DE4413032C1 - Sorptionsklimaanlage und Verfahren zum Betreiben einer solchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sorptionsklimaanlage mit wenigstens zwei wechselweise in einer Desorptionsphase und einer Adsorptionsphase betreibbaren Sorptionsreaktoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen.

Aus der DE 41 21 131 A1 ist eine Anlage bekannt, bei der die Kondensation des aus dem in der Desorptionsphase befindlichen Sorptionsreaktor ausgetriebenen Dampfes durch Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft erfolgt. Derartige Anlagen mit Luftkühlung beanspruchen ein relativ großes Bauvolumen. Die an die Umgebung abgegebene Wärme ist darüberhinaus verloren und kann nicht mehr als Abwärme genutzt oder im Rahmen einer Rezirkulation dem inneren Prozeß der Anlage zugeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sorptionsklimaanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen mit besonders effektiv arbeitenden Verdampfer- bzw. Kondensator-Einheiten bereitzustellen, mittels denen außerdem ein zumindestens teilweise Nutzung der Kondensationswärme ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bezüglich der Vorrichtung und durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 hinsichtlich des Verfahrens gelöst.

Gemäß der Erfindung ist jedem Sorptionsreaktor ein wahlweise aufgrund des jeweiligen Temperatur- und Druckniveaus entweder als Verdampfer oder als Kondensator fungierender Sprühbehälter zugeordnet. Beide Sprühbehälter bilden einen Teil eines geschlossenen Kreislaufs und sind ausgangsseitig an je einen Ausgleichsbehälter angeschlossen. Die Ausgleichsbehälter sind ihrerseits ausgangsseitig mit je einem Wärmetauscher und untereinander durch eine absperrbare Verbindungsleitung verbunden. Die absperrbare Verbindungsleitung zwischen den Ausgleichsbehältern schafft die Voraussetzung dafür, daß während einer Adsorptions- bzw. Desorptionsphase des einen oder anderen Sorptionsreaktors zwei vollständig voneinander getrennte Flüssigkeitskreisläufe betreibbar sind, von denen der Sprühbehälter auf der Seite des desorbierenden Sorptionsreaktors als Sprühkondensierer und der Sprühbehälter auf der Seite des adsorbierenden Sorptionsreaktors als Sprühverdampfer verwendet wird. Durch das Versprühen der Flüssigkeit im Sprühkondensator bzw. Sprühverdampfer ist ein äußerst effektiver Wärmeübergang zwischen Dampf und Flüssigkeit möglich. Zum anderen schafft die in dem Ausgleichsbehälter auf der desorbierten Seite gespeicherte Wärme die Möglichkeit, nach Abschluß einer Adsorptions- bzw. Desorptionsphase vor einer Umkehr des Prozesses und Verlagerung der jeweiligen Funktion auf den anderen Sorptionsreaktor in einer Wärme- und Druckaustauschphase einen Teil dieser Energie auf die jeweils andere Seite übergehen zu lassen. Dadurch kann der in der ersten Verfahrensstufe adsorbierende Sorptionsreaktor zur Vorbereitung auf die nun folgende Desorptionsphase mittels der im Ausgleichsbehälter vorhandenen Wärmemenge und aufgrund der in den Sorptionsreaktoren vorhandenen Druckunterschiede effektiv vorgeheizt werden, wodurch sich insgesamt der Einsatz an Primärenergie für den Betrieb der Anlage bedeutsam reduziert. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Sorptionsklimaanlage erhält man dadurch, daß jeder Sprühbehälter ausgangsseitig an zwei mittels darin angeordneter Ventile absperrbare Leitungen angeschlossen ist, von denen je eine mit einem der Ausgleichsbehälter verbunden ist. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei einem Wechsel in der Funktion der Sorptionsreaktoren von Adsorption zu Desorption jeweils derselbe Ausgleichsbehälter der "warmen Kreislaufseite" zugeordnet ist, d. h. daß er jeweils das Kondensat vom Sprühkondensator aufnimmt, wo hingegen der andere Ausgleichsbehälter immer der "Kaltseite" des Kreislaufes zugeordnet ist und die im Sprühverdampfer abgekühlte Flüssigkeit sammelt. Durch diese Beibehaltung von kaltem bzw. warmen Ausgleichsbehälter können die den Ausgleichsbehältern zugeordneten Wärmetauscher unabhängig davon, welcher Sorptionsreaktor in welcher Phase betrieben wird immer für den gleichen Zweck, d. h. entweder zum Kühlen oder zum Heizen, verwendet werden.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn von jedem der beiden Wärmetauscher je eine mittels eines Ventils absperrbare Zuleitung zu jedem der beiden Sprühbehälter führt. Auch diese Anschlußmöglichkeiten dienen dazu, unabhängig davon, welcher der beiden Sorptionsreaktoren in welcher Phase betrieben wird, eine eindeutige Trennung der Kreisläufe in einen warmen und einen kalten Kreislauf beizubehalten. Das bedeutet, daß der Sammelbehälter auf der warmen Seite, dem das Kondensat aus dem Sprühkondensator zufließt, auch wieder zur Speisung desselben Sprühkreislaufes herangezogen wird. Umgekehrt wird der Sprühverdampfer aus demselben Sammelbehälter mit Flüssigkeit gespeist, in den die durch das Verdampfen abgekühlte Flüssigkeit eingespeist wurde.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist je zwei Zuleitungen zu den Sprühbehältern eine gemeinsame Fördereinrichtung, vorzugsweise in Form einer Pumpe, zugeordnet. Dadurch läßt sich der Aufwand bei den relativ kostspieligen Pumpen zugunsten eines geringen Mehraufwandes bei den relativ kostengünstigen Ventilen reduzieren.

