專利名稱：固體吸附式熱泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體吸附式熱泵和一種有一臺(tái)固體吸附式熱泵的供暖系統(tǒng)。
眾所周知，以固體吸附作用為基礎(chǔ)的熱力驅(qū)動(dòng)的熱泵用于供暖和制冷的目的。常用的工質(zhì)對(duì)-吸附材料和被吸附物-例如是沸石與水，其中，工作氣體水在低壓區(qū)工作。例如在DE 19961629和DE 10038636中公開了一些有這種工質(zhì)對(duì)的吸附式熱泵。
但還已知一些在高壓區(qū)運(yùn)行的工質(zhì)對(duì)。例如已知的如在US 4694659中公開的那些銨鹽-氨。
對(duì)固體吸附式熱泵提出了各種技術(shù)要求。這些要求中特別重要的是高的熱比率、高的功率密度和放熱的簡(jiǎn)單可調(diào)性。有效熱量與驅(qū)動(dòng)熱量的熱比率(也稱COPCoefficent of Performance)主要取決于在熱泵循環(huán)期間吸附的和易感受的(sensitive)熱量轉(zhuǎn)換的份額。吸附的熱量轉(zhuǎn)換指的是釋出在吸附工作氣體時(shí)產(chǎn)生的吸附熱或者吸收為解吸所需的吸附熱，反之，易感受的熱量轉(zhuǎn)換則描述在加熱或冷卻整個(gè)系統(tǒng)時(shí)發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換。
如果理想地假定易感受的熱量小到可以忽略不計(jì)，則通過(guò)某一個(gè)工質(zhì)對(duì)可達(dá)到最大可能的熱比率。對(duì)于硅膠-水，單級(jí)熱泵的熱比率典型地約為180％。此百分?jǐn)?shù)由100％的由驅(qū)動(dòng)熱獲得的有效熱量組成，與此同時(shí)被吸附物完全解吸。第二個(gè)份額80％可以按有效熱量的形式放出，緊接著冷卻所述吸附器和吸附在吸附材料內(nèi)的被吸附物。
為達(dá)到特別高的熱比率，發(fā)展了一些在熱力學(xué)方面越來(lái)越成熟的系統(tǒng)，其中尤其通過(guò)設(shè)置多個(gè)吸附器或解吸器，它們先后流過(guò)傳熱介質(zhì)并連接在多個(gè)循環(huán)內(nèi)，力圖有盡可能高的熱回收效果，改善在吸收的和易感受的熱量轉(zhuǎn)換之間的比例關(guān)系。但是這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)是巨大的技術(shù)成本、易受干擾和高的生產(chǎn)及維護(hù)成本。
專利申請(qǐng)文件DE19902695A1公開了一種吸附式熱泵，其中，一吸附/解吸器-換熱器與一蒸發(fā)器及一冷凝器一起組合成的一個(gè)蒸發(fā)器/冷凝器-換熱器，裝在一個(gè)公共的真空密封的容器內(nèi)。
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種有高的熱比率的固體吸附式熱泵和一種供暖系統(tǒng)，它們與現(xiàn)有技術(shù)相比得到改進(jìn)。
上述技術(shù)問題通過(guò)一種按照獨(dú)立權(quán)利要求所述的固體吸附式熱泵或供暖系統(tǒng)得以解決。從屬權(quán)利要求描述了一些特別有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。
發(fā)明人認(rèn)為，傳統(tǒng)的固體吸附泵盡管在熱力學(xué)過(guò)程方面通過(guò)串聯(lián)多個(gè)吸附器或解吸器有所改善，但與此同時(shí)需要安裝一些用于內(nèi)部熱交換的管道、閥和泵，因此在整個(gè)設(shè)備內(nèi)增熱容量和帶來(lái)熱損失，這些又降低了熱回收的效率。按照本發(fā)明的熱泵其特征在于結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單，這一方面降低了生產(chǎn)成本和明顯減少故障。另一方面采用按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以使整個(gè)設(shè)備的熱容量保持得極低，從而使易感受的熱量轉(zhuǎn)換相應(yīng)地減小。在按本發(fā)明的固體吸附式熱泵中，一吸附器-解吸器單元和一冷凝器-蒸發(fā)器單元設(shè)置在一公共外殼內(nèi)并通過(guò)一個(gè)可滲透吸附物的元件彼此隔開。在氣相階段，工質(zhì)稱為吸附物(Adsorptiv)，以及在被吸附的液相階段稱為被吸附物(Adsorbat)。因此也可以統(tǒng)稱為一可滲透蒸汽的元件。所述外殼相對(duì)于周圍環(huán)境是密封的。
吸附器-解吸器單元包括一個(gè)換熱器，用于將熱量從流過(guò)換熱器的傳熱介質(zhì)傳輸給固體吸附材料，或從固體吸附材料傳給傳熱介質(zhì)。
按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵的蒸發(fā)器和冷凝器設(shè)計(jì)為一個(gè)結(jié)構(gòu)部件，即冷凝器-蒸發(fā)器單元。借助該冷凝器-蒸發(fā)器單元一方面可以冷凝蒸汽狀吸附物并與此同時(shí)將冷凝熱傳輸給熱介質(zhì)用于在供暖裝置內(nèi)繼續(xù)導(dǎo)引，而另一方面將熱量從一低溫源導(dǎo)向液態(tài)工質(zhì)用于蒸發(fā)。
