LUFTFAHRZEUG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Adsorptionskühlsystem und ein verbessertes Adsorptionskühlverfahren zum Kühlen zumindest einer Einrichtung und/oder eines Bereichs eines Luftfahrzeuges.

In einem Luftfahrzeug müssen beispielsweise die Kabine, die Galleys, die Speisewa- gen in den Galleys, elektronische Einrichtungen und dergleichen gekühlt werden. Hierzu wird üblicherweise eine Kompressionskältemaschine verwendet, bei der ein Kühlmittel mittels eines Verdichters komprimiert, in einem Kondensator kondensiert und in einem Verdampfer unter Abgabe von Kälteenergie entspannt wird. Eine Kompressionskältemaschine hat den Nachteil, dass insbesondere der Verdichter eine erhebliche Geräuschentwicklung verursacht. Ferner benötigt eine Kompressionskältemaschine relativ viel Antriebsenergie und es muss ein relativ hoher Betrag an Abwärme abgeführt werden. Der Einsatz einer Kompressionskältemaschine ist bei Luftfahrzeugen des Standes der Technik insbesondere am Boden erforderlich, wo die Außentemperaturen relativ hohe Werte erreichen können. Ferner müssen häufig fluorkohlenwasserstoffhaltige Kühlmittel verwendet werden, deren Verwendung mit Hinblick auf den Umweltschutz umstritten ist.

Um die zuvor genannten Probleme zu überwinden, wird versucht, in zukünftigen Luftfahrzeugen Adsorptionskühlsysteme einzusetzen. Ein beispielhaftes Adsorptions- kühlsystem ist in der DE 10 2006 054 560 Al beschrieben. Die zentrale Einrichtung des Adsorptionskühlsystems ist ein Adsorber, der ein Adsorptionsmedium enthält. An das Adsorptionsmedium lagert sich gasförmiges Adsorptionskühlmittel an, das in einem Kälteenergie bereitstellenden Verdampfer verdampft wird. Das Adsorptionsmedium ist vorzugsweise ein feinporöser Stoff, beispielsweise Aktivkohle, Zeolith, Silikagel oder dergleichen. Als Adsorptionskühlmittel kann Wasser oder Alkohol verwendet werden. Das Adsorptionskühlmittel kann sich lediglich in mehreren Moleküllagen am Adsorptionsmedium anlagern. Ist das Adsorptionsmedium vollständig mit Adsorptionskühlmittel benetzt, so dass sich kein weiteres Adsorptionskühlmittel anlagern kann, ist der Adsorber gesättigt und muss regeneriert werden. Hierfür wird das Adsorptionsmedium erwärmt, so dass das an dem Adsorptionsmedium angelagerte Adsorptionskühlmittel desorbiert wird. Das desorbierte Adsorptionskühlmittel wird kondensiert, einem optionalen Reservoir als flüssiges Adsorptionskühlmittel zugeführt und anschließend über ein Expansionsventil an den eingangs beschriebenen Verdampfer zurückgeleitet. Im Adsorptionsbetrieb des Adsorptionskühlsystem kann somit Kälteenergie erzeugt wird, während im Desorptionsbetrieb bzw. Regenerationsbetrieb des Adsorptionskühlsystem nicht nur keine Kälteenergie erzeugt werden kann, sondern sogar Regenerationsenergie in Form von Wärmeenergie zugeführt werden muss. Das aus der DE 10 2006 054 560 Al bekannte Adsorptionskühlsystem weist daher zwei Adsorber auf, die alternierend zum Adsorbieren von Adsorptionskühlmittel verwendet bzw. regeneriert werden, so dass eine quasikontinuierliche Kühlung möglich ist.

Adsorptionskühlsysteme haben den Vorteil, dass kein Verdichter erforderlich ist, wodurch der zum Kühlen erforderliche Energieaufwand reduziert und die Systemzuverlässigkeit erhöht werden kann. Ferner ist ein Adsorptionskühlsystem relativ geräuscharm betreibbar. Schließlich erfordert ein Adsorptionskühlsystem kein fluorkohlenwasserstoffhaltiges Kühlmittel, sondern kann umweltfreundlich mit Wasser betrieben werden. Bekannte Adsorptionskühlsysteme weisen jedoch noch Defizite hinsichtlich ihrer Energieeffizienz auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zum Einsatz an Bord eines Luftfahr- zeugs geeignetes, energieeffizient betreibbares Adsorptionskühlsystem bereitzustellen. Femer ist die Erfindung auf die Aufgabe gerichtet, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Adsorptionskühlsystems anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Adsorptionskühlsystem für ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Adsorptionskühlsystems für ein Luftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst.

Das erfindungsgemäße Adsorptionskühlsystem für ein Luftfahrzeug umfasst einen beispielsweise in Form eines Wärmetauschers ausgebildeten Verdampfer. Der Ver- dampfer dient dazu, ein flüssiges Adsorptionskühlmittel, beispielsweise Wasser in den gasförmigen Aggregatzustand zu überführen. Das Adsorptionskühlsystem umfasst ferner einen ersten Adsorber, der ein erstes Adsorptionsmedium zur Adsorption des in dem Verdampfer verdampften Adsorptionskühlmittels enthält. Ein zweiter Adsorber des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems enthält ein zweites Adsorptionsme- dium zur Adsorption des in dem Verdampfer verdampften Adsorptionskühlmittels. Als Adsorptionsmedium kann Aktivkohle, Zeolith oder Silikagel eingesetzt werden, wobei in dem ersten und in dem zweiten Adsorber das gleiche Adsorptionsmedium oder unterschiedliche Adsorptionsmedien zum Einsatz kommen kann/können. Der erste und der zweite Adsorber des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems sind wechselweise in einem Adsorptionsbetrieb, in dem an dem Adsorptionsmedium des Ad- sorbers Adsorptionskühlmittel adsorbiert wird, und einem Desorptionsbetrieb, in dem an dem Adsorptionsmedium des Adsorbers angelagertes Adsorptionskühlmittel de- sorbiert wird, betreibbar. Das Adsorptionskühlsystem ist folglich quasi-kontinuierlich betreibbar, da jeweils ein Adsorber Adsorptionskühlmittel adsorbieren und der andere Adsorber regeneriert werden kann.