Ein besonders einfach funktionierender selbsttätig ablaufender Flüssigkeits- und Druckausgleich in den beiden Ausgleichsbehältern erfolgt dann, wenn beide Ausgleichsbehälter auf gleicher Höhe angeordnet sind. Dadurch wird gewährleistet, daß der Flüssigkeitsspiegel zu jedem Start einer neuen Desorptions- bzw. Adsorptionsphase nach Beendigung der Ausgleichsphase auf dem gleichen Niveau liegt. Für den Flüssigkeitsausgleich bedarf es dabei keiner Fremdenergiezufuhr, sondern es genügt dazu der Drucküberschuß in dem Sorptionsreaktor, der gerade die Desorptionsphase beendet hat.

Für einen vollautomatischen Betrieb einer erfindungsgemäßen Sorptionsklimaanlage ist es vorteilhaft, daß alle Pumpen und Absperrventile von einer gemeinsamen Steuereinrichtung aus betätigbar sind. Es ist jedoch auch möglich, zumindestens einen Teil der Ventile bzw. der Pumpen in Abhängigkeit von den in den verschiedenen Leitungen anstehenden Temperaturen bzw. Drücken selbsttätig zu steuern.

Eine besonders umweltfreundliche und effektive Sorptionsklimaanlage der vorstehenden Art ist mit Wasser als Sorptionsmittel und Zeolith als Sorbens in den Sorptionsreaktoren erreichbar.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Sprühverdampfer bzw. -Kondensatoren führt zu einer starken Verminderung des Bauvolumens bei einer vorgegebenen Leistung, so daß sich die Anlage besonders zur Kühlung und/oder Beheizung eines Fahrzeuginnenraumes eignet.

Ein zum Betreiben der vorstehend beschriebenen Sorptionsklimaanlage besonders geeignetes Verfahren ist im Patentanspruch 9 in den einzelnen Verfahrensschritten beschrieben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1-6 eine schematische Darstellung einer Sorptionsklimaanlage in mehreren unterschiedlichen Betriebsphasen.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Sorptionsklimaanlage besteht aus drei verschiedenen geschlossenen Kreislaufsystemen, die nachfolgend zunächst einzeln und anschließend in ihrem Zusammenwirken beschrieben werden.

Ein erstes inneres Kreislaufsystem besteht aus einem in der Mitte der Fig. 1 erkennbaren Dampferzeuger E₄, der nur schematisch angedeutet ist. Dem Dampferzeuger E₄ wird Fremdenergie Q₁ in Form von heißen Abgasen eines Brenners und/oder eines Verbrennungsmotors zugeführt. Die Wärmeenergie Q₁ wird auf die beiden im Inneren des Dampferzeugers E₄ angeordneten, zueinander in wärmeleitender Verbindung stehenden Dampfkanäle 1 bzw. 2 übertragen. Die Dampfkanäle 1 bzw. 2 gehören zu einem linken bzw. einem rechten bezüglich des Flüssigkeitsüberganges vollständig voneinander getrennten Zweig des inneren Kreislaufsystems. Beide Zweige des inneren Kreislaufes stehen über eine Rohrleitung 3 bzw. 4 mit je einem Sorptionsreaktor E₅ bzw. E₆ in wärmeleitender Verbindung. Im Vorlaufzweig zwischen Dampferzeuger E₄ und erstem Sorptionsreaktor E₅ ist ein Wasserabscheider W₁ angeordnet, dessen flüssigkeitsabscheidende Leitung mit einer Kondensatrücklaufleitung, die vom unteren Teil der Leitung 3 gebildet wird, verbunden ist. In diesem Teil der Leitung 3 ist vor dem Eintritt in den Dampferzeuger E₄ ein Ventil V₆ angeordnet, mittels dem die Zufuhr von Kondensat zum Dampferzeuger E₄ absperrbar ist.

Analog zum linken Zweig weist der rechte Zweig des inneren Kreislaufs in einer Vorlaufleitung zwischen dem Dampferzeuger E₄ und einem zweiten Sorptionsreaktor E₆ einen Wasserabscheider W₂ auf. Dieser sorgt dafür, daß vom Dampfkanal 2 des Dampferzeugers E₄ ausgehender Dampf nur in dampfförmiger Form in den oberen Teil einer Leitung 4 zum zweiten Sorptionsreaktor E₆ gelangen kann, während etwaige Flüssigkeitspartikel durch eine flüssigkeitsabscheidende Leitung des Wasserabscheiders W₂ unmittelbar in den unteren Teil der Leitung 4, der als Kondensatrücklaufleitung fungiert, zurückgeführt wird. In diesem unteren Teil ist vor dem Eintritt in den Dampferzeuger E₄ ein Ventil V₇ angeordnet, mittels dem die Zufuhr von Kondensat zum Dampferzeuger E₄ absperrbar ist.