該冷凝器-蒸發(fā)器單元在公共外殼內(nèi)有利地設(shè)在吸附器-解吸器單元下方以及所述滲透吸附物的元件設(shè)計(jì)為滲透蒸汽的海綿，該海綿具有一帶有蒸汽通道的定距器的功能。使用陶瓷海綿作為滲透吸附物的元件是特別恰當(dāng)?shù)摹?br> 為了按照本發(fā)明獲得一種具有特別小的熱容量的結(jié)構(gòu)，所述吸附器-解吸器單元包括一個(gè)導(dǎo)熱的、與所述換熱器導(dǎo)熱連接的接收體。該接收體滿足兩項(xiàng)功能，亦即其一是在換熱器與吸附材料之間傳熱，以及其二是使吸附器-解吸器單元建成一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。因此，采用這種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以將公共外殼的殼壁設(shè)計(jì)得特別薄，因?yàn)闅け诓辉俦仨氋x予吸附式熱泵的結(jié)構(gòu)單元以附加的穩(wěn)定性，而是僅僅用于相對(duì)于周圍環(huán)境密封所述含有吸附器-解吸器單元及冷凝器-蒸發(fā)器單元的內(nèi)腔。所述外壁可例如設(shè)計(jì)為金屬薄板外殼，其壁厚為0.5mm或更薄，尤其為0.1至0.5mm，該外殼從外部套裝到或支承到吸附器-解吸器單元或冷凝器-蒸發(fā)器單元上。但也可以出自于例如焊接技術(shù)方面的原因考慮采用更大的壁厚。例如用于金屬薄板外殼的壁厚為1.5mm或更薄。特別有利的是，冷凝器-蒸發(fā)器單元也包括一個(gè)同類型的、具有在工質(zhì)與供入/排出的傳熱介質(zhì)之間傳輸熱量以及建立一種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的雙重功能的接收體。
兩種設(shè)計(jì)方案尤其適用所述接收體的結(jié)構(gòu)。第一種設(shè)計(jì)方案包括一種圍繞吸附器-解吸器單元的換熱器布置的多片式結(jié)構(gòu)。在各薄片之間這樣置入固體吸附材料，即，使得能達(dá)到盡可能高效地從換熱器向吸附材料傳導(dǎo)熱量。尤其可以使用市場(chǎng)上常見的多片式換熱器，其中散熱片有利地垂直排列并具有一些孔用于所述吸附材料的蒸汽輸送。
固體吸附材料按一種作為填料的設(shè)計(jì)被置入到所述多片式結(jié)構(gòu)的薄片之間。如果薄片垂直排列并制有孔，則蒸汽基本上水平流動(dòng)。由孔構(gòu)成的通道代表一種類型的分配器，以便使蒸汽均勻地分布到吸附材料內(nèi)(吸附)，或收集來(lái)自吸附材料的蒸汽(解吸)。在這種情況下蒸汽流通過(guò)孔或通過(guò)由孔構(gòu)成的通道的流動(dòng)阻力，與蒸汽流通過(guò)填料的流動(dòng)阻力相比相對(duì)較小。因此通過(guò)填料的蒸汽行程有利地設(shè)計(jì)得盡可能短，以便將與之相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)阻力保持得盡可能地小。按一種有利的設(shè)計(jì)，所述孔以這樣的方式彼此之間或相對(duì)于換熱器的管道間隔一定距離，即，使得通過(guò)填料的最大蒸汽行程約為20mm。有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的詳細(xì)情況在下面結(jié)合


。
所述接收體的第二種有利的設(shè)計(jì)方案具有一金屬海綿，吸附材料置入其空隙內(nèi)以及換熱器的管道導(dǎo)引通過(guò)該金屬海綿。在此實(shí)施方式中所述蒸汽通道還有利地、尤其是通過(guò)沖壓加工到該接收體內(nèi)。在這種情況下蒸汽通道仍有利地這樣分布地設(shè)在接收體內(nèi)，即，使得當(dāng)吸附材料作為填料置入時(shí)通過(guò)該填料的最大蒸汽行程為20mm。
在一項(xiàng)特別有利的設(shè)計(jì)中，所述吸附器-解吸器單元的換熱器和/或其接收體敷設(shè)有吸附材料層。這可以作為在吸附器-解吸器單元內(nèi)加入固體吸附材料的替代或補(bǔ)充方案。
為了達(dá)到固體吸附式熱泵相對(duì)于周圍環(huán)境特別有效地隔熱，所述公共外殼可以設(shè)計(jì)為雙層。在內(nèi)和外殼層之間的空隙內(nèi)有利地添入可以傳遞壓力的隔熱材料。由此可以將兩個(gè)殼層設(shè)計(jì)成具有特別小的壁厚，例如設(shè)計(jì)為薄金屬板外殼。壓力可以從外殼層經(jīng)隔熱材料傳給內(nèi)殼層，再傳給吸附器-解吸器單元的接收體或冷凝器-蒸發(fā)器單元的接收體。兩個(gè)殼層之間的空隙可以抽成真空，這意味著施加一個(gè)負(fù)壓，以進(jìn)一步改善隔熱效果。
在第二種按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵中，吸附器-解吸器單元與冷凝器-蒸發(fā)器單元設(shè)在分離的外殼內(nèi)。兩個(gè)外殼的內(nèi)腔通過(guò)至少一個(gè)導(dǎo)通蒸汽的連接裝置互相連接，例如通過(guò)一根或多根管道相互連接。因此，無(wú)論吸附器-解吸器單元還是冷凝器-蒸發(fā)器單元，均設(shè)計(jì)為獨(dú)立的結(jié)構(gòu)部件。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)部件的每一個(gè)都具有一個(gè)有利地滿足兩項(xiàng)功能的接收體，亦即，其一是在換熱器與吸附材料之間傳熱(吸附器-解吸器單元)以及冷凝器的換熱器散熱片功能(冷凝器-蒸發(fā)器單元)，以及其二是建成各結(jié)構(gòu)單元的一穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，基于此穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)又可以將所述外殼的殼壁設(shè)計(jì)得特別薄，例如設(shè)計(jì)為金屬薄板外殼，因?yàn)楦鹘Y(jié)構(gòu)單元通過(guò)接收體已具有必要的穩(wěn)定性。殼壁僅用于內(nèi)腔相對(duì)于周圍環(huán)境的密封。在這里仍可以采用壁厚為1.5mm或0.5mm或更小，尤其為0.1至0.5mm。按照本發(fā)明的第二種設(shè)計(jì)除外殼分離設(shè)計(jì)外與第一種設(shè)計(jì)一致。
