlbehälter absaugen. Bis zur nächsten Verwendung kann die Kühleinheit bei Raumtemperatur gelagert werden.

Da die Ladestation beim jeweiligen Verleiher bleibt, stellt sie nur eine einmalige Anschaffung dar. Alle teuren und schweren Komponenten, wie etwa elektrische Heizung, Temperaturregelung, Isolation des Wärmeschrankes und Zusatzkomponenten wie Evakuiereinheit, Kühllüfter usw. können an der Ladestation montiert werden. Die transportable Kühleinheit wird deshalb leicht und preis­ wert. Sie braucht damit beim Kunden keinen eigenen Energieanschluß. Die Kühlleistung steht sofort zur Ver­ fügung. Zudem zeichnet sie sich durch eine hohe Kühlre­ serve aus, so daß auch ein längerdauernder Zapfbetrieb möglich ist. Nach Entnahme der Kühlleistung ist die Kühleinheit für den Kunden ohne separate Ladestation wertlos. Er gibt sie deshalb gegen Rückerstattung seines hinterlegten Pfandes bereitwillig an den Verleiher zurück.

Der weitere Wärmetauscher der Kühleinheit, über welchen die Kondensationswärme des Arbeitsmitteldampfes beim Laden in der Ladestation abgeführt wird, kann vorteilhaf­ terweise eine Behälterwand des Kühlbehälters sein. Die Ladestation kann dabei vorteilhafterweise mit einem Kühlventilator ausgerüstet sein, der Umgebungsluft auf die zur Kondensation bestimmten Behälterwand des Kühlbe­ hälters bläst.

Es ist aber auch möglich, auf diesen weiteren Wärmetau­ scher ganz zu verzichten und dafür den Wärmetauscher zu benutzen. Da dieser Wärmetauscher erfindungsgemäß vom flüssigen Arbeitsmittel umgeben ist, muß er zu diesem Zweck aus dem flüssigen Arbeitsmittel hervorragen. Man erreicht dies beispielsweise, indem der Kühlbehälter beim Einführen in den Wärmeschrank soweit gedreht wird, daß der Wärmetauscher zumindest teilweise aus der flüssigen Arbeitsmittelmenge ragt. Zur Kühlung kann Leitungswasser den Wärmetauscher durchströmen.

Von der Absperreinrichtung wird insbesondere beim Einsatz des Stoffpaares Zeolith/Wasser eine hohe Vakuumdichtig­ keit gefordert. Weiterhin sollte die Absperreinrichtung so ausgeführt sein, daß sie automatisch öffnet und den Arbeitsmitteldampf in den Kühlbehälter abströmen läßt, sobald der Dampfdruck im Adsorptionsbehälter höher ist als der Dampfdruck im Kühlbehälter. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß während der Desorptionsphase, falls die Absperreinrichtung aus Versehen geschlossen ist, im Adsorptionsbehälter kein Überdruck entstehen kann. Darüber hinaus kann die Kühleinheit zusätzlich mit einer Überdrucksicherung versehen werden.

Bei der Verwendung von Arbeitsmitteln mit Siedepunkten über Umgebungstemperatur, ist es von Vorteil, eine Ab­ saugvorrichtung vorzusehen, über welche mit Hilfe einer Vakuumanlage eingedrungene Luft bzw. Fremdgase abgesaugt werden können. Vorteilhafterweise kann diese Evakuier­ einrichtung mit der Überdrucksicherung kombiniert sein.

Im Kühlbehälter kann ein Tropfenabscheider angeordnet sein, der beim Verdampfungsvorgang entstehende Arbeits­ mitteltropfen zurückhält.

Der Adsorptionsbehälter wird vorteilhafterweise so gestaltet, daß über seine Behälterwände im Wärmeschrank Desorptionswärme zugeführt bzw. während der Adsorp­ tionsphase die Adsorptionswärme abgeführt werden kann. Besonders günstig eignen sich hierfür flache Behälter, die über den Arbeitsmitteldampfkanal miteinander in Verbindung stehen. Die Adsorptionsmittelmenge enthält zweckmäßigerweise Dampfkanäle, über welche das einströ­ mende Arbeitsmittel gleichmäßig verteilt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sorptionskühlsystems dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine transportable Kühleinheit,

Fig. 2 eine stationäre Ladestation und

Fig. 3 einen Kühlbehälter in geschnittener Darstellung.