Der erste Sorptionsreaktor E₅ setzt sich aus einem Zeolithblock Z₅ und einem als Verdampfer bzw. als Kondensator fungierenden Sprühbehälter S₅ zusammen. Der Zeolithblock Z₅ wird außer der bereits erwähnten, zum inneren Dampfkreislauf gehörenden Leitung 3 von einer weiteren Leitung 5 zum Zweck eines indirekten Wärmetausches durchdrungen, die zu einem geschlossenen Abwärmekreislauf gehört. In diesem Abwärmekreislauf ist oberhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ in der Leitung 5 ein Ventil V₃ angeordnet. Stromab dieses Ventils V₃ mündet in die Leitung 5 eine Leitung 12 ein, in der ein weiteres Ventil V₁ angeordnet ist. Nach der Einmündungsstelle der Leitung 12 ist in der Leitung 5 eine erste Pumpe P₁ angeordnet. Stromab dieser Pumpe P₁, d. h. in Förderrichtung derselben mündet in die Leitung 5 eine Leitung 13 ein, die mittels eines Ventils V₂ absperrbar ist. Ab der Einmündungsstelle der Leitung 13 setzt sich die Leitung 5 als Leitung 6 fort, in welcher vor ihrem Eintritt in den zweiten Sorptionsreaktor S₆ ein Ventil V₄ angeordnet ist. Die Leitung 6 steht in wärmeleitender Verbindung mit einem Zeolithblock Z₆ des zweiten Sorptionsreaktors E₆. Der zweite Sorptionsreaktor E₆ weist außer dem Zeolithblock Z₆ einen als Verdampfer bzw. als Kondensator fungierenden Sprühbehälter S₆ auf. Nach Austreten aus dem zweiten Sorptionsreaktor E₆ ist in die Leitung 6 ein Rückschlagventil 7 eingesetzt. In die Leitung 6 mündet ein unterer Zweig der Leitung 5 ein, in die unterhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ ein Ventil V₅ eingesetzt ist. Das Ventil V₅ wird ferner durch eine Bypassleitung 8 umgangen, in welche ein nur nach unten hin durchströmbares Rückschlagventil 9 eingesetzt ist. Die Leitung 5 und die Leitung 6 vereinigen sich unterhalb des ersten Sorptionsreaktors E₅ zu einer Leitung 10, die im oberen Teil mit einem Ausgleichsbehälter E₁ verbunden ist und anschließend einen Abwärmetauscher 11 durchströmt. An dem mittels eines schematisch angedeuteten Gebläse beaufschlagbaren Abwärmetauscher 11 ist eine Wärmemenge Q₂ abführbar. Nach Austritt aus dem Abwärmetauscher 11 spaltet sich die Leitung 10 in die bereits erwähnten parallelen Leitungen 12 bzw. 13 auf, von denen erstere stromauf der Pumpe P₁ und zweitere stromab der Pumpe P₁ in die Leitung 5 einmündet.

Der als Sprühverdampfer bzw. -Kondensator fungierende Sprühbehälter S₅ des ersten Sorptionsreaktors E₅ kann wahlweise durch eine Leitung 14, die mittels eines Ventils V₈ absperrbar ist oder durch eine Leitung 25, die mittels eines Ventils V₉ absperrbar ist, gespeist werden. Die aus der Leitung 14 bzw. 25 in den Sprühbehälter S₅ einströmende Flüssigkeit wird in Form eines Sprühkegels darin versprüht und steht in direktem stofflichen Wärmetausch mit dem Zeolithblock Z₅. Wird dieser durch Wärmezufuhr desorbiert, so wird der aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebene Wasserdampf mittels der kühleren Flüssigkeit des Sprühkegels verflüssigt und die dabei freiwerdende Wärme mit der Flüssigkeit nach unten abgeführt. In einer Adsorptionsphase des ersten Sorptionsreaktors E₅ wird dagegen aus dem Sprühkegel Wasser verdampft und im Zeolithblock Z₅ angelagert, wobei der versprühten Flüssigkeit Wärme entzogen wird. Im unteren Teil des Sprühbehälters S₅ wird die Flüssigkeit gesammelt und wahlweise über eine Leitung 15 mit einem darin angeordneten Absperrventil V₁₀ zu einem Ausgleichsbehälter E₂ oder über eine Leitung 23 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₀ zu einem Ausgleichsbehälter E₃ geführt. An den Ausgleichsbehälter E₂ schließt sich nach unten eine Leitung 16 an, die mit einem Wärmetauscher 17 in Verbindung steht, der mittels eines nur schematisch angedeuteten Gebläses beaufschlagbar ist und zur Abfuhr von Wärme Q₃ aus diesem Teil des Kreislaufes dient. Die abgeführte Wärmemenge Q₃ kann beispielsweise zu Heizzwecken verwendet werden. Stromab des Wärmetauschers 17 schließt sich eine Pumpe P₂ an, die den Flüssigkeitstransport durch die Leitungen 14, 15 und 16 aufrecht erhält.

Spiegelbildlich zu diesem Kreislauf mündet in den als Sprühverdampfer bzw. -Kondensator fungierenden Sprühbehälter S₆ des zweiten Sorptionsreaktors E₆ eine Leitung 18 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₂ oder wahlweise dazu eine Leitung 26 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₃ ein. Der im Sprühbehälter S₆ versprühte Flüssigkeitskegel dient wie vorstehend beschrieben beim ersten Sorptionsreaktor S₅ wiederum je nachdem, ob der zweite Sorptionsreaktor E₆ in einer Desorptionsphase oder einer Adsorptionsphase betrieben wird, zur Aufnahme von Wasserdampf aus dem oder zur Abgabe von Wasserdampf an den Zeolithblock Z₆. Von einem Sammelteil im unteren Teil des Sprühbehälters S₆ wird die Flüssigkeit wahlweise entsprechend der Ventilstellung über eine Leitung 19 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₄ dem Ausgleichsbehälter E₃ oder über eine Leitung 24 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₅ dem Ausgleichsbehälter E₂ zugeleitet. Aus dem Ausgleichsbehälter E₃ führt eine Leitung 20 zu einem Wärmetauscher 21, der mittels eines schematisch angeordneten Gebläses beaufschlagbar ist und der zur Abfuhr einer Wärmemenge Q₄ aus einem Innenraum eines nicht gezeigten Fahrzeuges dient. Eine stromab des Wärmetauschers 21 angeordnete Pumpe P₃ dient zur Aufrechterhaltung des Flüssigkeitskreislaufes in den Leitungen 18, 19 und 20.