按照本發(fā)明的供暖系統(tǒng)包括一個(gè)熱循環(huán)，它被一種傳熱介質(zhì)流過(guò)并連接在一高溫源上，在達(dá)到一預(yù)定的第一溫度水平時(shí)從該高溫源將熱量傳送到傳熱介質(zhì)上。此外，在該熱循環(huán)上連接一低溫源，用于在第二溫度水平將熱量供給傳熱介質(zhì)，該第二溫度水平處于第一溫度水平之下。一用于將熱量從傳熱介質(zhì)輸出(例如為房屋或建筑物供暖)的供暖裝置連接在該熱循環(huán)上，其中在一預(yù)定的第三溫度水平上輸出熱量，此第三溫度水平處于第一與第二溫度水平之間。此外，在該熱循環(huán)上還連接一個(gè)具有已描述的按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的固體吸附式熱泵。借助一熱循環(huán)分配器或借助一些設(shè)在該熱循環(huán)內(nèi)的熱循環(huán)閥，可以調(diào)整傳熱介質(zhì)通過(guò)該熱循環(huán)或通過(guò)所連接的構(gòu)件的流動(dòng)路徑。在這里，這樣設(shè)計(jì)和布置該熱循環(huán)分配器或熱循環(huán)閥，即，使得可有利地形成三個(gè)接通階段。下面在本申請(qǐng)文件中對(duì)各個(gè)接通階段、即解吸階段、吸附階段和旁通階段予以說(shuō)明。
下面可借助幾個(gè)實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。附圖中圖1表示按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵一種實(shí)施方式示意圖；圖2表示一種具有一臺(tái)按照本發(fā)明一種實(shí)施方式的固體吸附式熱泵的熱循環(huán)示意圖；圖3表示帶有一吸收體的固體吸附式熱泵的第一種實(shí)施方式；圖4表示帶有一吸收體的固體吸附式熱泵的第二種實(shí)施方式；圖5表示在供暖系統(tǒng)的一種實(shí)施方式的不同階段中熱量流動(dòng)的示意圖；圖6表示用于按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵的具有特別有效的隔熱效果的一公共外殼；圖7表示帶有處于分離的外殼內(nèi)的吸附器-解吸器單元與冷凝器-蒸發(fā)器單元的一按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
在圖1中可以看出按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵1的一種實(shí)施方式的基本部件。一吸附器-解吸器單元2和一冷凝器-蒸發(fā)器單元6彼此相鄰地裝在一公共外殼5內(nèi)。該吸附器-解吸器單元2設(shè)在所述冷凝器-蒸發(fā)器單元6的上方，以及這兩個(gè)單元2、6只通過(guò)一個(gè)滲透吸附物的元件7彼此隔開。一換熱器3通過(guò)吸附器-解吸器單元2導(dǎo)引。冷凝器-蒸發(fā)器單元6同樣包括一個(gè)也可以稱為冷凝-蒸發(fā)管11的換熱器。
冷凝器-蒸發(fā)器單元6的內(nèi)腔被在工質(zhì)(吸附物)冷凝時(shí)形成的冷凝物分為蒸汽腔15和冷凝物腔16。這樣設(shè)計(jì)冷凝器-蒸發(fā)器單元6的容積，即，在產(chǎn)生最大量的冷凝物時(shí)不會(huì)淹沒冷凝-蒸發(fā)換熱器。與吸附器-解吸器單元2相比，需要的最大冷凝物容積取決于熱泵可達(dá)到的裝填寬度(Beladungsbreite)以及典型地為吸附材料體積的15％至25％。
滲透吸附物的元件7設(shè)計(jì)為帶有蒸汽通道的一個(gè)導(dǎo)熱性不良的定距器的形式。由此在兩個(gè)單元2、6之間可形成一個(gè)預(yù)定的距離以及使它們基本上彼此隔熱。
下面可簡(jiǎn)要說(shuō)明所表示的固體吸附式熱泵的工作方式在一個(gè)第一階段通過(guò)換熱器3將例如來(lái)自一供暖設(shè)備燃燒器的供暖熱量供給吸附器-解吸器單元2。在應(yīng)用例如硅膠/水作為工質(zhì)對(duì)時(shí)，通過(guò)供熱在負(fù)壓下從吸附材料揮發(fā)出水蒸氣。蒸汽狀工質(zhì)(吸附物，例如水蒸氣)在冷凝器-蒸發(fā)器單元6內(nèi)凝結(jié)，與此同時(shí)產(chǎn)生的冷凝熱經(jīng)冷凝-蒸發(fā)管11導(dǎo)出并用于供暖的目的?；谠诶淠耐瑫r(shí)產(chǎn)生的較低的壓力，所以從吸附材料揮發(fā)的吸附物可以說(shuō)是從吸附器-解吸器單元2通過(guò)滲透吸附物的元件7被吸入到冷凝器-蒸發(fā)器單元6中的。
經(jīng)一預(yù)定的時(shí)間間隔后(例如30分鐘)，第一個(gè)循環(huán)-解吸循環(huán)-結(jié)束。在這一時(shí)刻理想的是被吸附物完全從吸附材料揮發(fā)出來(lái)并在冷凝器-蒸發(fā)器單元6內(nèi)處于已凝結(jié)的形式，也就是說(shuō)處于液相狀態(tài)。如圖1所示，在冷凝器-蒸發(fā)器單元6內(nèi)形成某一液位。
現(xiàn)在，所表示的固體-吸附式熱泵的運(yùn)行通過(guò)在傳熱介質(zhì)循環(huán)內(nèi)相應(yīng)切換管道轉(zhuǎn)入到一個(gè)第二階段-吸附階段。此時(shí)，吸附器-解吸器單元2，亦即其換熱器3，與一個(gè)例如用于房屋或建筑物供暖的供暖裝置相連接。冷凝器-蒸發(fā)器單元6的冷凝-蒸發(fā)管11與一低溫源相連接。吸附器-解吸器單元2通過(guò)放熱冷卻。與此同時(shí)工質(zhì)在其事先在冷凝器-蒸發(fā)器單元6內(nèi)蒸發(fā)后重新被吸附材料吸附。此第二個(gè)循環(huán)也可以例如持續(xù)半小時(shí)，但尤其是比解吸階段略長(zhǎng)。在這之后，固體吸附式熱泵重新處于第一階段的起始狀態(tài)，換句話說(shuō)，被吸附物理想地完全吸附在吸附材料內(nèi)。由此，周期性地進(jìn)行吸附階段和解吸階段。
