WO2012156481A2 | 2012-11-22 |
DE102007061551A1 | 2009-07-02 | |||
DE102006011409A1 | 2007-06-14 | |||
US20040007011A1 | 2004-01-15 | |||
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DE102014211703A1 | 2014-12-24 | |||
DE102011003664A1 | 2012-08-09 |
Ansprüche 1 . Adsorptionswärmepumpe - mit einem Hochtemperaturkreislauf (30) für einen Hochtemperaturwärmeträger (28), der einen Hochtemperaturvorlauf (32) und Hochtemperaturrücklauf (34) umfasst, - mit einem Mitteltemperaturkreislauf (38) für einen Mitteltemperaturwärmeträger (36), der einen Mitteltemperaturvorlauf (40) und einem Mitteltemperaturrücklauf (42) umfasst, - mit mindestens einem Sorptionsmodul (18), das eine Sorptionszone (20), eine Phasenwechselzone (24), ein Arbeitsmedium (26), das zwischen der Sorptionszone (20) und der Phasenwechselzone (24) verlagerbar ist, ein Sorptionsmittel (22) zum Adsorbieren und Desorbieren des Arbeitsmediums (26), das in der Sorptionszone (20) angeordnet ist, einen ersten Strömungskanal (52), der im thermischen Kontakt mit dem Sorptionsmittel (22) steht, einen zweiten Strömungskanal (54), der im thermischen Kontakt mit der Phasenwechselzone (24) steht, aufweist, - wobei die Adsorptionswärmepumpe (10) mindestens zwei Ventile (56, 77, 79) umfasst, die unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, - dass ein erstes Ventil (77) den Hochtemperaturvorlauf (32) und den Mitteltemperaturvorlauf (40) mit dem ersten Strömungskanal (52) verbindet, - dass ein zweites Ventil (79) den Hochtemperaturrücklauf (34) und den Mitteltemperaturrücklauf (42) mit dem ersten Strömungskanal (52) verbindet, - dass die Ventile (56, 77, 79) einen ersten Anschluss (58), einen zweiten Anschluss (60) und einen dritten Anschluss (62) aufweisen, wobei jeweils eine erste fluidische Verbindung (71 ) zwischen dem ersten Anschluss (58) und dem dritten Anschluss (62) und eine zweite fluidische Verbindung (73) zwischen dem zweiten Anschluss (60) und dem dritten Anschluss (62) steuerbar sind, - dass die Ventile (56, 77, 79) eine Schließstellung (70) aufweisen, in der beide Verbindungen geschlossen sind, - dass die Ventile (56, 77, 79) eine erste Offenstellung (72) aufweisen, in der eine erste fluidische Verbindung (71 ) geöffnet ist und eine zweite fluidische Verbindung (73) geschlossen ist, - dass die Ventile (56, 77, 79) eine zweite Offenstellung (74) aufweisen, in der die zweite fluidische Verbindung (73) geöffnet ist und die erste fluidische Verbindung (71 ) geschlossen ist, - dass die Ventile (56) mindestens eine Zwischenstellung (75) aufweisen, in der die erste oder die zweite Verbindung (71 , 73) teilweise geöffnet ist und die jeweilige andere Verbindung (71 , 73) geschlossen ist. 2. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (56) derart ausgebildet sind, dass die Ventile (56) die Schließstellung (70), die Offenstellungen (72, 74) und die mindestens einen Zwischenstellung (75), leistungslos halten. 3. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärmepumpe (10) einen Niedertemperaturkreislauf (46) für einen Niedertemperaturwärmeträger (44), der einen Niedertemperaturvorlauf (48) und einen Niedertemperaturrücklauf (50) aufweist. 4. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärmepumpe (10) mindestens vier Ventile (56, 77, 79, 80, 84) aufweist, die unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar sind, - wobei ein drittes Ventil (80) den Niedertemperaturvorlauf (48) und den Mitteltemperaturvorlauf (40) mit dem zweiten Strömungskanal (54) verbindet, und - wobei ein viertes Ventil (84) den Niedertemperaturrücklauf (50) und den Mitteltemperaturrücklauf (42) mit dem zweiten Strömungskanal (54) verbindet. 5. Adsorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass in einer Desorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf (32) und dem ersten Strömungskanal (52) und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal (52) und dem Hochtemperaturrücklauf (34) geöffnet sind, und - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass in einer Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf (40) und dem ersten Strömungskanal (52) und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal (52) und dem Mitteltemperaturrücklauf (42) geöffnet sind, - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf (40) und dem ersten Strömungskanal (52) teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal (52) und dem Hochtemperaturrücklauf (34) teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. 6. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf (32) und dem ersten Strömungskanal (52) teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal (52) und dem Mitteltemperaturrücklauf (42) teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. 7. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass in der Desorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf (40) und dem zweiten Strömungskanal (54) und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal (54) und dem Mitteltemperaturrücklauf (42) geöffnet sind, und - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass in der Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) die Verbindung zwischen dem Niedertemperaturvorlauf (48) und dem zweiten Strömungskanal (54) und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal (54) und dem Niedertemperaturrücklauf (50) geöffnet sind. 8. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass bei dem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Niedertemperaturvorlauf (48) und dem zweiten Strömungskanal (54) teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal (54) und dem Mitteltemperaturrücklauf (42) teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. 9. Adsorptionswärmepumpe nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, - dass die Adsorptionswärmepumpe (10) derart ausgebildet ist, dass bei dem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf (40) und dem zweiten Strömungskanal (54) teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal (54) und dem Niedertemperaturrücklauf (50) teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. 10. Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionswärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Adsorptionswärmepumpe (10) diskontinuierlich betrieben wird, wobei in einer Desorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) der erste Strömungskanal (52) von dem Hochtemperaturwärmeträger (28) durchströmt wird und in einer Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls (18) der erste Strömungskanal (52) von dem Mitteltemperaturwärmeträger (36) durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase der Mitteltemperaturwärmeträger (36) gedrosselt durch den ersten Strömungskanal (52) strömt und in einen Hochtemperaturrücklauf (34) geleitet wird. 1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase der Hochtemperaturwärmeträger (28) gedrosselt durch den ersten Strömungskanal (52) strömt und in einen Mitteltemperaturrücklauf (42) geleitet wird. ***** |
Die Erfindung betrifft eine Adsorptionswärmepunnpe mit einem Hochtemperaturkreislauf für einen Hochtemperaturwärmeträger, der einen Hochtemperaurvorlauf und einen Hochtemperaturrücklauf umfasst.