Während der linke Teil des äußeren Kreislaufes mit den Leitungen 14, 15 und 16 und dem Wärmetauscher 17 zur Abfuhr von Wärme Q₃ respektive Bereitstellung einer Heizleistung dient, dient der rechte Teil des äußeren Kreislaufes mit den Leitungen 18, 19 und 20 sowie dem Wärmetauscher 21 der Zufuhr von Wärme Q₄ an den Kreislauf respektive der Bereitstellung von Kälteleistung für einen Fahrzeuginnenraum. Die Ausgleichsbehälter E₂ bzw. E₃ sind ferner durch eine Verbindungsleitung 22 mit einem darin angeordneten Ventil V₁₆ verbunden. Eine weitere Leitung 18A verbindet die Leitungen 18 und 20 unter Umgehung des Sprühbehälters S₆ auf kurzem Wege miteinander. In diese Leitung 18A ist ein Ventil V₁₇ zur Absperrung derselben eingesetzt.

Die folgenden Darstellungen gemäß Fig. 2-6 unterscheiden sich von der Darstellung in Fig. 1 nur durch unterschiedliche Kreisläufe, die durch verschiedene Ventilstellungen sowie den Betrieb oder Nichtbetrieb von Pumpen und Wärmetauschern erzeugt werden. Sie werden anschließend im Zusammenhang mit den verschiedenen Betriebsphasen erläutert.

Der in den Fig. 1-6 nur schematisch dargestellter Dampferzeuger E₄ besteht im wesentlichen aus einem wärmeerzeugenden Teil. Als wärmeerzeugender Teil wird vorzugsweise ein im wesentlichen von Fahrzeugzusatzheizgeräten bekannter Brenner vorgesehen.

Um im Dampferzeuger E₄ zusätzlich oder optional zu den von einem Brenner erzeugten Brenngasen auch Energie aus den Abgasen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine nutzen zu können, ist am Dampferzeuger E₄ vorzugsweise ein weiterer Anschlußstutzen vorgesehen, der mit einer abgasführenden Leitung der nicht gezeigten Brennkraftmaschine über einen weiteren Dampfkreislauf in Verbindung steht. Bei stehender Brennkraftmaschine wird dann die für eine Klimatisierung erforderliche Energie ausschließlich vom Brenner erzeugt, bei laufender Brennkraftmaschine und genügender Abwärmeleistung des Motors kann der Brenner in seiner Leistung gedrosselt oder gar ganz abgeschaltet werden.

Nachfolgend werden nun die verschiedenen Betriebsphasen der Sorptionsklimaanlage anhand der Fig. 1-6 erläutert.

In Fig. 1 wird der Sorptionsreaktor E₅ desorbiert und der zweite Sorptionsreaktor E₆ adsorbiert. Hierzu wird dem Dampferzeuger E₄ im inneren Kreislauf Wärmeenergie Q₁ zugeführt. Der Dampfkanal 1 wird infolge des geöffneten Ventils V₆ durchströmt, wo hingegen der Dampfkanal 2 infolge des geschlossenen Ventils V₇ nicht durchströmt wird. Der im Dampfkanal 1 erzeugte Dampf wird über den Wasserabscheider W₁ in die Leitung 3 eingeleitet und beheizt durch intensiven indirekten Wärmetausch den Zeolithblock Z₅ des ersten Sorptionsreaktors E₅. Dabei gibt der Dampf Wärme ab und kondensiert. Das Kondensat wird über den unteren Teil der Leitung 3 und das Ventil V₆ wieder dem Dampfkanal 1 zugeführt.

Der den Zeolithblock Z₅ durchdringende Abschnitt des Abwärmekreislaufes in Form der Leitung 5 ist hierbei nicht aktiv, da die Ventile V₃ und V₅ geschlossen sind. Die zwischen beiden Ventilen V₃ bzw. V₅ eingeschlossene Flüssigkeit wird jedoch miterwärmt und kann bei Ausdehnung über das Rückschlagventil 9 und die Bypassleitung 8 entweichen. Der durch die Erwärmung aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebene Wasserdampf wird im als Sprühkondensator fungierenden Sprühbehälter S₅ von der darin versprühten kälteren Flüssigkeit kondensiert und nach unten abgeführt. Die Zufuhr der Sprühflüssigkeit erfolgt ausgehend von der Pumpe P₂ über die Leitung 14 und das geöffnete Ventil V₈. Das Ventil V₉ in der Leitung 25 ist geschlossen. Die Abfuhr der Sprühflüssigkeit mit dem kondensierten Dampf aus dem Zeolithblock Z₅ wird nach unten über die Leitung 15 mit dem geöffneten Ventil V₁₀ zum Ausgleichsbehälter E₂ vorgenommen. Die an diesen angeschlossenen Leitungen 24 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₅ bzw. V₁₆ abgesperrt. Aus dem Ausgleichsbehälter E₂ wird die Flüssigkeit über die Leitung 16 zum Wärmetauscher 17 geführt, an dem die Flüssigkeit Wärmeenergie Q₃ abgibt. Die abgekühlte Flüssigkeit wird über die Pumpe P₂ und die Leitung 14 erneut in den Sprühkondensator S₅ eingepumpt.

Gleichzeitig wird der im rechten Teil der Fig. 2 angeordnete zweite Sorptionsreaktor E₆ adsorbiert. Hierzu wird Flüssigkeit von einer Pumpe P₃ über eine Leitung 18 und das geöffnete Ventil V₁₂ in den als Sprühverdampfer fungierenden Sprühbehälter S₆ eingesprüht. Das Ventil V₁₃ der Leitung 26 ist dabei geschlossen. Aus der versprühten Flüssigkeit im Sprühbehälter S₆ wird unter Wärmeentzug Wasserdampf entnommen und im Zeolithblock Z₆ angelagert. Die dabei im Zeolithblock Z₆ freiwerdende Wärmeenergie wird über den Abwärmekreislauf wegbefördert. Hierzu fördert die Pumpe P₁ über das geöffnete Ventil V₄, die Leitung 6, das Rückschlagventil 7 und die Leitung 10 Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 11. In diesem wird der Flüssigkeit Wärmeenergie Q₂ entzogen. Über das geöffnete Ventil V₁ und die Leitung 12 wird anschließend die abgekühlte Flüssigkeit von der Pumpe P₁ angesaugt und erneut zum Zeolithblock Z₆ gefördert. Das Ventil V₂ in der Leitung 13 ist während dieser Phase geschlossen.