圖2表示按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵設(shè)計(jì)用在一供暖系統(tǒng)中的系統(tǒng)連接圖。如圖2a所示，供暖系統(tǒng)包括一個(gè)熱循環(huán)20，在該熱循環(huán)上連接有一固體吸附式熱泵1、一含有連接的傳熱器的燃燒器形式的高溫源21、一低溫源22以及一供暖裝置23，該供暖裝置包括一廢氣傳熱器23.1和一采暖設(shè)備23.2。在此熱循環(huán)20內(nèi)設(shè)置一熱循環(huán)分配器24和在一旁通管內(nèi)的熱循環(huán)閥25。由此可構(gòu)成三個(gè)不同的工作階段，在下面對(duì)它們加以說(shuō)明。
作為燃燒器可以使用例如用煤氣、油或其他燃料的任何傳統(tǒng)的燃燒器。作為低溫源尤其適合用外界空氣換熱器、地下集水管(Erdkollektoren)或地下水。通過(guò)旁通管路可以實(shí)現(xiàn)燃燒器和熱泵的兩狀態(tài)運(yùn)行(階段3-旁通)。
通過(guò)所表示的系統(tǒng)連接，熱泵可以與一個(gè)用油或煤氣工作的燃燒器以一種這樣的方式組合起來(lái)，即，可以將通過(guò)廢氣冷凝利用熱值和利用熱泵相組合。為此設(shè)兩個(gè)分開的傳熱器用于從燃燒室中耦合輸出熱量和用于廢氣冷凝。若廢氣熱能的利用是非必需的，則也可以取消廢氣傳熱器23.1。
圖2b再次用放大詳圖表示所述熱循環(huán)分配器24及其管路連接方法。圖中示意性地表示不同的構(gòu)件，如高溫源21、低溫源22、供暖裝置23、吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6的布置結(jié)構(gòu)以及它們?cè)跓嵫h(huán)20內(nèi)借助熱循環(huán)分配器24的管路連接。熱循環(huán)分配器24包括三個(gè)尤其設(shè)計(jì)為電動(dòng)三通閥的熱循環(huán)閥25。
圖示的分配器24設(shè)計(jì)為可以提供下列管路連接的可能性(階段)
階段1-解吸高溫源21借助一傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)與吸附器-解吸器單元2相連接；冷凝器-蒸發(fā)器單元6借助一傳熱器的流動(dòng)循環(huán)與供暖裝置23相連接；低溫源22相對(duì)于所述其余的熱循環(huán)被阻斷。
階段2-吸附高溫源21相對(duì)于所述其余的熱循環(huán)被阻斷；供暖裝置23借助一傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)與吸附器-解吸器單元2相連接；冷凝器-蒸發(fā)器單元6借助一傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)與低溫源22相連接。
階段3-旁通低溫源22、吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6相對(duì)于所述其余熱循環(huán)被阻斷；高溫源21通過(guò)一傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)與供暖裝置23相連接。
用于階段1和2的各熱循環(huán)閥25的連接點(diǎn)互相連接在一起。取代圖2b內(nèi)所示的分開的閥，也可以在熱循環(huán)分配器內(nèi)設(shè)一個(gè)閥門組。
吸附式熱泵的循環(huán)持續(xù)時(shí)間(階段持續(xù)時(shí)間)與供暖裝置的散熱相適應(yīng)。階段1和2(解吸和吸附)交替地分別實(shí)施如此長(zhǎng)的時(shí)間，直至初溫低于供熱網(wǎng)的由供熱曲線規(guī)定的額定值。由此，盡管熱泵間歇式運(yùn)行仍可實(shí)施均勻的放熱。當(dāng)由于工作條件使熱泵的熱比率達(dá)到1時(shí)就進(jìn)入階段3(旁通)。在這種情況下高溫源21，例如燃燒器，直接與供熱網(wǎng)、亦即供暖裝置23連接。
在各階段1至3中的熱流再一次地表示在圖5中。圖5a表示階段1(解吸階段)。熱流從高溫源21流入到固體吸附式熱泵1的吸附器-解吸器單元2中。在這里通過(guò)加熱吸附材料放出被吸附物并蒸汽狀地流往冷凝器-蒸發(fā)器單元6，被吸附物在那里凝結(jié)。冷凝熱從冷凝器-蒸發(fā)器單元6在熱流形式導(dǎo)往供暖裝置23。低溫源22相對(duì)于熱循環(huán)是隔離開的。
圖5b表示在階段2(吸附階段)中的熱流。高溫源21相對(duì)隔離于其他系統(tǒng)、亦即熱循環(huán)之外。低溫源22借助熱循環(huán)分配器24以這樣的方式連接在固體吸附式熱泵1的冷凝器-蒸發(fā)器單元6上，即，使熱流從低溫源22流往冷凝器-蒸發(fā)器單元6。液態(tài)工質(zhì)在冷凝器-蒸發(fā)器單元6內(nèi)蒸發(fā)并蒸汽狀地流向吸附器-解吸器單元2，在那里它積聚在吸附材料內(nèi)。在階段1中已加熱的吸附器-解吸器單元2的熱量以熱流形式向供暖裝置23輸送。由此可達(dá)到高于100％的熱比率，這意味著在階段1中高溫源21的熱能的100％份額理想地傳輸?shù)焦┡b置23上，另外80％份額在階段2內(nèi)通過(guò)來(lái)自低溫源22的熱流和在固體吸附式熱泵1內(nèi)的吸附作用傳輸。