Wärmepumpen werden in der Regel mit einem Fluid betrieben, das bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampft und nach der Verdichtung auf einem höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensiert. Dadurch kann durch mechanische Arbeit in Form der Druckänderungen Wärme von der Verdampfungszone zu der Kondensationszone übertragen werden. Bei Adsorptionswärmepumpen werden die Druckunterschiede dadurch erreicht, dass ein Adsorptionsmittel das Fluid bei einem niedrigen Druck adsorbiert und bei einem höheren Druck desor- biert. Beim Desorbieren wird dem Adsorptionsmittel auf einem hohen Temperaturniveau Wärme zugeführt und beim Adsorbieren wird dem Adsorptionsmittel auf einem niedrigeren Temperaturniveau Wärme entzogen. Dadurch kann die für die Wärmepumpe benötigten Druckunterschiede durch Wärmen und Kühlen des Adsorptionsmittels erzielt werden. Es wird also keine mechanische Energie, sondern thermische Energie verwendet, um die Wärmepumpe zu betreiben. Dieser Pro- zess kann nicht kontinuierlich durchgeführt werden, da das Adsorptionsmittel in der Regel ein Feststoff ist, welcher an Ort und Stelle verbleiben muss. Aus diesem Grund werden Adsorptionswärmepumpen diskontinuierlich betrieben und wechseln zyklisch zwischen Adsorption und Desorption.
Dabei wird die Sorptionszone wechselnd mittels eines Hochtemperaturwärmeträgers und mittels eines Mitteltemperaturwärmeträgers temperiert, so dass das Desorptionsm ittel in der Sorptionszone zwischen Adsorption und Desorption wechselt. Für das Umschalten zwischen Adsorption und Desorption ist aus dem Stand der Technik bekannt, Rotationsventile zu verwenden. Solche Rotationsventile sind beispielsweise aus der DE 10 2009 036 545 A1 und der DE 10 2014 21 1 703 A1 bekannt. Solche Rotationsventile haben den Nachteil, dass eine Skalierung der Adsorptionswärmepumpe nicht möglich ist, da die Rotationsventile auf eine feste Anzahl an Sorptionsmodulen ausgelegt sind.
Aus der DE 10 201 1 003 664 A1 ist eine Adsorptionswärmepumpe bekannt, welche unabhängige Ventile aufweist, um zwischen dem Hochtemperaturwärmeträger und dem Mitteltemperaturwärmeträger umzuschalten. Bei dieser Ausgestaltung ist die Möglichkeit, Wärme, die beim Aufheizen der Sorptionszone aufgewendet wurde, zurückzugewinnen sehr stark eingeschränkt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Flexibilität und den Wirkungsgrad einer Adsorptionswärmepumpe zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, Ventile zur Beschaltung der Sorptionsmodule zu verwenden, welche eine möglichst flexible und energiesparende Steuerung der Sorptionsmodule ermöglichen. Zweckmäßig ist es, dass ein erstes Ventil den Hochtemperaturvorlauf und den Mitteltemperaturvorlauf mit dem ersten Strömungskanal verbindet, das ein zweites Ventil den Hochtemperaturrücklauf und den Mitteltemperaturrücklauf mit dem ersten Strömungskanal verbindet, dass die Ventile einen ersten Anschluss einen zweiten Anschluss und einen dritten Anschluss aufweisen, wobei jeweils eine fluidwirksame Verbindung zwischen dem ersten und dem dritten Anschluss und eine fluidwirksame Verbin- dung zwischen dem zweiten und dem dritten Anschluss steuerbar ist, dass die Ventile eine Schließstellung aufweisen, in der beide Verbindungen geschlossen sind, dass die Ventile eine erste Offenstellung aufweisen, in der eine erste Verbindung geöffnet und eine zweite Verbindung geschlossen ist, dass die Ventile eine zweite Offenstellung aufweisen, in der die zweite Verbindung geöffnet ist und die erste Verbindung geschlossen ist, dass die Ventile mindestens eine Zwischenstellung aufweisen, in der die erste oder die zweite Verbindung teilweise geöffnet ist und die jeweilige andere Verbindung geschlossen ist. Dadurch kann die Sorptionszone nicht nur zwischen zwei Temperaurniveaus hin und her geschaltet werden, durch Wechsel zwischen dem Hochtemperaturkreislauf und dem Mitteltemperaturkreislauf, sondern durch die Zwischenstellungen, in der nur eine gedrosselte Strömung möglich ist, kann beispielsweise in einer Kreuzschaltung Wärme aus den Sorptionsmodulen zurückgewonnen werden, oder anders ausgedrückt, es kann eine schädliche Verschleppung von Wärme vom Kreislauf höherer Temperatur auf den Kreislauf niedrigerer Temperatur minimiert werden.