Die perspektivisch in Fig. 1 dargestellte, transportable Kühleinheit besteht aus sechs flachen Adsorptionsbehäl­ tern 1, welche über einen Arbeitsmitteldampfkanal 2 untereinander und mit dem Kühlbehälter 3 verbunden sind. Der Arbeitsmitteldampfkanal 2 ist über eine Absperrein­ richtung 4 absperrbar. Im unteren Teil des Kühlbehälters 3 befindet sich der Zu- und Ablauf 5, 6 zum nicht darge­ stellten Wärmetauscher. Auf der Außenwand des Kühlbehäl­ ters 3 sind Kühlrippen 7 angeordnet, welche die Ober­ fläche vergrößern, um die Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebungsluft zu verbessern.

In Fig. 2 ist die stationäre Ladestation ebenfalls in perspektivischer Ansicht dargestellt. Ein Wärmeschrank 8 ist mit einer Öffnung 9 versehen, in welcher die Adsorp­ tionsbehälter 1 der Kühleinheit Platz finden. Für den Arbeitsmitteldampfkanal 2 ist an entsprechender Stelle im Wärmeschrank eine Ausnehmung 10 vorgesehen, welche es erlaubt, den Deckel 11 des Wärmeschrankes nach Ein­ schieben der Adsorptionsbehälter 1 zu schließen. In diesem Zustand befindet sich der Kühlbehälter 3 über zwei Kühlventilatoren 12, 13, welche Umgebungsluft auf die Kühlrippen 7 des Kühlbehälters pressen.

In Fig. 3 ist der Kühlbehälter 3 im Schnitt dargestellt. Im unteren Teil ist ein Wärmetauscher 14 mit Zu- bzw. Ablauf 5, 6, eingebettet in eine Wassermenge 15. Oberhalb der Wassermenge 15 befindet sich eine Eisschicht 16. Über der Eisschicht 16 ist ein Tropfenabscheider 17 angeord­ net. Im oberen Teil des Kühlbehälters mündet ein gebro­ chen dargestellter Arbeitsmitteldampfkanal 2. Die Absperreinrichtung 4 besteht aus einem metallischen Fal­ tenbalg 18 und einer Flachdichtung 19, welche im ge­ schlossenen Zustand auf die Mündung des Arbeitsmittel­ dampfkanals 2 aufliegt. An der Außenseite des Kühlbehäl­ ters 3 sind Kühlrippen 7 zur Vergrößerung der Oberfläche angebracht.

Claims (10)

1. Sorptionskühlsystem aus einer transportablen Kühl­ einheit mit
einem Adsorptionsbehälter (1), der ein Adsorptions­ mittel enthält;
einem Kühlbehälter (3), der ein flüssiges Arbeits­ mittel (15) und einen Wärmetauscher (14), der von flüssigem Arbeitsmittel (15) umgeben ist, enthält, einen Arbeitsmitteldampfkanal (2), der den Adsorp­ tionsbehälter (1) und den Kühlbehälter (3) mitein­ ander verbindet und eine Absperreinrichtung (4), welche den Arbeitsmitteldampfkanal (2) absperrbar macht,
sowie aus einer von der Kühleinheit separierbaren, stationären Ladestation mit einem temperaturgeregel­ ten Wärmeschrank, der eine Öffnung (9) zur Aufnahme des Adsorptionsmittelbehälters (1) enthält.

2. Sorptionskühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit einen weiteren Wärmetauscher enthält, über den beim Laden in der Ladestation die Verflüs­ sigungswärme des Arbeitsmittels (15) abgeführt wird.

3. Sorptionskühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlbehälter (3) einen Tropfenabscheider (17) enthält, der beim Verdampfungsvorgang aus dem flüs­ sigen Arbeitsmittel (15) mitgerissene Tropfen ab­ trennt.

4. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Arbeitsmittel im Kühlbehälter zumindest teilweise erstarrt ist.

5. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (14) im Kühlbehälter (3) so ange­ ordnet ist, daß er durch Drehen der Kühleinheit zumindest teil­ weise aus der flüssigen Arbeitsmittelmenge (15) herausragt und dadurch die Verflüssigungswärme des Arbeitsmittels abführen kann.

6. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinrichtung (4) so ausgeführt ist, daß sie selbsttätig öffnet, wenn der Arbeitsmitteldampfdruck im Adsorptionsbehälter (1) höher ist als im Kühlbe­ hälter (3).

7. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit eine Evakuiereinrichtung oder ein Überdruckventil enthält.

8. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestation mit einer Vorrichtung ausgerüstet ist, über welche die Verflüssigungswärme des Arbeits­ mittels (15) abgeführt werden kann.

9. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des Adsorptionsbehälters (1) als Wärme­ tauscher zur Wärmezu- bzw. Wärmeabfuhr ausgebildet sind.

10. Sorptionskühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel Wasser und das Adsorptionsmittel ein Zeolith ist.