圖5c表示階段3(旁通階段)?？梢钥闯?，高溫源21借助熱循環(huán)分配器24直接與供暖裝置23管路連接，所以熱流從高溫源21直接流向供暖裝置23。固體吸附式熱泵1，亦即吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6以及低溫源22均與其余系統(tǒng)隔絕。
圖3表示按照本發(fā)明的固體吸附式熱泵的第一種優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。圖3a表示一個(gè)具有多片式接收體9的吸附器-解吸器單元。也可將這種吸附器-解吸器單元稱為多片式吸附器。圖3a表示所述多片式吸附器的側(cè)視圖，以及圖3b表示一單個(gè)薄片的俯視圖。例如可以采用市場(chǎng)上常見的多片式換熱器，它如在圖5a和5b中表示的那樣相應(yīng)地去適配。
在接收體9的薄片之間置入固體吸附材料4，從而使得從換熱器經(jīng)薄片到固體吸附材料4進(jìn)行盡可能好地?zé)醾鲗?dǎo)。換熱器包括一些通過(guò)彎道13互相連接的水平管段，所以在換熱器內(nèi)導(dǎo)引的傳熱介質(zhì)從一個(gè)水平管段經(jīng)一個(gè)彎道13導(dǎo)引到下一個(gè)例如處于其下方的水平管段中。所述彎道13從接收體9側(cè)向伸出。
接收體9的薄片垂直定向，以便能方便地為大部分水平排列的管回路通風(fēng)。各薄片包括一些用于輸送蒸汽的不用管充填的孔。在這些孔內(nèi)可以置入多孔的管、板或金屬絲網(wǎng)，以便構(gòu)成蒸汽通道。圖3b表示一單塊薄片17，它帶有置入其中的傳熱介質(zhì)管18和蒸汽通道19。傳熱介質(zhì)管18例如是上述換熱器3的水平管段，并可例如流過(guò)作為傳熱介質(zhì)的水。
接收體9充填吸附材料。為了防止材料流出，可四周圍攏一金屬絲網(wǎng)或多孔板。作為替代方式或附加方式，在所述例如用銅板或鋁板制成的薄片上敷設(shè)吸附材料涂層。
在圖3b中表示的由在各薄片中未用管充填的孔構(gòu)成的蒸汽通道19，作為蒸汽分配器(吸附)或收集器(解吸)工作。在吸附階段，蒸汽從外部水平地流入到蒸汽通道19內(nèi)，并從蒸汽通道19出發(fā)分布在吸附材料4內(nèi)，吸附材料4作為填料置入薄片之間。蒸汽在蒸汽通道19內(nèi)的流動(dòng)阻力與蒸汽流通過(guò)填料的流動(dòng)阻力相比非常小。為了使總流動(dòng)阻力保持較低，因而有利地將通過(guò)填料的最大蒸汽行程限制為最多20mm。這可以通過(guò)在薄片內(nèi)預(yù)定分布一些孔來(lái)達(dá)到。
所述通過(guò)填料的最大蒸汽行程由蒸汽從薄片內(nèi)的孔出發(fā)亦即從蒸汽通道19出發(fā)沿徑向向外經(jīng)過(guò)的距離確定。為了將此距離限制為約20mm，在一有利的設(shè)計(jì)中，一個(gè)蒸汽通道19與相鄰的那些管之間的距離為25mm或更小。有利地，在市場(chǎng)上常見的薄片有利地以這樣一種方式布置管線，即，只是每第二排孔用管充填，以及空余的各排孔設(shè)有嵌入的圓柱形金屬絲網(wǎng)(或設(shè)多孔的管或板)，從而構(gòu)成蒸汽通道19。所述嵌入的圓柱形金屬絲網(wǎng)有利地由一種與薄片相同的材料制造，以避免接觸腐蝕。通過(guò)該嵌入的圓柱形金屬絲網(wǎng)，保持蒸汽通道19不被吸附材料4的填料侵入，以便使蒸汽在蒸汽通道19內(nèi)的流卻阻力保持很小。
在解吸階段，所述相應(yīng)設(shè)計(jì)的蒸汽通道19收集從吸附材料放出的吸附物，該吸附物再次通過(guò)填料經(jīng)過(guò)相當(dāng)于圍繞單個(gè)蒸汽通道的流域半徑的最大距離。
圖3c表示完整的、包括一個(gè)按圖3a和3b所示接收體9的固體吸附式熱泵1。由圖可見，冷凝器-蒸發(fā)器單元6也包括一個(gè)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的接收體10。人們也稱此冷凝器-蒸發(fā)器單元為多片式蒸發(fā)器/冷凝器。
吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6安裝在一公共外殼5內(nèi)并通過(guò)一陶瓷海綿8彼此隔開。該公共外殼5用薄金屬板制成，它包套著這兩個(gè)構(gòu)件。該金屬板的機(jī)械穩(wěn)定性通過(guò)在管彎道13區(qū)域內(nèi)的換熱器3邊緣的支持得以保證。
吸附器-解吸器單元與冷凝器-蒸發(fā)器單元之間的距離由具有低的熱導(dǎo)率、但有足夠的蒸汽滲透能力和穩(wěn)定性的陶瓷海綿8形成。在吸附器-解吸器單元2與冷凝器-蒸發(fā)器單元6之間的蒸汽輸送，亦即吸附物流，在多片式傳熱器的管彎道13的區(qū)域內(nèi)經(jīng)過(guò)。金屬板襯設(shè)計(jì)為相對(duì)于周圍環(huán)境真空密封。
采用圖3所示的設(shè)計(jì)方案，可以將整個(gè)固體吸附式熱泵設(shè)計(jì)為具有小的熱容量，基于具有較少的管道和較小的壁厚的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并由此達(dá)到特別高的熱比率。
圖4表示具有一個(gè)接收體的固體吸附式熱泵的第二種實(shí)施方式。在圖4a及圖4b中表示的吸附器-解吸器單元2的接收體10設(shè)計(jì)為金屬海綿(Metallschwamm)。該金屬海綿用于在換熱器3內(nèi)導(dǎo)引的傳熱介質(zhì)與吸附材料之間的傳熱。金屬海綿設(shè)計(jì)為多細(xì)孔式的(offenporig)并充填或涂覆吸附材料。金屬海綿可用一金屬絲網(wǎng)或多孔金屬板在周圍張緊，以防吸附材料流出。
換熱器3的管道置入金屬海綿內(nèi)。金屬海綿與管道之間的連接是良好導(dǎo)熱的，這尤其可以通過(guò)管的鑄入或釬焊達(dá)到。
如圖4b所示，在金屬海綿內(nèi)可以沖壓出附加的蒸汽通道19。