Dadurch kann der Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpe verbessert werden.
Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Ventile derart ausgebildet sind, dass die Ventile die Schließstellung, die Offenstellungen und die mindestens eine Zwischenstellung leistungslos halten können. Auf diese Weise wird keine Energie verbraucht, wenn die Ventile in einer bestimmten Stellung verharren, so dass insgesamt der Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpe verbessert werden kann.
In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird unter "leistungslos" verstanden, dass keine Leistung zugeführt werden muss. Das bedeutet, dass die Ventile in dieser Zeit keine Energie verbrauchen. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung von selbsthemmenden Getrieben oder Schrittmotoren erzielt werden. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Adsorptionswärme- pumpe einen Niedertemperaturkreislauf für einen Niedertemperaturwärmeträger mit einem Niedertemperaturvorlauf und einem Niedertemperaturrücklauf aufweist. Dadurch kann die in einer Verdampfungsphase in der Phasenwechselzone aufgenommene Wärme genutzt werden, um den Niedertemperaturwärmeträger zu kühlen. Der Niedertemperaturwärmeträger kann zur Kühlung eines Raumes oder eines Produktes genutzt werden.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe mindestens vier Ventile aufweist, die unabhängig voneinander steuerbar und/oder regelbar sind, wobei ein drittes Ventil alternativ den Niedertemperaturvorlauf oder den Mitteltemperaturvorlauf mit dem zweiten Strömungskanal verbindet und wobei ein viertes Ventil den Niedertemperaturrücklauf oder den Mitteltemperaturrücklauf mit dem zweiten Strömungskanal verbindet. Dadurch kann auch die Beströmung der Phasenwechselzone hochflexibel angesteuert werden, so dass auch aus der Phasenwechselzone Wärme zurückgewonnen werden kann.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass in einer Desorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal und dem Hochtemperaturrücklauf geöffnet sind und dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass in einer Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal und dem Mitteltemperaturrücklauf geöffnet sind, und dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal zu dem Hochtemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei eine der Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. Bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase werden die Sorptionsmodule von der hohen Temperatur während der Desorptionsphase auf die mittlere Temperatur während der Adsorptionsphase abgekühlt. Durch die nur teilweise Öffnung der Verbindung ist die Strömung durch den ersten Strömungskanal gedrosselt, so dass der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt beim Austritt aus dem Sorptionsmodul zumindest annähernd die Temperatur des Sorptionsmoduls aufweist. Ist die Strömungsgeschwindigkeit durch das Sorptionsmodul gering genug, bildet sich in dem Sorptionsmodul ein Temperaturgradient, wobei die Temperatur des Sorptionsmoduls bis nahezu zu dem vollständigen Wechsel der Temperatur am Auslass des ersten Strömungskanals weiterhin auf der Temperatur der Hochtemperaturkreislaufes ist. Der Temperaturgradient verschiebt sich langsam von der Einlassseite zu der Auslassseite, bis die Sorptionszone vollständig die Temperatur des Mitteltemperaturwärmeträgers angenommen hat. Solange der Auslassbereich des ersten Strömungskanals noch die Temperatur des Hochtemperaturwärmeträgers aufweist wird der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt, auf die Temperatur der Hochtempe- raturwärmequelle erwärmt. Dadurch kann der Mitteltemperaturwärmeträger, welcher das Sorptionsmodul abkühlt einen sehr hohen Anteil der Wärmeenergie aus dem Sorptionsmodul aufnehmen. Diese wird dem Hochtemperaturkreislauf zurückgeführt, so dass diese Wärme weiter genutzt werden kann. Würde der Wärmeträger dem Mitteltemperaturrücklauf zurückgeführt werden, würde die Wärme verloren gehen und müsste an die Umgebung abgegeben werden, was das Rückkühlsystem zusätzlich belasten würde. Durch Minimierung dieses Effektes reduziert sich erheblich der Energieaufwand, um den Temperaturwechsel in der Sorptionszone durchzuführen. Das wiederum erhöht den Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpen. Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zur Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal zu dem Mitteltemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. Entsprechend zu dem Wechsel zwischen der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase kann auf diese Weise die benötigte Energiemenge reduziert werden, die aufgewendet werden muss, um die Sorptionszone aufzuheizen. Der Hochtemperaturwärmeträger, der gedrosselt in den ersten Strömungskanal geleitet wird, um die Sorptionszone aufzuheizen nimmt bei hinreichend kleiner Strömungsgeschwindigkeit nahezu vollständig die Temperatur der Sorptionszone an. In der Sorptionszone entsteht dadurch ein Temperaturgradient, welcher sich langsam von der Einlassseite zu der Auslassseite verschiebt, bis die Sorptionszone vollständige die Temperatur des Hochtemperaturwärmeträgers angenommen hat. Solange der Auslassbereich des ersten Strömungskanals noch die Temperatur des Mitteltemperaturwärmeträgers aufweist wird der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt, auf die Temperatur der Mitteltemperaturwärmesenke abgekühlt. Durch die Kreuzschaltung wird dadurch beim Aufheizen der Sorptionszone kein kalter Wärmeträger dem Hochtemperaturkreislauf zugeführt, so dass dieser sich nicht abkühlt. Selbstverständlich wird dem Hochtemperaturkreislauf Wärmeenergie entnommen, da die Volumenmenge des Hochtemperaturträgers im Hochtemperaturkreislauf reduziert wird. Bei einem späteren Wechsel von der Desorptionsphase zur Adsorptionsphase wird die gleiche Menge an Wärmeträger dem Hochtemperaturwärmekreislauf wieder zurückgeführt welche dann wie bereits oben beschrieben die Temperatur des Hochtemperaturkreislaufes aufweist, so dass die Wärmeenergie die aufgewendet werden muss, um den Temperaturwechsel in der Sorptionszone durchzuführen wieder zurückge- wonnen wird. Die zyklisch pendelnde Verschiebung von Wärmeträgermasse zwischen den beiden beteiligten Kreisläufen kann durch geeignete Ausgleichsbehälter gepuffert werden.