Die durch das Verdampfen von Wasser im Sprühbehälter S₆ abgekühlte Flüssigkeit wird über das geöffnete Ventil V₁₄ und die Leitung 19 zum Ausgleichsbehälter E₃ geleitet. Die daran angeschlossene Leitung 23 ist durch das geschlossene Ventil V₁₁ gesperrt. Die Leitung 22 ist durch das geschlossene Ventil V₁₆ gesperrt. Die abgekühlte Flüssigkeit wird aus dem Ausgleichsbehälter E₃ über die Leitung 20 zum Wärmetauscher 21 geführt. An diesem wird Umluft aus einem nicht dargestellten Fahrzeuginnenraum in Wärmetausch mit der abgekühlten Flüssigkeit gebracht, wobei der Luft Wärmeenergie Q₄ entzogen wird. Die dadurch um etwa 5-10° erwärmte Flüssigkeit wird mittels der Pumpe P₃ erneut zum Sprühbehälter S₆ gepumpt. Während dieser Phase wird an den Wärmetauschern 17 und 11 Wärmeenergie Q₃ bzw. Q₂ bereitgestellt und am Wärmetauscher 21 Kälteleistung bereitgestellt. Der Prozeß in dieser ersten Phase läuft solange, bis der Zeolithblock Z₅ vollständig desorbiert und der Zeolithblock Z₆ vollständig adsorbiert ist.

In der daran anschließenden zweiten Phase (Fig. 2) sind die beiden einen Kondensatfluß zum Dampferzeuger E₄ ermöglichenden Ventile V₆ bzw. V₇ geschlossen. Der Dampferzeuger E₄ erzeugt somit weder im ersten Dampfkanal 1 noch im zweiten Dampfkanal 2 Wärmeenergie. Im Abwärmekreislauf sind die Ventile V₃, V₄ und V₅ geöffnet und die Ventile V₁ und V₂ geschlossen. Die Pumpe P₁ bewegt daher die Flüssigkeit durch die Leitungen 5 und 6 in einem kleinen Kreislauf durch den ersten Zeolithblock Z₅ und den zweiten Zeolithblock Z₆. Dabei wird die in der Phase 1 zum Desorbieren des Zeolithblocks Z₅ eingebrachte Wärme teilweise wieder genutzt um den in Phase 1 adsorbierten Zeolithblock Z₆ aufzuheizen. Als weitere Maßnahme, um die Temperatur des ersten Zeolithblocks Z₅ abzusenken und die des zweiten Zeolithblocks Z₆ in Vorbereitung auf dessen in der dritten Phase folgende Desorption zu erhöhen, ist ein innerer Druckausgleich zwischen den beiden Zeolithblöcken Z₅ bzw. Z₆. Hierzu wird das Ventil V₁₆ zwischen den beiden Ausgleichsbehältern E₂ und E₃ geöffnet, wodurch sich einerseits die unterschiedlichen Wasserstände in den Behältern ausgleichen, andererseits aber auch die unterschiedlichen Drücke in den beiden Zeolithblöcken Z₅ bzw. Z₆ ausgeglichen werden. Dieser Druckausgleich wird dadurch ermöglicht, daß das Ventil V₁₀ in der Leitung 15 und das Ventil V₁₄ in der Leitung 19 geöffnet sind. Die Ventile V₈, V₉, V₁₂, V₁₃, V₁₁, V₁₅ sind hierbei geschlossen. Durch den Druckausgleich sinkt die Temperatur im ersten Zeolithblock Z₅ schlagartig um ca. 40 K und steigt im zweiten Zeolithblock Z₆ um etwa den gleichen Betrag an. Im Abwärmekreislauf werden in der Leitung 6 im Bereich des zweiten Zeolithblocks Z₆ durch diese plötzliche Temperaturerhöhung Temperaturen von mehr als 100° erreicht. Das Wasser in den Rohren des Abwärmekreislaufs verdampft dadurch teilweise, wobei durch den angestiegenen Druck das Restwasser vom Dampf über das Rückschlagventil 7 herausgedrängt wird. Dieser Effekt wirkt sich positiv auf das Verhalten der Anlage aus, weil damit die Totmassen im System verringert werden und die Wärme aus dem Dampferzeuger E₄ in der anschließenden Phase voll zum Aufheizen des Zeolithblocks Z₆ verwendet werden kann. Die im Abwärmekreislauf auftretenden Volumenveränderungen werden durch den Ausgleichsbehälter E₁ aufgefangen.

Vorteilhafterweise wird während dieser Ausgleichsphase der Kaltwasserkreislauf nicht unterbrochen, sondern das Wasser wird nun über das geöffnete Ventil V₁₇ durch die Leitungen 18A und 20 von der Pumpe P₃ im kleinen Kreislauf über den Wärmetauscher 21 gepumpt. Der leichte Temperaturanstieg der dabei umgewälzten Flüssigkeitsmenge ist unkritisch für das Gesamtverhalten der Anlage. Wenn bei Abschluß der Phase 2 der Zeolithblock Z₅ auf eine Adsorptionstemperatur von etwa von 50-60°C abgekühlt ist, so beginnt die nächste Phase.