換熱器3仍可以由一些通過(guò)彎道13互相連接的水平管段12構(gòu)成。如以俯視圖在圖4b中所示的那樣，在本實(shí)施例中在金屬海綿內(nèi)置入一個(gè)包括三個(gè)垂直并列的管回路的換熱器。在這種情況下金屬海綿優(yōu)選地可由三個(gè)長(zhǎng)方六面體形狀的、各有一置入的管段的區(qū)段組成，它們彼此對(duì)齊地裝在所述公共外殼5內(nèi)。由此能特別容易地將蒸汽通道19裝入到接收體9內(nèi)，亦即金屬海綿內(nèi)。當(dāng)然也可以將金屬海綿以這樣的方式分段，即，可以將換熱器3的管嵌入兩個(gè)相鄰分段之間。
蒸汽通道可以設(shè)置多孔的管、金屬板或金屬絲網(wǎng)，以防止固體吸附式材料4流出。
圖4c表示在一公共外殼5內(nèi)的一完整的固體吸附式熱泵1，它有一個(gè)包括設(shè)計(jì)為金屬海綿的接收體9的吸附器-解吸器單元2和一個(gè)包括同樣設(shè)計(jì)為金屬海綿的接收體10的冷凝器-蒸發(fā)器單元6。這兩個(gè)單元2、6上下相鄰地疊置以及只通過(guò)一陶瓷海綿8彼此隔開。公共外殼5由一種薄的優(yōu)選壁厚為0.1至0.5mm的金屬板構(gòu)成。該外殼套在接收體9和10以及中間連接的陶瓷海綿8的邊緣上。在這里，金屬薄板的機(jī)械穩(wěn)定性通過(guò)套在金屬海綿或陶瓷海綿上獲得，所以金屬薄板本身可以設(shè)計(jì)為靜力不穩(wěn)定的。由此可以采用特別小的壁厚，這樣的壁厚又導(dǎo)致整個(gè)固體吸附式熱泵特別小的熱容量。
在吸附器-解吸器單元2與冷凝器-蒸發(fā)器單元6之間的蒸汽輸送通過(guò)陶瓷海綿和在所述安裝在吸附器-解吸器單元2內(nèi)的蒸汽通道19內(nèi)進(jìn)行。
如圖所示，冷凝器-蒸發(fā)器單元6設(shè)在吸附器-解吸器單元2下方并具有至少一個(gè)與產(chǎn)生的冷凝物的最大液位相同的高度。
圖6表示所述公共外殼5的一種優(yōu)選的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。固體吸附式熱泵1(在此視圖中未表示)接入到其內(nèi)腔內(nèi)。外殼5設(shè)計(jì)成雙層，包括一個(gè)優(yōu)選地用薄金屬板制成的內(nèi)殼和一個(gè)優(yōu)選地同樣用薄金屬板制成的外殼。
在兩個(gè)殼層之間、亦即在內(nèi)板襯26與外板襯27之間的空隙中，優(yōu)選地置入一種具有這樣一種機(jī)械穩(wěn)定性的顆粒狀填料14，即，它能在兩個(gè)板襯26、27之間傳遞壓力。由此可以將產(chǎn)生的這些力向內(nèi)傳給例如在前面圖中表示的接收體或換熱器管。因此板襯26和27的壁厚也可以設(shè)計(jì)得特別小，為的是將固體吸附式熱泵的熱容量保持得較小。
在圖示的外殼上連接一抽真空接管28，它優(yōu)選地通過(guò)將一個(gè)內(nèi)管套接在一個(gè)外管內(nèi)而設(shè)計(jì)成由兩部分組成。當(dāng)然也可以設(shè)置分開的接管。借助抽真空接管28既可將固體吸附式熱泵1的內(nèi)腔、也可將外殼5的兩個(gè)殼層之間的空隙抽成真空。在這里，將固體吸附式熱泵1內(nèi)腔抽成真空，目的是對(duì)應(yīng)于所采用的工質(zhì)對(duì)的要求建立一個(gè)預(yù)定的壓力。外殼5內(nèi)的空隙抽成真空用于產(chǎn)生最佳的隔熱效果。
在外殼5側(cè)面表示了用于吸附器-解吸器單元和冷凝器-蒸發(fā)器單元的換熱器的管道29。
可例如采用硅膠、珍珠巖或泡沫玻璃珠作為裝入到外殼5的兩個(gè)殼層之間的隔熱材料。
圖7表示本發(fā)明的第二種設(shè)計(jì)方案。在按此設(shè)計(jì)方案中，吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6裝在分開的外殼5.1和5.2內(nèi)。兩個(gè)外殼5.1和5.2的內(nèi)腔例如(如圖中表示的那樣)通過(guò)管道互相連接。由圖可見，每個(gè)外殼5.1和5.2都設(shè)計(jì)為薄板外殼，該薄板外殼套在接收體9或10上，其中設(shè)有彎道13的區(qū)域例外，在那里此薄板外殼套在這些彎道上。當(dāng)然，兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，亦即吸附器-解吸器單元2和冷凝器-蒸發(fā)器單元6，也可以設(shè)置為彼此任意分離，只要通過(guò)恰當(dāng)?shù)倪B接管路保證兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元之間的蒸汽流動(dòng)即可。
附圖中所示出的本發(fā)明的設(shè)計(jì)方案具有各種優(yōu)點(diǎn)。例如可實(shí)現(xiàn)一種特別簡(jiǎn)單、緊湊的結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用薄板襯作為真空容器，可達(dá)到特別小的單位熱容量，并因而即使沒有內(nèi)部熱回收也能有高的熱比率。在雙壁式容器內(nèi)可實(shí)現(xiàn)使用真空超級(jí)隔熱。與此同時(shí)，通過(guò)可變的循環(huán)持續(xù)時(shí)間，可以使熱泵的間歇式運(yùn)行易于適應(yīng)供熱的需求。由此免去在傳統(tǒng)的熱力驅(qū)動(dòng)的熱泵中經(jīng)常使用的外部緩沖存儲(chǔ)器。
附圖標(biāo)記清單1 固體吸附式熱泵2 吸附器-解吸器單元3 換熱器
4 固體吸附材料5 外殼6 冷凝器-蒸發(fā)器單元7 可滲透吸附物的元件8 陶瓷海綿9 接收體10 接收體11 冷凝-蒸發(fā)管12 管段13 彎道14 顆粒狀填料15 蒸汽腔16 凝結(jié)物腔17 薄片18 傳熱介質(zhì)管19 蒸汽通道20 熱循環(huán)21 高溫源22 低溫源23 供暖裝置23.1廢氣傳熱器23.2采暖設(shè)備24 熱循環(huán)分配器25 熱循環(huán)閥26 內(nèi)板襯27 外板襯28 抽真空接管29 管道