Eine besonders vorteilhafte Variante sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass in der Desorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal und dem Mitteltemperaturrücklauf geöffnet ist und dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass in der Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Niedertemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal und dem Niedertemperaturrücklauf geöffnet sind. Somit kann in der Desorptionsphase, in welcher das Arbeitsmittel freigesetzt wird, das Arbeitsmittel in der Phasenwechselzone kondensieren, da die Phasenwechselzone durch den Mitteltemperaturkreislauf zumindest auf der Mitteltemperatur gekühlt wird. Der Mitteltemperaturkreislauf kann die Kondensationswärme des Arbeitsmittels aufnehmen. In der Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls reduziert sich der Druck des Arbeitsmittels, so dass das Arbeitsmittel in der Phasenwechselzone verdunsten kann und dort Wärme aus dem Niedertemperaturkreislauf aufnehmen kann. Dadurch wird der Niedertemperaturkreislauf in der Phasenwechselzone während der Adsorptionsphase gekühlt, so dass der Niedertemperaturkreislauf zur Kühlung eingesetzt werden kann. Die Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls wird daher auch Nutzungsphase genannt. Während die Desorptionsphase des Sorptionsmoduls auch Regenerationsphase genannt wird.
Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Niedertempe- raturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal zu dem Mitteltemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. Durch die Kreuzschaltung beim zweiten Strömungskanal kann die sensible Wärme, welche beim Temperaturwechsel der Phasenwechselzone aufgewendet werden muss, zumindest teilweise rückgewonnen werden. Der Mechanismus ist entsprechend zu dem bei Temperaturwechsel der Sorptionszone.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Adsorptionswärmepumpe derart ausgebildet ist, dass bei dem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet ist und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal zu dem Niedertemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet ist, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. Durch diese Kreuzschaltung kann auch beim Aufwärmen der Phasenwechselzone die benötigte Wärmeenergie teilweise wieder zurückgewonnen werden. Der Mechanismus entspricht dem Mechanismus beim Aufwärmen der Sorptionszone.
Ferner wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben einer Adsorptionspumpe gemäß der vorstehenden Beschreibung gelöst, wobei die Adsorptionswärmepumpe diskontinuierlich betrieben wird, wobei in einer Desorptionsphase des Sorptionsmoduls der erste Strömungskanal von dem Hochtemperaturwärmeträger durchströmt wird und in einer Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls der erste Strömungskanal von dem Mitteltemperaturwärmeträger durchströmt wird, wobei bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase der Mitteltemperaturwärmeträger gedrosselt durch den ersten Strömungskanal strömt und in einen Rücklauf für den Hochtemperaturwärmeträger geleitet wird. Dadurch kann ein Großteil der Wärmeenergie, die in dem Sorptionsmodul, insbesondere in der Sorptionszone während der Desorptionsphase gespeichert ist, bei einem Wechsel zu einer niedrigeren Temperatur während der Adsorptionsphase zurückgewonnen werden. Der Mitteltemperaturwärmeträger, der die Sorptionszone abkühlt, heizt sich auf das Temperaturniveau des Hochtemperaturkreislaufes auf, wenn die Strömungsgeschwindigkeit durch den ersten Strömungskanal hinreichen klein ist. Je kleiner die Strömungsgeschwindigkeit ist desto steiler kann sich ein Temperaturgradient in der Sorptionszone ausbilden, welcher während dem Abkühlen sich von der Einlassseite der Sorptionszone oder des ersten Strömungskanals bis zur Auslassseite des ersten Strömungskanals verschiebt. Insbesondere bleibt die Temperatur im Auslassbereich des ersten Strömungskanals nahezu konstant bis kurz vor Ende des Temperaturwechsels auf der Temperatur des Hochtemperaturkreislaufes. Dadurch kann durch die Rückführung des Wärmeträgers anstatt in den Mitteltemperaturkreislauf in den Hochtemperaturkreislauf die Wärme, welche in der Sorptionszone des Sorptionsmoduls gespeichert war, zurückgewonnen werden. Dadurch kann durch diese BeSchaltung der Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpe verbessert werden.