Das erfindungsgemäße Adsorptionskühlsystem umfasst ferner ein Wärmeübertragungssystem, das dazu eingerichtet ist, während einer Übergangsbetriebsphase, während der ein Adsorber vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführt wird und der andere Adsorber vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführt wird, mittels eines Wärmeübertragungsfluids Wärmeenergie von dem vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführten Adsorber auf den vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber zu übertragen. Mit anderen Worten, das Wärmeübertragungssystem des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems ist dazu in der Lage, die Wärmeenergie, die in einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Adsorber aufgrund der Zufuhr von Regenerations- energie in den Adsorber gespeichert ist, auf einen vom Adsorptionsbetrieb in den

Desorptionsbetrieb zu überführenden Adsorber zu übertragen und dort als Regenerationsenergie zu nutzen. Das erfindungsgemäße Adsorptionskühlsystem ist daher besonders energieeffizient betreibbar. Darüber hinaus kann die Übergangsbetriebsphase verkürzt und folglich ein verbesserter quasi-kontinuierlicher Betrieb des Ad- sorptionskühlsystems realisiert werden.

Das Wärmeübertragungssystem kann ein Leitungsnetz sowie eine Mehrzahl von in dem Leitungsnetz angeordneten Ventilen umfassen, die entsprechend geschaltet werden können, um mittels des Wärmeübertragungsfluids Wärmeenergie von dem vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführten Adsorber auf den vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber zu übertragen.

Das Wärmeübertragungssystem kann ferner eine Heizeinrichtung umfassen und dazu eingerichtet sein, einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Adsorber zur Regenerati- on des Adsorbers bzw. des in dem Adsorber enthaltenen Adsorptionsmediums Wärmeenergie zuzuführen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise in Form eines Wärmetauschers ausgebildet sein, aber auch eine beliebige andere Heizeinrichtung, beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung sein. Die Heizeinrichtung dient vorzugsweise dazu, das Wärmeübertragungsfluid auf eine erhöhte Temperatur aufzuheizen. Mit Hilfe des Wärmeübertragungsfluids kann die von der Heizeinrichtung bereitgestellte Wärmeenergie dann dem zu regenerierenden Adsorber zugeführt werden.

Eine weitere Steigerung der Energieeffizienz des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems ist möglich, wenn die Heizeinrichtung mit einer Verlustwärme abgebenden Einrichtung des Luftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist. Die Verlustwärme abgebende Einrichtung kann beispielsweise eine Klimaanlage, eine Antriebseinrichtung oder ein Energiespeicher des Luftfahrzeugs sein. Beispielsweise kann Triebwerkszapfluft oder die beim Abkühlen der Triebwerkszapfluft in der Luftfahrzeugklimaanlage entstehende Abwärme als Wärmeenergiequelle für die Heizeinrichtung verwendet werden. Es ist auch denkbar, die von einer Hilfsturbine, der sogenannten Auxiliary Power Unit, erzeugte Abwärme als Wärmeenergiequelle für die Heizeinrichtung zu verwenden. Dadurch sinkt der Gesamtenergiebedarf des Luftfahrzeuges. Ferner wird das Gewicht des Luftfahrzeuges reduziert, da der elektrische Generator aufgrund der Tatsache, dass kein elektrisch betriebener Verdichter eines Kompressi- onskühlungssystems oder eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung eines Adsorpti- onskühlsystems mit elektrischer Energie versorgt werden muss, kleiner dimensioniert werden kann.

Das Wärmeübertragungssystem des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems kann ferner eine Kühleinrichtung umfassen und dazu eingerichtet sein, einem im Adsorptionsbetrieb betriebenen Adsorber zur Kühlung des Adsorbers bzw. des in dem Adsorber enthaltenen Adsorptionsmediums Kälteenergie zuzuführen. Durch die Kühlung des Adsorptionsmediums eines im Adsorptionsbetrieb betriebenen Adsorbers wird sichergestellt, dass das Adsorptionsmedium seine elektrostatische Anziehungskraft für das gasförmige Adsorptionskühlmittel beibehält. Vorzugsweise ist die Kühl- einrichtung so gestaltet, dass sie das Wärmeübertragungsfluid auf eine gewünschte tiefe Temperatur abkühlt, so dass dem im Adsorptionsbetrieb betriebenen Adsorber über das Wärmeübertragungsfluid die von der Kühleinrichtung erzeugte Kälteenergie zugeführt werden kann. Beispielsweise kann die Kühleinrichtung in Form eines Wärmetauschers ausgebildet sein, in dem Umgebungsluft als Kälteenergiequelle genutzt wird. Vorzugsweise weist die Kühleinrichtung ein Gebläse auf, das einen Umgebungsluftstrom über von Wärmeübertragungsfluid durchströmte Kühllamellen der Kühleinrichtung führt. Das erfindungsgemäße Adsorptionskühlsystem kann ferner einen Kondensator zur Kondensation von aus einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Adsorber abgeführtem Adsorptionskühlmittel umfassen. Der Kondensator kann mit dem Verdampfer _. 5 verbunden sein, um dem Verdampfer Adsorptionskühlmittel im flüssigen Aggregatzustand zur erneuten Verdampfung zuzuführen. Zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer kann ferner ein Expansionsventil angeordnet sein.