權(quán)利要求
1.一種固體吸附式熱泵(1)，包括1.1一具有一換熱器(3)和一種固體吸附材料(4)的吸附器-解吸器單元(2)；1.2該吸附器-解吸器單元(2)與一冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)一起裝在一個(gè)公共的對(duì)周圍環(huán)境密封的外殼(5)內(nèi)，其中，該吸附器-解吸器單元(2)與冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)通過(guò)一可滲透吸附物的元件(7)彼此隔開，其特征在于1.3所述吸附器-解吸器單元(2)包括一導(dǎo)熱的接收體(9)，該接收體設(shè)置為與所述換熱器(3)導(dǎo)熱連接；1.4所述接收體(9)容納所述吸附材料(4)；1.5所述接收體(9)賦予所述吸附器-解吸器單元(2)穩(wěn)定性；1.6所述公共外殼(5)的內(nèi)腔中為負(fù)壓，以及，該公共外殼(5)設(shè)計(jì)為薄壁板外殼，該外殼以這樣的方式套裝在所述接收體(9)上，即，使因負(fù)壓產(chǎn)生的萎陷力傳導(dǎo)到該接收體(9)和/或換熱器(3)以及冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)上。
2.按照權(quán)利要求1所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)在公共外殼(5)內(nèi)設(shè)在所述吸附器-解吸器單元(2)下方。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述可滲透吸附物的元件(7)由一種可滲透蒸汽的海綿構(gòu)成，尤其是陶瓷海綿(8)，它使所述吸附器-解吸器單元(2)與冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)之間形成一預(yù)定的間距。
4.按照權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)包括一個(gè)與所述吸附器-解吸器單元(2)中的接收體(9)相同類型的接收體(10)，該接收體(10)構(gòu)造成容納有一些流過(guò)傳熱介質(zhì)的用于輸出冷凝熱和輸入蒸發(fā)熱的冷凝-蒸發(fā)管(11)，并且使所述冷凝器-蒸發(fā)器單元具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
5.按照權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述接收體(9、10)設(shè)計(jì)為多片式結(jié)構(gòu)或金屬海綿。
6.按照權(quán)利要求4或5所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述公共外殼(5)以這樣的方式套裝到所述接收體(9、10)和尤其是所述換熱器(3)和冷凝-蒸發(fā)管(11)的區(qū)段上，即，使得因負(fù)壓產(chǎn)生的萎陷力傳導(dǎo)到所述接收體(9、10)和/或換熱器(3)及冷凝-蒸發(fā)管(11)上。
7.按照權(quán)利要求4至6中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述換熱器(3)和冷凝-蒸發(fā)管(11)分別設(shè)計(jì)為一個(gè)或多個(gè)管回路的形式，其中，每個(gè)管回路包括多個(gè)水平排列的管段(12)，這些管段在其水平端部通過(guò)彎道(13)導(dǎo)通傳熱介質(zhì)地互相連接。
8.按照權(quán)利要求6和7所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述薄板外殼從外面套裝到所述彎道(13)上。
9.按照權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述吸附器-解吸器單元(2)的支承體(9)和/或換熱器外敷設(shè)有一層固體吸附材料(4)。
10.按照權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述公共外殼(5)設(shè)計(jì)為雙層外殼，在其兩殼層之間的空隙充填一種可傳遞壓力的隔熱材料，尤其是一種顆粒狀填料(14)；以及該兩殼層之間的空隙是抽成真空的。
11.一種固體吸附式熱泵(1)，包括11.1一具有一換熱器(3)和一種固體吸附材料(4)的吸附器-解吸器單元(2)；11.2一冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)，其中11.3該吸附器-解吸器單元(2)包括一導(dǎo)熱的接收體(9)，該接收體設(shè)置為與所述換熱器(3)導(dǎo)熱地連接；11.4所述接收體(9)容納所述吸附材料(4)；11.5所述接收體(9)賦予所述吸附器-解吸器單元(2)穩(wěn)定性；11.6所述冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)包括一導(dǎo)熱的接收體(10)，該接收體(10)構(gòu)造成容納有一些流過(guò)傳熱介質(zhì)的用于輸出冷凝熱和輸入蒸發(fā)熱的冷凝-蒸發(fā)管(11)并賦予該冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)穩(wěn)定性；11.7所述吸附器-解吸器單元(2)裝在一個(gè)對(duì)周圍密封的第一外殼(5.1)內(nèi)，以及所述冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)裝在一個(gè)對(duì)周圍密封的第二外殼(5.2)內(nèi)，其中，這兩個(gè)外殼(5.1、5.2)的內(nèi)腔中為負(fù)壓并借助至少一個(gè)導(dǎo)通蒸汽的連接管道互相連通；11.8所述兩個(gè)外殼(5.1、5.2)設(shè)計(jì)為薄壁板外殼，它們以這樣的方式套裝在所述接收體(9、10)上，即，使得因負(fù)壓產(chǎn)生的萎陷力傳導(dǎo)到這些接收體(9、10)和/或換熱器(3)及冷凝-蒸發(fā)管(11)上。