In der nun folgenden dritten Phase (Fig. 3) wird der zweite Sorptionsreaktor E₆ desorbiert und der erste Sorptionsreaktor E₅ adsorbiert. Dazu wird die Wärmeenergie Q₁ im Dampferzeuger E₄ voll zur Verdampfung von Wasser im Dampfkanal 2 verwendet. Dabei ist das Ventil V₇ geöffnet und das Ventil V₆ geschlossen. Der erzeugte Wasserdampf aus dem Dampfkanal 2 wird über den Wasserabscheider W₂ in die Leitung 4 eingeleitet und erhitzt durch intensiven indirekten Wärmetausch den Zeolithblock Z₆ auf die erforderliche Desorptionstemperatur von etwa 200°C. Das den Zeolithblock durchsetzende Leitungsteil 6 des Abwärmekreislaufes ist durch das geschlossene Ventil V₄ dabei tot geschaltet. In diesem Leitungsabschnitt eventuell noch enthaltene Flüssigkeit kann über das Rückschlagventil 7 jedoch nach unten entweichen. Der beim Desorbieren aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebene Wasserdampf wird vom jetzt als Sprühkondensator fungierenden Sprühbehälter S₆ kondensiert. Diesem wird relativ kühle Flüssigkeit über die Leitung 26 und das geöffnete Ventil V₁₃ zugeführt. Das Ventil V₁₂ in der Leitung 18 ist geschlossen. Die Flüssigkeit aus der Leitung 26 und das aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebene Kondensat werden über die Leitung 24 und das geöffnete Ventil V₁₅ zum Ausgleichsbehälter E₂ geleitet. Die an diesen ferner angeschlossenen Leitungen 15 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₀ bzw. V₁₆ deaktiviert. Aus dem Ausgleichsbehälter E₂ wird die Flüssigkeit über die Leitung 16 und den Wärmetauscher 17 von der Pumpe P₂ angesaugt und anschließend über die Leitung 26 erneut in den Sprühbehälter S₆ gepumpt. Das Ventil V₈ in der Leitung 14 ist dabei geschlossen. Im Wärmetauscher 17 wird der Flüssigkeit Wärmeenergie Q₃ entzogen.

Gleichzeitig adsorbiert der Zeolithblock Z₅ im ersten Sorptionsreaktor E₅. Dazu wird diesem Flüssigkeit über die Leitung 25 und das geöffnete Ventil V₉ durch den Sprühverdampfer S₅ zugeführt. Im nun als Sprühverdampfer fungierenden Sprühbehälter S₅ verdampfter Wasserdampf wird im Zeolithblock Z₅ unter Wärmeentwicklung angelagert. Diese Wärme wird durch den Abwärmekreislauf über die Leitung 5, das geöffnete Ventil V₃, die Pumpe P₁, die Leitung 13 mit dem geöffneten Ventil V₂ und den Wärmetauscher 11 abgeführt. Die im Wärmetauscher 11 abgekühlte Flüssigkeit wird anschließend über die Leitung 10, die Leitung 5 und das geöffnete Ventil V₅ erneut über den Zeolithblock Z₅ geleitet. Das Ventil V₁ in der Leitung 12 ist dabei geschlossen, um eine falsche Ansaugung durch die Pumpe P₁ zu verhindern. Ebenfalls geschlossen ist das Ventil V₄, so daß der rechte Teil des Abwärmekreislaufs im Bereich des zweiten Sorptionsreaktors E₆ in dieser Phase nicht durchströmt wird.

Die im Sprühbehälter S₅ durch Verdampfung abgekühlte Flüssigkeit wird über das geöffnete Ventil V₁₁ und die Leitung 23 zum Ausgleichsbehälter E₃ geleitet. Die an diesen angeschlossenen Leitungen 19 bzw. 22 sind durch die geschlossenen Ventile V₁₄ bzw. V₁₆ deaktiviert. Die abgekühlte Flüssigkeit wird aus dem Behälter E₃ über die Leitung 20 zum Wärmetauscher 21 geführt. Im Wärmetauscher 21 wird die Flüssigkeit durch Abwärme aus der Umluft des Fahrzeuginnenraumes in Form von Energie Q₄ erwärmt, wobei sich umgekehrt die zum Innenraum zurückgeführte Umluft abkühlt. Die Pumpe P₃ pumpt anschließend die leicht erwärmte Flüssigkeit bei geschlossenen Ventilen V₁₇ und V₁₂ durch die Leitung 25 und das geöffnete Ventil V₉ erneut zum Sprühbehälter S₅. Auch in dieser Phase 3 wird - wie in der Phase 1 - an den Wärmetauschern 17 bzw. 11 Wärmeleistung und am Wärmetauscher 21 Kälteleistung bereitgestellt.

Nach vollständigen Desorbieren des Zeolithblocks Z₆ und Adsorbieren des Zeolithblocks Z₅ schließt sich als Phase 4 (Fig. 4) wiederum eine Wärmerückgewinnungs- und Druckausgleichphase an. Bei dieser sind wiederum beide zum Dampferzeuger E₄ führenden Ventile V₆ bzw. V₇ geschlossen. Vom inneren Dampfkreislauf her erfolgt demnach keine Energiezufuhr zu einem der beiden Sorptionsreaktoren E₅ bzw. E₆. Die an den Dampferzeuger E₄ angeschlossene Wärmequelle ist dabei abgestellt bzw. abgekoppelt. Die für das vorausgehende Desorbieren des Zeolithblocks Z₆ in diesen hineingesteckte Wärmeenergie wird zum Teil durch einen kleinen Abwärmekreislauf über das Rückschlagventil 7, die Rohrleitung 6, die Leitung 5, die Ventile V₅ und V₃ und die Pumpe P₁ an den Zeolithblock Z₅ übertragen, um diesen für die nach der Phase 4 in der Phase 5 erfolgende erneute Desorption vorzuheizen. Die Ventile V₁ bzw. V₂ sind dabei geschlossen. Wie in der Phase 2 erfolgt eine zusätzliche Temperaturerhöhung des Zeolithblocks Z₅ durch einen Druckausgleich, der durch Öffnen der Ventile V₁₄, V₁₀ und V₁₆ herbeigeführt wird. Hierbei gleicht sich zum einen der Wasserstand in den Ausgleichsbehältern E₂ bzw. E₃ aus, zum anderen wird die Temperatur im ersten Sorptionsreaktor E₅ um ca. 40° Kelvin angehoben. Die Ventile V₈, V₉, V₁₂, V₁₃, V₁₁, V₁₆ sind dabei geschlossen. Der Kaltwasserkreislauf wird wie bei der Phase 2 über das geöffnete Ventil V₁₇, die Leitung 18A und 20, den Wärmetauscher 21 und die Pumpe P₃ während dieser Phase aufrechterhalten.