Ferner umfasst das erfindungsgemäße Adsorptionskühlsystem vorzugsweise einen lo ersten Drucksensor zur Messung des Adsorptionskühlmitteldrucks im Kondensator, einen zweiten Drucksensor zur Messung des Adsorptionskühlmitteldrucks in einem Adsorber und eine elektronische Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, von den Drucksensoren bereitgestellte Signale zu erfassen. Bei dem erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystem ist vorzugsweise jeder Adsorber mit einem zweiten Drucksen- i5 sor zur Messung des Adsorptionskühlmitteldrucks in dem Adsorber ausgestattet.

Vorzugsweise steuert die elektronische Steuereinheit das Wärmeübertragungssystem des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems derart, dass während der Übergangsbetriebsphase die Zufuhr von Wärmeenergie zu dem vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber beendet wird, wenn der Adsorptions- 20 kühlmitteldruck in dem Adsorber dem Adsorptionskühlmitteldruck im Kondensator entspricht. Dadurch wird verhindert, dass Adsorptionskühlmittel vom Kondensator in den Adsorber strömt, wenn zu Beginn des Desorptionsbetriebs des Adsorbers eine Fluidverbindung zwischen dem Kondensator und dem Adsorber geöffnet wird. 5 Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Adsorptionskühlsystems für ein Luftfahrzeug mit einem Verdampfer, einem ersten Adsorber, der ein erstes Adsorptionsmedium zur Adsorption eines in dem Verdampfer verdampften Adsorptionskühlmittels enthält, und einem zweiten Adsorber, der ein zweites Adsorptionsmedium zur Adsorption des in dem Verdampfer verdampften Adsorptionskühl- o mittels enthält, wobei der erste und der zweite Adsorber wechselweise in einem

Adsorptionsbetrieb und einem Desorptionsbetrieb betreibbar sind, so dass jeweils ein Adsorber Adsorptionskühlmittel adsorbieren und der andere Adsorber regeneriert werden kann, wird während einer Übergangsbetriebsphase, während der ein Adsorber vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführt wird und der andere 5 Adsorber vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführt wird, mittels eines Wärmeübertragungsfluids Wärmeenergie von dem vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführten Adsorber auf den vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber übertragen.

Das Wärmeübertragungssystem des Adsorptionskühlsystems umfasst vorzugsweise ein Leitungsnetz sowie eine Mehrzahl von in dem Leitungsnetz angeordneten Ventilen, die entsprechend geschaltet werden können, und während der Übergangsbetriebsphase mittels des Wärmeübertragungsfluids Wärmeenergie von dem vom Desorptionsbetrieb in den Adsorptionsbetrieb überführten Adsorber auf den vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber zu übertragen.

Eine Heizeinrichtung des Wärmeübertragungssystems führt vorzugsweise einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Adsorber zur Regeneration des Adsorbers bzw. des in dem Adsorber enthaltenen Adsorptionsmediums Wärmeenergie zu.

Vorzugsweise wird der Heizeinrichtung von einer Verlustwärme abgebenden Einrichtung des Luftfahrzeugs Verlustwärme zugeführt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens führt eine Kühleinrichtung des Wärmeübertragungssystems einem im Adsorptionsbetrieb betriebenen Adsorber zur Kühlung des Adsorbers bzw. des in dem Adsorber enthaltenen Adsorptionsmediums Kälteenergie zu.

Vorzugsweise wird aus einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Adsorber abgeführtes Adsorptionskühlmittel in einem Kondensator kondensiert. Eine elektronische Steuereinheit kann Signale von einem ersten Drucksensor zur Messung des Adsorptionskühlmitteldrucks im Kondensator und einem zweiten Drucksensor zur Messung des Adsorptionskühlmitteldrucks in einem Adsorber erfassen und das Wärmeübertragungssystem des erfindungsgemäßen Adsorptionskühlsystems derart steuern, dass während der Übergangsbetriebsphase die Zufuhr von Wärmeenergie zu dem vom Adsorptionsbetrieb in den Desorptionsbetrieb überführten Adsorber beendet wird, wenn der Adsorptionskühlmitteldruck in dem Adsorber dem Adsorptionskühlmitteldruck im Kondensator entspricht. Die Erfindung wird jetzt mit Hilfe der beigefügten Figuren detaillierter beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Adsorptionskühlsystem in einem Betriebszustand, in dem in einem ersten Adsorber Adsorptionskühlmittel desorbiert und in einem zweiten

Adsorber Adsorptionskühlmittel adsorbiert wird;

Figur 2 das Adsorptionskühlsystem gemäß Figur 1 in einem Betriebszustand, in dem zwischen einem Adsorptionsbetrieb und einem Desorptionsbetrieb der Adsorber umgeschaltet wird;

Figur 3 das Adsorptionskühlsystem gemäß Figur 1 in einem Betriebszustand, in dem in dem ersten Adsorber Adsorptionskühlmittel adsorbiert und in dem zweiten Adsorber Adsorptionskühlmittel desorbiert wird; und

Figur 4 das Adsorptionskühlsystem gemäß Figur 1 in einem Betriebszustand, in dem erneut zwischen einem Adsorptionsbetrieb und einem Desorptionsbetrieb der Adsorber umgeschaltet wird.