Eine günstige Lösung sieht vor, dass bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase der Hochtemperaturwärmeträger gedrosselt durch den ersten Strömungskanal strömt und in einen Rücklauf für den Mitteltemperaturwärmeträger geleitet wird. Auch bei einem Wechsel von Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase also einem Aufheizen der Sorptionszone kann durch die Kreuzschaltung Wärme zurückgewonnen werden bzw. wird der Hochtemperaturkreislauf nicht unnötig abgekühlt, da das abgekühlte Wärmeträger in den Mitteltemperaturkreislauf zurückgeführt wird anstatt in den Hochtemperaturkreislauf.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass in einer Desorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal und dem Hochtemperaturrücklauf geöffnet wird und dass in einer Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal und dem Mitteltemperaturrücklauf geöffnet werde, und dass bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet wird und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal zu dem Hochtemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet wird, wobei eine der Verbindungen nur teilweise geöffnet ist. Bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase werden die Sorptionsmodule von der hohen Temperatur während der Desorptionsphase auf die mittlere Temperatur während der Adsorptionsphase abgekühlt. Durch die nur teilweise Öffnung der Verbindung ist die Strömung durch den ersten Strömungskanal gedrosselt, so dass der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt beim Austritt aus dem Sorptionsmodul zumindest annähernd die Temperatur des Sorptionsmoduls aufweist. Ist die Strömungsgeschwindigkeit durch das Sorptionsmodul gering genug, bildet sich in dem Sorptionsmodul ein Temperaturgradient, wobei die Temperatur des Sorptionsmoduls bis nahezu zu dem vollständigen Wechsel der Temperatur am Auslass des ersten Strömungskanals weiterhin auf der Temperatur der Hochtemperaturkreislaufes ist. Der Temperaturgradient verschiebt sich langsam von der Einlassseite zu der Auslassseite, bis die Sorptionszone vollständig die Temperatur des Mitteltemperaturwärmeträgers angenommen hat. Solange der Auslassbereich des ersten Strömungskanals noch die Temperatur des Hochtemperaturwärmeträgers aufweist wird der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt, auf die Temperatur der Hochtemperaturwärmequelle erwärmt. Dadurch kann der Mitteltemperaturwärmeträger, welcher das Sorptionsmodul abkühlt einen sehr hohen Anteil der Wärmeenergie aus dem Sorptionsmodul aufnehmen. Diese wird dem Hochtemperaturkreislauf zu- rückgeführt, so dass diese Wärme weiter genutzt werden kann. Würde der Wärmeträger dem Mitteltemperaturrücklauf zurückgeführt werden, würde die Wärme verloren gehen und müsste an die Umgebung abgegeben werden, was das Rückkühlsystem zusätzlich belasten würde. Durch Minimierung dieses Effektes reduziert sich erheblich der Energieaufwand, um den Temperaturwechsel in der Sorptionszone durchzuführen. Das wiederum erhöht den Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpen.
Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zur Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Hochtemperaturvorlauf und dem ersten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet wird und die Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal zu dem Mitteltemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet wird, wobei eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet wird. Entsprechend zu dem Wechsel zwischen der Desorptionsphase zu der Adsorptionsphase kann auf diese Weise die benötigte Energiemenge reduziert werden, die aufgewendet werden muss, um die Sorptionszone aufzuheizen. Der Hochtemperaturwärmeträger, der gedrosselt in den ersten Strömungskanal geleitet wird, um die Sorptionszone aufzuheizen nimmt bei hinreichend kleiner Strömungsgeschwindigkeit nahezu vollständig die Temperatur der Sorptionszone an. In der Sorptionszone entsteht dadurch ein Temperaturgradient, welcher sich langsam von der Einlassseite zu der Auslassseite verschiebt, bis die Sorptionszone vollständige die Temperatur des Hochtemperaturwärmeträgers angenommen hat. Solange der Auslassbereich des ersten Strömungskanals noch die Temperatur des Mitteltemperaturwärmeträgers aufweist wird der Wärmeträger, der durch den ersten Strömungskanal strömt, auf die Temperatur der Mitteltemperaturwärmesenke abgekühlt. Durch die Kreuzschaltung wird dadurch beim Aufheizen der Sorptionszone kein kalter Wärmeträger dem Hochtemperaturkreislauf zugeführt, so dass dieser sich nicht abkühlt. Selbstverständlich wird dem Hochtemperaturkreislauf Wärmeenergie entnommen, da die Volumenmenge des Hochtemperaturträgers im Hochtemperaturkreislauf reduziert wird. Bei einem späteren Wechsel von der Desorptionsphase zur Adsorptionsphase wird die gleiche Menge an Wärmeträger dem Hochtemperaturwärmekreislauf wieder zurückgeführt welche dann wie bereits oben beschrieben die Temperatur des Hochtemperaturkreislaufes aufweist, so dass die Wärmeenergie die aufgewendet werden muss, um den Temperaturwechsel in der Sorptionszone durchzuführen wieder zurückgewonnen wird. Die zyklisch pendelnde Verschiebung von Wärmeträgermasse zwischen den beiden beteiligten Kreisläufen kann durch geeignete Ausgleichsbehälter gepuffert werden.