Der in den Phasen 1-4 vorstehend beschriebene Prozeß wiederholt sich solange, wie die Bereitstellung von Kälte bzw. Wärmeleistung durch den Benutzer gewünscht wird. Bei einer Beendigung dieses Prozesses werden, wie in Zusammenhang mit der Fig. 5 nachfolgend beschrieben, beide Zeolithblöcke Z₅ bzw. Z₆ desorbiert. Dazu werden im inneren Dampfkreislauf beide Ventile V₆ bzw. V₇ geöffnet, so daß mittels der zugeführten Wärmeenergie Q₁ im Dampferzeuger E₄ in beiden Dampfkanälen 1 bzw. 2 Dampf erzeugt wird, welcher zur Erhitzung beider Zeolithblöcke über die Leitungen 3 bzw. 4 dem ersten Zeolithblock Z₅ bzw. dem zweiten Zeolithblock Z₆ zugeführt wird. In beiden Sorptionsreaktoren E₅ bzw. E₆ wird dabei der Sprühbehälter S₅ bzw. S₆ als Sprühkondensator betrieben. Dem Sprühbehälter S₅ wird von der Pumpe P₂ über das geöffnete Ventil V₈ und die Leitung 14 Flüssigkeit zugeführt. Diese kondensiert den aus dem Zeolithblock Z₅ ausgetriebenen Dampf und führt beide Bestandteile über das geöffnete Ventil V₁₀ und die Leitung 15 zum Ausgleichsbehälter E₂. Das Ventil V₁₆ ist dabei geschlossen. Die Pumpe P₂ fördert über die Leitung 26 und das geöffnete Ventil V₁₃ gleichzeitig Flüssigkeit in den Sprühbehälter S₆ Die Flüssigkeit dient dort zum Kondensieren des aus dem Zeolithblock Z₆ ausgetriebenen Dampfes. Beide Bestandteile werden anschließend über das geöffnete Ventil V₁₅ und die Leitung 24 ebenfalls in den Ausgleichsbehälter E₂ eingeführt. Über die Leitung 16 wird die Flüssigkeit aus dem Ausgleichsbehälter E₂ entnommen und über den Wärmetauscher 17 zurück zur Pumpe P₂ angesaugt. Die infolge des kondensierenden Dampfes in den Sprühbehältern S₅ bzw. S₆ in der Flüssigkeit aufgenommene Flüssigkeit wird durch den Wärmetauscher 17 abgeführt. Die Phase 5 gemäß Fig. 5 wird solange aufrechterhalten, bis beide Zeolithblöcke Z₅ bzw. Z₆ vollständig desorbiert sind. In der anschließenden Phase 6 (Fig. 6) herrscht ein Ruhezustand, in dem sämtliche Ventile geschlossen sind, der Dampferzeuger E₄ nicht mit Energie beaufschlagt wird und alle Pumpen abgeschaltet sind. Durch die in der Phase 5 vollständig desorbierten Zeolithblöcke Z₅ und Z₆ kann auch bei einem mehrwöchigen Anhalten dieses Ruhezustandes bei einem Neustart der Anlage sofort durch Adsorption eines der Behälter gemäß Phase 1 Kälteleistung am Wärmetauscher 21 bereitgestellt werden.

Die vorstehend beschriebene Anlage eignet sich somit bestens für eine Standklimatisierung von Fahrzeugen ohne gleichzeitigen Betrieb einer Brennkraftmaschine auch nach einer längeren Ruhepause. Die Anlage ermöglicht mittels einer einzigen Wärmequelle ein gleichzeitiges Bereitstellen von kontinuierlicher Wärme- und Kälteleistung. Die Wärmeleistung kann dabei zu Heizzwecken für einen Fahrzeuginnenraum, zur Vorwärmung eines Fahrzeugmotors oder beim Reheat-Betrieb einer Klimaanlage zur Wiedererwärmung von durch Abkühlung entfeuchteter Luft verwendet werden. Die verwendeten Stoffe (Zeolith und Wasser) sind sowohl im ständigen Betrieb als auch bei einem Bruch der Anlage infolge eines Unfalles in keiner Weise umweltschädigend. Durch die teilweise Wärmerückgewinnung in den Phasen 2 und 4 wird der Primärenergieeinsatz gegenüber bekannten Anlagen deutlich reduziert.