Ein in den Figuren gezeigtes Luftfahrzeug-Adsorptionskühlsystem 1 weist einen ersten Adsorber 2 mit einem ersten Adsorptionsmedium, einen zweiten Adsorber 4 mit einem zweiten Adsorptionsmedium, einen Kondensator 8, ein Expansionsventil 6 und einen Verdampfer 18 auf. Das Adsorptionsmedium (nicht gezeigt) in den Adsorbern 2, 4 kann beispielsweise Aktivkohle, Zeolith, Silikagel sein. Das Adsorptionskühlsys- tem 1 umfasst ferner einen Adsorptionskühlmittelkreislauf 9, in dem ein Adsorptionskühlmittel im Kreislauf geführt wird und in dem ein erstes Adsorptionssteuerventil 10, ein zweites Adsorptionssteuerventil 12, ein drittes Adsorptionssteuerventil 14 und ein viertes Adsorptionssteuerventil 16 angeordnet sind. Als Adsorptionskühlmittel kann beispielsweise Wasser und/oder Alkohol verwendet werden.

Bei der Verdampfung des Adsorptionskühlmittels im Verdampfer 18 wird Kühlenergie in Form von Verdampfungskälte frei, die beispielsweise mittels eines durch ein Verdampfergebläse 20 erzeugten Luftstroms an einen Einsatzort geführt werden kann. Der als Wärmetauscher ausgebildete Verdampfer 18 muss nicht notwendigerweise Luft kühlen, sondern kann ein beliebiges Kühlmedium, beispielsweise ein beliebiges Fluid oder einen beliebigen Feststoff, kühlen. Die von dem Verdampfer 18 erzeugte Kühlenergie kann zum Kühlen eines Teilbereichs einer Kabine, eines Teilbereichs einer Galley, eines Speisewagens in der Galley, einer elektronischen Einrichtung, beispielsweise einer Flugsteuerungseinrichtung, eines elektronischen Unterhaltungssystems, etc. verwendet werden.

.5 In dem Verdampfer 18 verdampftes Adsorptionskühlmittel lagert sich an dem Adsorptionsmedium eines im Adsorptionsbetrieb betriebenen Adsorbers 2, 4 an. Durch das Adsorbieren des gasförmigen Adsorptionskühlmittels verringert sich der Partial- druck des Adsorptionskühlmittels im Verdampfer 18. Dies führt dazu, dass weiteres flüssiges Adsorptionskühlmittel im Verdampfer 18 verdampft. Aus einem im Desorpti- lo ons- oder Regenerationsbetrieb betriebenen Adsorber 2, 4 wird dagegen Adsorptionskühlmittel im gasförmigen Aggregatzustand abgeführt und in den Kondensator 8 geleitet. Im Kondensator 8 oder stromabwärts des Kondensators 8 kann sich ein Reservoir (nicht gezeigt) befinden. Nach der Kondensation in dem Kondensator 8 wird das Adsorptionskühlmittel über das Expansionsventil 6 in den Verdampfer 18 zur i5 erneuten Verdampfung zurückgeführt.

In dem in Figur 1 gezeigten Betriebszustand des Adsorptionskühlsystems 1 wird der zweite Adsorber 4 im Adsorptionsbetrieb betrieben, während der erste Adsorber 2 bzw. das erste Adsorptionsmedium in dem ersten Adsorber 4 regeneriert wird. Das 20 erste Adsorptionssteuerventil 10 und das vierte Adsorptionssteuerventil 16 sind geöffnet, wohingegen das zweite Adsorptionssteuerventil 12 und das dritte Adsorptionssteuerventil 14 geschlossen sind.

Im Folgenden wird ein Wärmeübertragungssystem des Adsorptionskühlsystems 1 5 näher erläutert, das dazu dient, den Adsorbern 2, 4 und dem Kondensator 8, je nach Bedarf, Kühlenergie oder Wärmeenergie zuzuführen. In einem von einem Wärme- übertragungsfluid durchströmten Leitungsnetz des Wärmeübertragungssystems sind eine Heizeinrichtung 50, eine Kühleinrichtung 52, ein erstes Versorgungsventil 60, ein zweites Versorgungsventil 62, ein drittes Versorgungsventil 64, ein viertes Ver- o sorgungsventil 66, ein fünftes Versorgungsventil 68, ein sechstes Versorgungsventil 70, ein siebtes Versorgungsventil 72, ein achtes Versorgungsventil 74 und ein neuntes Versorgungsventil 76 angeordnet. Das Wärmeübertragungsfluid kann aufgrund natürlicher Konvektion oder aufgrund einer von einer ersten Pumpe 54 und einer zweiten Pumpe 56 erzeugten Zwangskonvektion durch das Leitungsnetz gefördert 5 werden. Das Wärmeübertragungsfluid kann sowohl gasförmig als auch flüssig sein, wobei ein flüssiges Wärmeübertragungsfluid bevorzugt ist. Das Wärmeübertragungsfluid kann beispielsweise Wasser, ein Gemisch aus Wasser und Glykol oder ein Perfluorpolyether, z.B. der von Solvay Solexis unter dem Markennamen Galden HT- 135 angebotene Perfluorpolyether sein.