Eine besonders vorteilhafte Variante sieht vor, dass in der Desorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal und dem Mitteltemperaturrücklauf geöffnet werden und dass in der Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls die Verbindung zwischen dem Niedertemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal und dem Niedertemperaturrücklauf geöffnet werden. Somit kann in der Desorptionsphase, in welcher das Arbeitsmittel freigesetzt wird, das Arbeitsmittel in der Phasenwechselzone kondensieren, da die Phasenwechselzone durch den Mitteltemperaturkreislauf zumindest auf der Mitteltemperatur gekühlt wird. Der Mitteltemperaturkreislauf kann die Kondensationswärme des Arbeitsmittels aufnehmen. In der Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls reduziert sich der Druck des Arbeitsmittels, so dass das Arbeitsmittel in der Phasenwechselzone verdunsten kann und dort Wärme aus dem Niedertemperaturkreislauf aufnehmen kann. Dadurch wird der Niedertemperaturkreislauf in der Phasenwechselzone während der Adsorptionsphase gekühlt, so dass der Niedertemperaturkreislauf zur Kühlung eingesetzt werden kann. Die Adsorptionsphase des Sorptionsmoduls wird daher auch Nutzungsphase genannt. Während die Desorptionsphase des Sorptionsmoduls auch Regenerationsphase genannt wird. Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass bei einem Wechsel von der Desorpti- onsphase zu der Adsorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Niedertemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet wird und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal zu dem Mitteltemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet wird, wobei eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet wird. Durch die Kreuzschaltung beim zweiten Strömungskanal kann die sensible Wärme, welche beim Temperaturwechsel der Phasenwechselzone aufgewendet werden muss, zumindest teilweise rückgewonnen werden. Der Mechanismus ist entsprechend zu dem bei Temperaturwechsel der Sorptionszone.
Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass bei dem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase zumindest zeitweise die Verbindung zwischen dem Mitteltemperaturvorlauf und dem zweiten Strömungskanal teilweise oder ganz geöffnet wird und die Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal zu dem Niedertemperaturrücklauf teilweise oder ganz geöffnet wird, wobei zumindest eine der beiden Verbindungen nur teilweise geöffnet wird. Durch diese Kreuzschaltung kann auch beim Aufwärmen der Phasenwechselzone die benötigte Wärmeenergie teilweise wieder zurückgewonnen werden. Der Mechanismus entspricht dem Mechanismus beim Aufwärmen der Sorptionszone.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Adsorptionswärmepumpe,
Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Sorptionsmoduls der Adsorptionswärmepumpe
Fig. 3 eine beispielhafte Anordnung dreier Sorptionsmodule
Fig. 4 ein Temperaturverlauf in der Sorptionsphase, in der Adsorptionsphase, in der Desorptionsphase und bei einem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase,
Fig. 5 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes
Ventil
Fig. 6a-e verschiedene Stellungen, in denen sich ein erfindungsgemäßes
Ventil befinden kann,
Fig. 7 eine Ventilöffnungskennlinie mit einem progressiven Verlauf, Fig. 8a - c eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus Fig. 5 bei drei verschiedenen Stellungen einer Ventileinheit des Ventils,
Fig. 9a, b eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus Fig. 5 zur Erläuterung des Verlaufs der Ventilfläche,
Fig. 10 eine Ventilöffnungskennlinie eines Ventils mit einer Stufe,
Fig. 1 1 a, b eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A bei einer anderen Ausführungsform des Ventils mit einer stufenförmigen Kennlinie, wie sie in Fig. 10 dargestellt ist.
Eine in Fig. 1 dargestellte Adsorptionswärmepumpe 10 weist eine Hochtemperaturwärmequelle 12, eine Mitteltemperaturwärmesenke 14 und eine Niedertemperaturwärmequelle 16 auf. Ferner weist die Adsorptionswärmepumpe 10 mindestens ein, beispielsweise drei, Sorptionsmodule 18 auf. Das mindestens eine Sorptionsmodul 18, beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, umfasst eine Sorptionszone 20, die ein Sorptionsmittel 22 enthält und im Wechsel geheizt und gekühlt wird. In einer Desorptionsphase der Sorptionszone 20 wird die Sorptionszone 20 durch die Hochtemperaturwärmequelle 12 geheizt und in einer Adsorptionsphase wird die Sorptionszone 20 durch die Mitteltemperaturwärmesenke 14 gekühlt. Des Weiteren weist das Sorptionsmodul 18 eine Phasenwechselzone 24 auf, in welcher ein Arbeitsmedium 26 kondensieren und verdampfen kann. Das Sorptionsmodul 18 weist eine Fluidverbindung 19 zwischen der Phasenwechselzone 24 und der Sorptionszone 20 auf, durch welche das Arbeitsmedium 26 von der Phasenwechselzone 24 zu der Sorptionszone 20 und zurück gelangen kann.
Die Hochtemperaturwärmequelle 12 temperiert einen Hochtemperaturwärmeträger 28, welcher in einem Hochtemperaturkreislauf 30 zirkuliert. Der Hochtempera- turkreislauf weist einen Hochtemperaturvorlauf 32 auf, in welchem der Hochtemperaturwärmeträger 28 zu dem mindestens einen Sorptionsmodul 18 geleitet wird und einen Hochtemperaturrücklauf 34 auf, über welchen der Hochtemperaturwärmeträger 28 zu der Hochtemperaturwärmequelle 12 zurückgeführt wird.