Claims (9)

1. Sorptionsklimaanlage mit wenigstens zwei wechselweise in einer Desorptionsphase und einer Adsorptionsphase betreibbaren Sorptionsreaktoren (E₅, E₆), mit einem dem in der Adsorptionsphase betriebenen Sorptionsreaktor (E₅, E₆) zugeordneten Verdampfer und einem dem in der Desorptionsphase betriebenen Sorptionsreaktor (E₆, E₅) zugeordneten Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Sorptionsreaktor (E₅, E₆), ein wahlweise aufgrund des jeweiligen Temperatur- und Druckniveaus als Verdampfer oder Kondensator fungierender Sprühbehälter (S₅, S₆) zugeordnet ist, der Teil eines geschlossenen Kreislaufs ist und ausgangsseitig an je einen Ausgleichsbehälter angeschlossen ist (E₂, E₃) und daß die Ausgleichsbehälter (E₂, E₃) ihrerseits ausgangsseitig mit einem Wärmetauscher (17 bzw. 21) und untereinander durch eine absperrbare Verbindungsleitung (22) verbunden sind.

2. Sorptionsklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sprühbehälter (S₅, S₆) ausgangsseitig an zwei mittels darin angeordneter Ventile (V₁₀, V₁₁ bzw. V₁₄, V₁₅) absperrbare Leitungen (15, 23 bzw. 19, 24) angeschlossen ist, von denen je eine mit einem der Ausgleichsbehälter (E₂, E₃) verbunden ist.

3. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem der beiden Wärmetauscher (17 bzw. 21) je eine mittels eines Ventils (V₈, V₁₃ bzw. V₁₂, V₉) absperrbare Zuleitung (14, 26 bzw. 18, 25) zu jedem der beiden Sprühbehälter (S₅ bzw. S₆) führt.

4. Sorptionsklimaanlage gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei Zuleitungen (14, 26 bzw. 18, 25) zu den Sprühbehältern (S₅, S₆) eine gemeinsame Fördereinrichtung (Pumpe P₂, P₃) zugeordnet ist.

5. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Ausgleichsbehälter (E₂, E₃) auf gleicher Höhe angeordnet sind.

6. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Pumpen (P₁, P₂, P₃) und Absperrventile (V₁ bis V₁₇) von einer gemeinsamen Steuereinrichtung aus betätigbar sind.

7. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sorptionsmittel Wasser und als Sorbens in den Sorptionsreaktoren (E₅, E₆) Zeolith verwendet wird.

8. Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Kühlung und/oder Beheizung eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird.

9. Verfahren zum Betreiben einer Sorptionsklimaanlage gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Desorption des ersten Sorptionsreaktors (E₅) durch Wärmezufuhr mit Kondensieren des ausgetriebenen Sorptionsmitteldampfes im ersten Sprühbehälter (S₅), mit gemeinsamer Abfuhr von Kondensat und Sprühflüssigkeit zum ersten Ausgleichsbehälter (E₂), mit Abkühlung der Sprühflüssigkeit an einem ersten Wärmetauscher (17) und anschließendem erneuten Einpumpen in den ersten Sprühbehälter (S₅), wobei die Leitung (23) vom ersten Sprühbehälter (S₅) zum zweiten Ausgleichsbehälter (E₃) und die Verbindungsleitung (22) geschlossen sind,
• b) Adsorption des zweiten Sorptionsreaktors (E₆) durch Anlagerung von im zweiten Sprühbehälter (S₆) verdampftem Sorptionsmittel unter gleichzeitiger Wärmeabfuhr, Einleitung der durch die Verdampfung abgekühlten Sprühflüssigkeit in den zweiten Ausgleichsbehälter (E₃), Erwärmung der Sprühflüssigkeit an einem zweiten Wärmetauscher (21) und erneutes Einpumpen in den zweiten Sprühbehälter (S₆), wobei die Leitung (24) vom zweiten Sprühbehälter (S₆) zum ersten Ausgleichsbehälter (E₂) und die Verbindungsleitung (22) geschlossen sind,
• c) nach im wesentlichen vollständiger Desorption des ersten Sorptionsreaktors (E₅) und Adsorption des zweiten Sorptionsreaktors (E₆), Schließen der Absperrventile (V₈, V₁₂) in den Zuleitungen (14, 18) zu beiden Sprühbehältern (S₅, S₆), Abschalten beider Pumpen (P₂, P₃) und Öffnen eines Absperrventils (V₁₆) in der Verbindungsleitung (20) bis zum Ausgleich des Flüssigkeitsniveaus in beiden Ausgleichsbehältern (E₂, E₃) und zum Druckausgleich in beiden Sorptionsreaktoren (E₅, E₆).
• d) Schließen des Absperrventils (V₁₆) in der Verbindungsleitung (22), Schließen eines Absperrventils (V₁₀) in der Leitung (15) vom ersten Sprühbehälter (S₅) zum ersten Ausgleichsbehälter (E₂), Öffnen eines Absperrventils (V₁₁) in der Leitung (23) vom ersten Sprühbehälter (S₅) zum zweiten Ausgleichsbehälter (E₃), Öffnen des Ventils (V₉) in der Zuleitung (25) vom zweiten Wärmetauscher (21) zum ersten Sprühbehälter (S₅), Schließen eines Absperrventils (V₁₄) in der Leitung (19) vom zweiten Sprühbehälter (S₆) zum zweiten Ausgleichsbehälter (E₃), Öffnen eines Absperrventils (V₁₅) in der Leitung (24) vom zweiten Sprühbehälter (S₆) zum ersten Ausgleichsbehälter (E₂), Öffnen des Ventils (V₁₃) in der Zuleitung (26) vom ersten Wärmetauscher (17) zum zweiten Sprühbehälter (S₆), Starten beider Pumpen (P₂, P₃), wodurch sich die Verfahrensschritte a) und b) wiederholen, wobei jedoch diesmal der erste Sorptionsreaktor (E₅) in Kreislaufverbindung mit dem zweiten Ausgleichsbehälter (E₃) und dem zweiten Wärmetauscher (21) adsorbiert, und der zweite Sorptionsreaktor (E₆) in Kreislaufverbindung mit dem ersten Ausgleichsbehälter (E₂) und dem ersten Wärmetauscher (17) desorbiert.