Der Heizeinrichtung 50 wird Abwärme zugeführt, die in einer anderen Einrichtung .5 des Luftfahrzeugs als Verlustwärme erzeugt wird. Die Verlustwärme kann beispielsweise die von einer Turbine, einem Verbrennungsmotor, einem Elektromotor, einem Hilfsaggregat oder einem Energiespeicher des Luftfahrzeugs erzeugte Verlustwärme sein. Es ist auch möglich, die Verlustwärme zu nutzen, die beim Kühlen von Triebwerkszapfluft entsteht. Diese Verlustwärme wird bei derzeitigen Luftfahrzeugen über lo Stauluftwärmetauscher an die Umgebung des Luftfahrzeuges abgegeben. Es ist aber auch möglich, dass die Heizeinrichtung 50 direkt mit heißer Triebwerkszapfluft versorgt wird oder in Form einer elektrischen Heizeinrichtung ausgebildet ist.

In dem in Figur 1 dargestellten Betriebszustand des Adsorptionskühlsystems 1 sind i5 das erste Versorgungsventil 60, das vierte Versorgungsventil 66, das fünfte Versorgungsventil 68 und das achte Versorgungsventil 74 geöffnet, wohingegen das zweite Versorgungsventil 62, das dritte Versorgungsventil 64, das sechste Versorgungsventil 70 und das siebte Versorgungsventil 72 geschlossen sind. Das in der Heizeinrichtung 50 erwärmte Wärmeübertragungsfluid wird von der ersten Pumpe 54 durch das 20 geöffnete erste Versorgungsventil 60 zum ersten Adsorber 2 gepumpt. Im ersten Adsorber 2 stellt das Wärmeübertragungsfluid dem ersten Adsorptionsmedium des ersten Adsorbers 2 Wärme bereit. Dadurch kann das erste Adsorptionsmedium des ersten Adsorbers 2 regeneriert werden. Das Wärmeübertragungsfluid tritt aus dem ersten Adsorber 2 aus und strömt über das geöffnete achte Versorgungsventil 74 zur 25 Heizeinrichtung 50, wo es erneut erwärmt wird.

Dem ersten Adsorber 2 kann so lange warmes Wärmeübertragungsfluid zugeführt werden, bis das in dem ersten Adsorber 2 enthaltene erste Adsorptionsmedium vollständig regeneriert ist. Es versteht sich, dass die Wärmezufuhr zum ersten Adsorber 0 2 auch unterbrochen werden kann, bevor dieser vollständig regeneriert ist. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, falls das zweite Adsorptionsmedium in dem zweiten Adsorber 4 vollständig gesättigt ist, bevor das erste Adsorptionsmedium in dem ersten Adsorber 2 vollständig regeneriert ist. 5 Die Kühleinrichtung 52 dient dazu, Wärmeübertragungsfluid zur Kühlung des sich im Adsorptionsbetrieb befindenden zweiten Adsorber 4 auf eine gewünschte tiefe Temperatur zu kühlen. In der Kühleinrichtung 52 kann Wärmeübertragungsfluid bei- spielsweise durch einen aus der Umgebung entnommenen Luftstrom gekühlt werden, der mittels eines Kϋhleinrichtungsgebläses 58 auf Lamellen der Kühleinrichtung 52 gerichtet wird, durch die das Wärmeübertragungsfluid strömt. Die zweite Pumpe 56 pumpt das gekühlte Wärmeübertragungsfluid von der Kühleinrichtung 52 durch das geöffnete vierte Versorgungsventil 66 zum zweiten Adsorber 4. Im zweiten Ad- sorber 4 kühlt das Wärmeübertragungsfluid das zweite Adsorptionsmedium des zweiten Adsorbers 4. Dadurch wird die Adsorptionsleistung des zweiten Adsorbers 4 verbessert, da die elektrostatische Anziehungskraft des Adsorptionsmediums für das Adsorptionskühlmittel bei einer niedrigeren Temperatur stärker ausgeprägt ist. Das Wärmeübertragungsfluid strömt vom zweiten Adsorber 4 durch das geöffnete fünfte Versorgungsventil 68 zur Kühleinrichtung 52 zurück, wo es erneut gekühlt wird.

Ferner wird das Wärmeübertragungsfluid von der Kühleinrichtung 52 mittels der zweiten Pumpe 56 zum Kondensator 8 gepumpt, wo es zu Abfuhr der durch die Kon- densation des Adsorptionskühlmittels in dem Kondensator 8 erzeugten Kondensationsabwärme verwendet wird. Nach dem Durchströmen des Kondensators 8 wird das beim Durchströmen des Kondensators 8 erwärmte Wärmeübertragungsfluid zur erneuten Kühlung in die Kühleinrichtung 52 zurückgeführt.

Im Folgenden werden zur Berechnung der erforderlichen Kühl- und Heizleistungen der einzelnen Komponenten des Adsorptionskühlsystems 1 folgende Symbole verwendet:

A Fläche am Totmassenverhältnis

Cp [kJ/ (kgK)] spezifische Wärmekapazität

COP Leistungszahl/Wärmeverhältr

Q [J] Wärmemenge

Q [W] Wärmestrom

Q [W] mittlerer Wärmestrom h [kJ/ kg] spezifische Enthalpie k [W/(m ² K)] Wärmedurchgangskoeffizient m [kg] Masse m [kg/ s] Massenstrom