Die Hochtemperaturwärmequelle 12 weist eine Temperatur oberhalb der Umgebungstemperatur auf, vorzugsweise über 80 °C, besonders bevorzugt über 100 °C, beispielsweise 1 10 °C auf. Die Hochtemperaturwärmequelle 12 kann eine Abwärmequelle aus beliebigen Energiewandlungs- oder Wertschöpfungsprozessen darstellen oder aber die Wärmeenergie, aus chemischer Energie, beispielsweise durch Verbrennung, oder aus kostenloser Sonnenenergie gewinnen.
Die Mitteltemperaturwärmesenke 14 kühlt einen Mitteltemperaturwärmeträger 36, der in einem Mitteltemperaturkreislauf 38 zirkuliert. Der Mitteltemperaturkreislauf 38 weist einen Mitteltemperaturvorlauf 40 auf, in welchen der Mitteltemperaturwärmeträger 36 von der Mitteltemperaturwärmesenke 14 zu dem Sorptionsmodul 18 geleitet wird. Des Weiteren weist der Mitteltemperaturkreislauf 38 einen Mitteltemperaturrücklauf 42 auf, über welchen der Mitteltemperaturwärmeträger 36 von dem mindestens einen Sorptionsmodul 18 zurück zur Mitteltemperaturwärmesenke 14 geleitet werden kann.
Die Temperatur der Mitteltemperaturwärmesenke 14 entspricht in etwa der Umgebungstemperatur. Die Temperatur ist tatsächlich etwas größer als die Umgebungstemperatur, so dass über einen Wärmetauscher Wärmeenergie aus dem Mitteltemperaturkreislauf 38 an die Umgebung abgegeben werden kann. Die Mitteltemperaturwärmesenke 14 weist dazu einen Kühler, beispielsweise einen Wasser- oder Luftkühler auf. Die Niedertemperaturwärmequelle 16 temperiert einen Niedertemperaturwärmeträger 44, der in einem Niedertemperaturkreislauf 46 zirkuliert. Der Niedertemperaturkreislauf 46 weist einen Niedertemperaturvorlauf 48 auf, in welchem der Niedertemperaturwärmeträger 44 zu dem mindestens einen Sorptionsmodul 18 geleitet wird. Des Weiteren weist der Niedertemperaturkreislauf 46 einen Niedertemperaturrücklauf 50 auf, in welchem der Niedertemperaturwärmeträger 44 von dem mindestens einen Sorptionsmodul 18 zurück zur Niedertemperaturquelle 16 geleitet wird.
Die Temperatur der Niedertemperaturwärmequelle 16 liegt unterhalb der Umgebungstemperatur und dient zum Kühlen, beispielsweise von Fahrzeugen, Gebäuden oder einem Kühlschrank oder ähnlichem. Wenn mittels des Niedertemperaturwärmeträgers 44 etwas gekühlt wird, wird dieser in der Niedertemperaturwärmequelle 16 aufgewärmt, daher die Bezeichnung "Quelle".
Im Falle einer Wärmepumpenanwendung kann auch die Niedertemperaturwärmequelle 16 durch die Umwelt in Form von Außenluft, Erdwärme oder solarer Wärme gebildet sein, deren Wärme bei niedriger Temperatur aufgenommen wird und über den Mitteltemperaturkreislauf 14 auf einem höheren Heiztemperaturniveau zum Beheizen eines Raumes oder eines Gebäudes abgegeben wird. In diesem Falle wird die Hochtemperaturwärmequelle 12 durch einen Verbrennungsprozess eines chemischen Energieträgers erzeugt, deren Wärmeenergie ebenfalls zum Heizen auf dem Temperaturniveau des Mitteltemperaturkreislaufes 14 genutzt wird.
Die Sorptionsmodule 18 weisen einen ersten Strömungskanal 52 auf, welcher in thermischem Kontakt mit der Sorptionszone 20, insbesondere mit dem Sorptionsmittel 22 steht. Dadurch kann ein Wärmeträger, welcher durch den ersten Strömungskanal 52 strömt, das Sorptionsmittel temperieren. Des Weiteren weisen die Sorptionsmodule 18 einen zweiten Strömungskanal 54 auf, welcher im thermi- sehen Kontakt mit der Phasenwechselzone 24 steht, so dass die Phasenwechselzone 24 durch einen Wärmeträger, der durch den zweiten Strömungskanal 54 strömt, temperiert werden kann.
Je Sorptionsmodul 18 weist die Adsorptionswärmepumpe 10, wie beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, mehrere Ventile 56 auf, beispielsweise vier, also ein erstes Ventil 77, ein zweites Ventil 79, ein drittes Ventil 80 und ein viertes Ventil 84. Mit den Ventilen 56 sind die beiden Strömungskanäle 52, 54 an die Kreisläufe 30, 38 und 46 angeschlossen.
Die Ventile 56 weisen, wie beispielsweise in Fig. 5 dargestellt, jeweils einen ersten Anschluss 58, einen zweiten Anschluss 60 und einen dritten Anschluss 62 auf. Von dem ersten Anschluss 58 aus erstreckt sich ein erster Kanal 64, von dem zweiten Anschluss 60 aus erstreckt sich ein zweiter Kanal 66, und von dem dritten Anschluss 62 aus erstreckt sich ein dritter Kanal 68. Die drei Kanäle 64, 66 und 68 münden in einer zentralen Kammer 69, über welche eine fluidische Verbindung zwischen den drei Kanälen hergestellt ist oder herstellbar ist.