12.按照權(quán)利要求11所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述接收體(9、10)設(shè)計(jì)為多片式結(jié)構(gòu)或金屬海綿。
13.按照權(quán)利要求11或12所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述換熱器(3)和冷凝-蒸發(fā)管(11)分別設(shè)計(jì)為一個(gè)或多個(gè)管回路的形式，其中，每個(gè)管回路包括多個(gè)水平排列的管段(12)，這些管段在其水平端部通過(guò)彎道(13)導(dǎo)通傳熱介質(zhì)地互相連接。
14.按照權(quán)利要求12和13所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述薄板外殼從外部套裝到所述彎道(13)上。
15.按照權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述吸附器-解吸器單元(2)的支承體(9)和/或換熱器敷設(shè)一層固體吸附材料(4)。
16.按照權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵，其特征為所述兩個(gè)外殼(5.1、5.2)設(shè)計(jì)為雙層外殼，在其兩殼層之間的空隙充填一種可傳遞壓力的隔熱材料，尤其是顆粒狀填料(14)；以及該兩殼層之間的空隙是抽成真空的。
17.一種供暖系統(tǒng)，包括17.1一被一種傳熱介質(zhì)流過(guò)的熱循環(huán)回路(20)；17.2一連接在所述熱循環(huán)回路(20)上的高溫源(21)，用于在一預(yù)定的第一溫度水平上將熱量輸入到所述傳熱介質(zhì)中；17.3一連接在所述熱循環(huán)回路(20)上的低溫源(22)，用于在一預(yù)定的低于第一溫度水平的第二溫度水平上將熱量輸入到所述傳熱介質(zhì)中；17.4一連接在所述熱循環(huán)回路(20)上的供暖裝置(23)，用于在一預(yù)定的處于第一與第二溫度水平之間的第三溫度水平上將熱量從所述傳熱介質(zhì)中輸出；17.5一連接在所述熱循環(huán)回路(20)上的按照權(quán)利要求1至16中任一項(xiàng)所述的固體吸附式熱泵(1)；17.6一連接在所述熱循環(huán)回路(20)上的熱循環(huán)分配器(24)和/或一些熱循環(huán)閥(25)，用于可選擇地調(diào)整通過(guò)該熱循環(huán)回路(20)的傳熱介質(zhì)流。
18.按照權(quán)利要求17所述的供暖系統(tǒng)，其特征為所述熱循環(huán)分配器(24)和/或熱循環(huán)閥(25)可針對(duì)三個(gè)接通階段調(diào)整18.1第一接通階段亦即解吸階段，在此階段內(nèi)在所述高溫源(21)與吸附器-解吸器單元(2)之間建立第一個(gè)傳熱介質(zhì)流動(dòng)循環(huán)以及在所述冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)與供暖裝置(23)之間建立第二個(gè)傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)；18.2第二接通階段亦即吸附階段，在此階段內(nèi)形成所述供暖裝置(23)與吸附器-解吸器單元(2)之間傳熱介質(zhì)的第一個(gè)流動(dòng)循環(huán)以及所述低溫源(22)與冷凝器-蒸發(fā)器單元(6)之間傳熱介質(zhì)的第二個(gè)流動(dòng)循環(huán)；18.3第三接通階段亦即旁通階段，在此階段內(nèi)形成所述高溫源(21)與供暖裝置(23)之間傳熱介質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固體吸附式熱泵，它包括一個(gè)具有一換熱器(3)和固體吸附材料(4)的吸附器－解吸器單元(2)。該吸附器－解吸器單元(2)與一冷凝器－蒸發(fā)器單元(6)一起裝在一個(gè)公共的對(duì)周圍環(huán)境密封的外殼(5)內(nèi)，其中，該吸附器－解吸器單元(2)與冷凝器－蒸發(fā)器單元(6)通過(guò)一可滲透吸附物的元件(7)彼此隔開。該吸附器－解吸器單元(2)包括一個(gè)導(dǎo)熱的、設(shè)置為與所述換熱器(3)導(dǎo)熱連接的接收體(9)。該接收體(9)容納所述吸附材料(4)以及賦予吸附器－解吸器單元(2)其穩(wěn)定性。所述公共外殼(5)的內(nèi)腔中為負(fù)壓。該公共外殼(5)設(shè)計(jì)為薄壁的金屬板外殼，其以這樣的方式套裝在所述接收體(9)上，即，使得因負(fù)壓產(chǎn)生的萎陷力傳導(dǎo)到所述接收體(9)和/或換熱器(3)及冷凝器－蒸發(fā)器單元(6)上。
文檔編號(hào)F25B30/04GK1656346SQ03811747
公開日2005年8月17日 申請(qǐng)日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月18日
發(fā)明者漢斯－馬丁·亨寧 申請(qǐng)人:索爾泰克股份公司