V [mV s] Volumenstrom

P [W] elektrische Leistung

P [Pa] Druck r [kJ/ kg] Verdampfungsenthalpie t [S] Zeit

T [K] Temperatur q [kg _w /kg _z ] Beladung

X Proportionalitätsfaktor

Δ Differenz

3 [ ⁰ C] Temperatur λ [W/ (mK)] Wärmeleitfähigkeit

P [kg/ m ³ ] Dichte

Indizes:

0 Verdampfer, Verdampfung

1 Anfangszustand

2 Endzustand erf erforderlich hr Wärmerückgewinnung (Heat Recovery) htf Wärmeübertragungsfluid (Heat Transfer Fluid) hx Wärmetauscher (Heat-Exchanger) in Eingang out Ausgang

A Adsorptionsanfang

Abk Abkühlen

Auf Aufheizen

Ads Adsorption

Adsl Adsorberl

Ads2 Adsorber2

D Desorptionsanfang

Des Desorption

Kond Kondensator, Kondensation

Kühl Kühlung max maximal min minimal reg Regeneration

S Sättigung

W Wasser

Z Zeolith Die zum Desorbieren des zu regenerierenden ersten Adsorbers 2 erforderliche Leistung beträgt:

*Z Des ~ " ¹ IiIf ^c p K ¹ DeS _W It ^λ Des, m > \ i- )

5 Die zum Kühlen des Kondensators 8 und des adsorbierenden Adsorbers 4 erforderliche Kühlleistung kann wie folgt berechnet werden:

Q ii KuIiI _ ~ QϊiKond ^L p'" ^f - ^A T K ^ll o ^lf nd ,m ~ >\ ' +^ " m ^ι A'" ^J ds - c ^c p'" ^f - - ^A T A ^lu d ^f s.in λ )

wobei gilt: rhf _ds + rhf _ond = ™L" und τχ„ = T^ _{ld m} ;

10

Sobald das zweite Adsorptionsmedium des zweiten Adsorbers 4 gesättigt ist, muss es regeneriert werden. Ein Adsorptionsmedium ist dann gesättigt, wenn es kein weiteres Adsorptionskühlmittel mehr adsorbieren kann.

i5 Figur 2 zeigt einen Übergangsbetriebszustand, in dem der erste Adsorber 2 für den Adsorptionsbetrieb und der zweite Adsorber 4 für den Desorptionsbetrieb vorbereitet wird. Hierfür ist es erforderlich, dass der erste Adsorber 2 bzw. das erste Adsorptionsmedium gekühlt und der zweite Adsorber 4 bzw. das zweite Adsorptionsmedium erwärmt wird. Während der Übergangsbetriebsphase werden das erste, das zweite,

20 das dritte und das vierte Adsorptionssteuerventil 10, 12, 14, 16 geschlossen, und das Gebläse 20 des Verdampfers ausgeschaltet, so dass das Adsorptionskühlsystem 1 während der Übergangsbetriebsphase keine Kühlleistung bereitstellt.

Im Leitungsnetz des Wärmeübertragungssystem werden während des Übergangsbe- 25 triebszustands das zweite Versorgungsventil 62, das dritte Versorgungsventil 64, das fünfte Versorgungsventil 68 und das achte Versorgungsventil 74 geöffnet. Das erste Versorgungsventil 60, das vierte Versorgungsventil 66, das sechste Versorgungsventil 70, das siebte Versorgungsventil 72 und das neunte Versorgungsventil 76 werden dagegen geschlossen. Zusätzlich können die Kühleinrichtung 52, das Kühleinrich- 3o tungsgebläse 58 und die Heizeinrichtung 50 ausgeschaltet werden. Die zweite Pumpe 56 pumpt somit relativ kühles Wärmeübertragungsfluid vom zweiten Adsorber 4 über das fünfte Versorgungsventil 68, die Kühleinrichtung 52 und das zweite Versorgungsventil 62 zum ersten Adsorber 2. Das Wärmeübertragungsfluid im zweiten Adsorber 4 weist eine relativ niedrige Temperatur auf, da der zweite Adsorber 4 während des Adsorptionsbetriebs durch das Wärmeübertragungsfluid gekühlt wurde.

Das Wärmeübertragungsfluid wird im ersten Adsorber 2 durch Wärmeübertragung .5 von dem ersten Adsorptionsmedium erwärmt und strömt über das achte Versorgungsventil 74, die Heizeinrichtung 50, die erste Pumpe 54 und das dritte Versorgungsventil 64 zurück zum zweiten Adsorber 4. Das Wärmeübertragungsfluid transportiert folglich Wärmeenergie vom ersten Adsorber 2 zum zweiten Adsorber 4 und umgekehrt Kälteenergie, d.h. negative Wärmeenergie vom zweiten Adsorber 4 lo zum ersten Adsorber 2. Das geschlossene neunte Versorgungsventil 76 verhindert, dass während der Übergangsbetriebsphase Wärmeübertragungsfluid durch den Kondensator 8 strömt.

Da Wärmeenergie vom ersten Adsorber 2 zum zweiten Adsorber 4 transportiert wird i5 und umgekehrt Kälteenergie vom zweiten Adsorber 4 zum ersten Adsorber 2 transportiert wird, benötigt das Adsorptionskühlsystem 1 während der Übergangsbetriebsphase weniger Energie. Ferner kann das Umschalten der Adsorber 2, 4 vom Adsorptionsbetrieb auf den Desorptionsbetrieb und umgekehrt beschleunigt und damit die Dauer der Übergangsbetriebsphase, während der das Adsorptionskühlsys- 20 tem 1 keine Kühlleistung bereitstellt, verkürzt werden.

Das Adsorptionskühlsystem 1 kann während der Übergangsbetriebsphase als adiabat betrachtet werden, da lediglich ein Wärmeaustausch innerhalb des Adsorptionskühlsystem 1 erfolgt. Die von dem ersten Adsorber 2 auf den zweiten Adsorber 4 über- 25 tragene Wärmemenge kann wie folgt dargestellt werden:

reg ~ ) ^m _hlJ ^C p K ¹ AbKOM ¹ AhKm ) " * ~ ) ^m _/;(/ ^C p V ¹ AUf ₁ OW ^λ Auf ,m ) ^{Ü T} ( ^j )

Das erste Integral beschreibt die dem ersten Adsorber 2 entzogene Wärmemenge, 0 und das zweite Integral beschreibt die vom zweiten Adsorber 4 aufgenommene Wärmemenge.

Es versteht sich, dass die Heizeinrichtung 50 zum Bereitstellen zusätzlicher thermischer Energie und die Kühleinrichtung 52 zum Abführen thermischer Energie einge- 5 schaltet sein können, damit die Dauer der Übergangsbetriebsphase nochmals verkürzt werden kann. Im Kondensator 8 und in den Adsorbern 2, 4 sind jeweils Drucksensoren (nicht gezeigt) zum Messen des Adsorptionskühlmitteldrucks vorhanden. Die von den Drucksensoren bereitgestellten Signale werden von einer elektronischen Steuereinheit erfasst und verarbeitet. In Abhängigkeit der Drucksensorsignale steuert die elektronische Steuereinheit die Komponenten des Adsorptionskühlsystems 1 und insbesondere die Ventile 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 des Wärmeübertragungssystems derart, dass während der Übergangsbetriebsphase die Zufuhr von Wärme zu dem vom Adsorptionsbetrieb auf den Desorptionsbetrieb umzuschaltenden zweiten Adsor- ber 4 beendet wird, sobald in diesem der gleiche Adsorptionskühlmitteldruck herrscht wie im Kondensator 8. Dadurch wird verhindert, dass Adsorptionskühlmittel vom Kondensator 8 in den zweiten Adsorber 4 strömt, wenn im Desorptionsbetrieb des zweiten Adsorbers 4 die Fluidverbindung zwischen dem Kondensator 8 und dem zweiten Adsorber 4 geöffnet wird. Das Zirkulieren des Wärmeübertragungsfluids zwischen den Adsorbern 2, 4 kann folglich gezielt beendet werden, sobald der zweite Absorber 4 einen Betriebszustand erreicht hat, in dem mit dem Regenerieren des zweiten Adsorbers begonnen werden kann.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann die elektronische Steuereinheit die Komponenten des Adsorptionskühlsystems 1 und insbesondere die Ventile 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76 des Wärmeübertragungssystems derart steuern, dass während der Übergangsbetriebsphase die Zufuhr von Wärme zu dem vom Adsorptionsbetrieb auf den Desorptionsbetrieb umzuschaltenden zweiten Adsorber 4 beendet wird, wenn die Temperatur im zweiten Adsorber 4 nach Erreichen eines Maximalwertes wieder ab- fällt. Hierzu kann die elektronische Steuereinheit Signale von in den Adsorbern 2, 4 angeordneten Temperatursensoren (nicht gezeigt) erfassen und verarbeiten.

Figur 3 stellt einen Betriebszustand des Adsorptionskühlsystems 1 dar, in dem der erste Adsorber 2 Adsorptionskühlmittel adsorbiert und der zweite Adsorber 4 regene- riert wird. Hierzu werden das zweite Adsorptionssteuerventil 12 und das dritte Adsorptionssteuerventil 14 geöffnet, wohingegen das erste Adsorptionssteuerventil 10 und das vierte Adsorptionssteuerventil 16 geschlossen werden. Somit verdampft Adsorptionskühlmittel im zweiten Adsorber 4, das über das geöffnete zweite Adsorptionssteuerventil 12 zum Kondensator 8 strömt, wo es kondensiert. Anschließend strömt das Adsorptionskühlmittel zum Expansionsventil 6 und zum Verdampfer 18, wo es verdampft wird. Das gasförmige Adsorptionskühlmittel strömt durch das geöff- nete dritte Adsorptionssteuerventil 14 in den ersten Adsorber 2, wo es von dem ersten Adsorptionsmedium adsorbiert wird.

Der im Absorptionsbetrieb betriebene erste Adsorber 2 und der Kondensator 8 wer- .5 den von dem Wärmeübertragungssystem Kühlenergie versorgt. Im Gegensatz dazu führt das Wärmeübertragungssystem dem im Desorptionsbetrieb betriebenen zweiten Adsorber 4 Wärmeenergie zu. Hierzu werden das zweite Versorgungsventil 62, das dritte Versorgungsventil 64, das sechste Versorgungsventil 70, das siebte Versorgungsventil 72 und das neunte Versorgungsventil 76 geöffnet. Das erste Versor- lo gungsventil 60, das vierte Versorgungsventil 66, das fünfte Versorgungsventil 68 und das achte Versorgungsventil 74 werden geschlossen. Folglich pumpt die erste Pumpe 54 von der Heizeinrichtung 50 erwärmtes Wärmeübertragungsfluid durch das geöffnete dritte Versorgungsventil 64 zum zweiten Adsorber 4, so dass das zweite Adsorptionsmedium erwärmt wird. Das Wärmeübertragungsfluid tritt anschließend aus dem i5 zweiten Adsorber 4 aus und strömt über das geöffnete sechste Versorgungsventil 70 zur Heizeinrichtung 50 zurück.

Die zweite Pumpe 56 pumpt von der Kühleinrichtung 52 gekühltes Wärmeübertragungsfluid durch das neunte Versorgungsventil 76 zum Kondensator 8. Das Wärme- 20 übertragungsfluid strömt vom Kondensator 8 zur Kühleinrichtung 52 zurück. Ferner pumpt die zweite Pumpe 56 das von der Kühleinrichtung 52 gekühlte Wärmeübertragungsfluid durch das zweite Versorgungsventil 62 zum ersten Adsorber 2, so dass das erste Adsorptionsmedium wirksam gekühlt wird. Anschließend strömt das Adsorptionskühlmittel zur Kühleinrichtung 52 zurück.

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Sobald der erste Adsorber 2 gesättigt und/oder der zweite Adsorber 4 regeneriert ist, können die Adsorber 2, 4 wieder umgeschaltet werden. Dies wird mittels eines zweiten Umschaltvorganges durchgeführt, der im Wesentlichen dem in Figur 2 gezeigten ersten Umschaltvorgang entspricht, wobei beim zweiten Umschaltvorgang Wärme- 0 energie vom zweiten Adsorber 4 zum ersten Adsorber 2 übertragen wird. Dieser zweite Umschaltvorgang ist in Figur 4 dargestellt.

Während der in Figur 4 veranschaulichten Übergangsbetriebsphase werden das erste, zweite, dritte und vierte Adsorptionssteuerventil 10, 12, 14, 16 geschlossen. Der 5 Verdampfer 18 kann folglich während der Übergangsbetriebsphase keine Kühlleistung bereitstellen. Ferner werden das erste Versorgungsventil 60, das vierte Versorgungsventil 66, das sechste Versorgungsventil 70 und das siebte Versorgungsventil 72 geöffnet. Das zweite Versorgungsventil 62, das dritte Versorgungsventil 64, das fünfte Versorgungsventil 68, das achte Versorgungsventil 74 und das neunte Versorgungsventil 76 werden geschlossen. Die Heizeinrichtung 50 und die Kühleinrichtung 52 können ausgeschaltet werden. Die erste Pumpe 54 und die zweite Pumpe 56 pumpen warmes Wärmeübertragungsfluid vom zweiten Adsorber 4 über das sechste Versorgungsventil 70, die Heizeinrichtung 50 und das erste Versorgungsventil 60 zum ersten Adsorber 2, wodurch das erste Adsorptionsmedium erwärmt wird. Ferner wird kühles Wärmeübertragungsfluid vom ersten Adsorber 2 über das siebte Versorgungsventil 72, die Kühleinrichtung 52 und das vierte Versorgungsventil 66 zum zweiten Adsorber 4 geleitet, wodurch dem zweiten Adsorptionsmedium Wärme entzogen wird. Der Übergangsbetrieb wird fortgeführt, bis im ersten Adsorber 4 zumindest der gleiche Adsorptionsmitteldruck wie im Kondensator 8 herrscht. Im übrigen erfolgt der Übergangsbetrieb so, wie zuvor mit Bezugnahme auf Figur 2 beschrieben wurde. Nach dem Beenden der Übergangsbetriebsphase tritt das Adsorptionskühlsys- tem 1 wieder in den unter Bezugnahme auf Figur 1 beschriebenen Zustand ein. Das Adsorptionskühlsystem durchläuft die zuvor beschriebenen vier Betriebszustände gemäß Figuren 1 bis 4 zyklisch in der beschriebenen Reihenfolge.

Die Steuereinheit des Adsorptionskühlsystems 1 kann die Adsorptionssteuerungsven- tile 10, 12, 14, 16, das Expansionsventil 6, die Versorgungsventile 60, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, das Verdampfergebläse 20, die Heizeinrichtung 50, die Kühleinrichtung 52 und das Kühleinrichtungsgebläse 58 so steuern, wie zuvor unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 beschrieben wurde. Ferner können im Adsorptionskühlmittelkreislauf 9 Volumenstromsensoren vorgesehen sein, um zu bestimmen, ob ein Adsorber 2, 4 gesättigt ist. Es ist auch möglich, aus einer mittels eines geeigneten Temperatursensors gemessenen, steigenden Temperatur im Verdampfer 18 auf eine Sättigung eines Adsorbers 2, 4 zu schließen. Wenn beim Regenerieren eines Adsorbers 2, 4 festgestellt wird, dass die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids beim Durchströmen des Adsorbers 2, 4 nicht (wesentlich) abnimmt, kann der Adsor- ber 2, 4 vollständig regeneriert sein. Es können folglich eine Mehrzahl von im Leitungsnetz des Wärmeübertragungssystems angeordnete Temperatursensoren vorhanden sein. Die Signale der Volumenstromsensoren und der Temperatursensoren werden von der Steuerungseinrichtung erfasst und in entsprechende Steuersignale zur Steuerung der Komponenten des Adsorptionskühlsystems 1 umgesetzt.

Ferner müssen die Heizeinrichtung 50 und die Kühleinrichtung 52 nicht ausgeschaltet werden, falls kein Heizen bzw. Kühlen gewünscht ist. Statt dessen können entspre- chende Bypassleitungen und/oder Bypassventile vorgesehen sein, die dafür sorgen, dass das Wärmeübertragungsfluid an einer dieser Einrichtungen vorbeiströmt. Die kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn die Heizeinrichtung 50 von einer immer Verlustwärme abgebenden Einrichtung mit Wärmeenergie versorgt wird.