Die Ventile 56 ermöglichen mehrere Schaltstellungen, wie sie beispielhaft in den Fig. 6a-e dargestellt sind. In einer Schließstellung 70 sind der erste Kanal 64 und der zweite Kanal 66 verschlossen, so dass keine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Kanälen vorliegt. In einer ersten Offenstellung 72 ist der erste Kanal 64 geöffnet und der zweite Kanal 66 geschlossen, so dass eine erste fluidische Verbindung 71 zwischen dem ersten Kanal 64 und dem dritten Kanal 68 gegeben ist. In einer zweiten Offenstellung 74 ist der zweite Kanal 66 geöffnet und der erste Kanal 64 geschlossen, so dass eine zweite fluidische Verbindung 73 zwischen dem zweiten Kanal 66 und dem dritten Kanal 68 gegeben ist. Des Weiteren weisen die Ventile 56 mindestens eine Zwischenstellung 75 auf, in welchen der erste Kanal 64 oder der zweite Kanal 66 teilweise geöffnet ist. Dadurch be- steht eine gedrosselte fluidische Verbindung zwischen dem ersten Kanal 64 und dem dritten Kanal 68 oder zwischen dem zweiten Kanal 66 und dem dritten Kanal 68.
Über das erste Ventil 77 der Ventile 56 ist ein Einlass 76 des ersten Strömungskanals 52 mit dem Hochtemperaturzulauf 32 und dem Mitteltemperaturvorlauf 40 verbunden. Dabei ist der dritte Anschluss 62 an dem Einlass 76 des ersten Strömungskanals 52 angeschlossen, so dass der dritte Kanal 68 des ersten Ventils 77 fluidisch mit dem Einlass 76 des ersten Strömungskanals 52 verbunden ist. Der erste Anschluss 58 ist an den Hochtemperaturvorlauf 32 angeschlossen und der zweite Anschluss 60 ist an den Mitteltemperaturvorlauf 40 angeschlossen.
Dadurch kann der erste Strömungskanal 52 des Sorptionsmoduls 18 zwischen dem Hochtemperaturvorlauf 32 und dem Mitteltemperaturvorlauf 40 umgeschaltet werden und dadurch eine Heizphase und eine Kühlungsphase umgeschaltet werden.
In der Desorptionsphase, in welcher das Sorptionsmittel 22 geheizt werden soll, ist eine fluidische Verbindung zwischen dem Einlass des ersten Strömungskanals 52 und dem Hochtemperaturvorlauf 32 hergestellt. In der Adsorptionsphase ist das erste Ventil derart geschaltet, dass eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Strömungskanal 52 und dem Mitteltemperaturvorlauf 40 hergestellt ist, so dass das Sorptionsmittel 22 durch den Mitteltemperaturwärmeträger 36 gekühlt werden kann.
Ein Auslass 78 des ersten Strömungskanals 52 ist über das zweite Ventil 79 der Ventile 56 mit dem Hochtemperaturrücklauf 34 und dem Mitteltemperaturrücklauf 42 verbunden. Dabei ist der dritte Anschluss 62 des zweiten Ventils 79 mit dem Auslass 78 des ersten Strömungskanals 52 verbunden und der erste Anschluss 58 des zweiten Ventils 79 mit dem Hochtemperaturrücklauf 34 und der zweite An- schluss 60 des zweiten Ventils 79 mit dem Mitteltemperaturrücklauf 42 verbunden. Dieses zweite Ventil 79 wird entsprechend dem ersten Ventil 77 in der Desorptionsphase auf den Hochtemperaturrücklauf 34 und in der Adsorptionsphase auf den Mitteltemperaturrücklauf 42 geschaltet.
Darüber hinaus weist die Adsorptionswärmepumpe 10 je Sorptionsmodul 18 das dritte Ventil 80 auf, welches einen Einlass 82 des zweiten Strömungskanals 54 mit dem Mitteltemperaturvorlauf 40 und dem Niedertemperaturvorlauf 48 verbindet. In einer Kondensationsphase, in welcher das Arbeitsmedium 26 in der Phasenwechselzone 24 kondensiert, ist das dritte Ventil 80 derart geschaltet, dass eine fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal 54 und dem Mitteltemperaturvorlauf 40 besteht. So kann die Phasenwechselzone 24 durch den Mitteltemperaturwärmeträger 36 gekühlt werden. In einer Verdampfungsphase ist das dritte Ventil 80 derart geschaltet, dass eine fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal 54 und dem Niedertemperaturvorlauf 48 gegeben ist. Dadurch kann in der Verdampfungsphase das in der Phasenwechselzone 24 verdampfende Arbeitsmedium 26 Wärme aus dem Niedertemperaturwärmeträger 44 aufnehmen und diesen dadurch abkühlen.
Ferner weist die Adsorptionswärmepumpe je Sorptionsmodul das vierte Ventil 84 auf, welches einen Auslass 86 des zweiten Strömungskanals 54 mit dem Mitteltemperaturrücklauf 42 und dem Niedertemperaturrücklauf 50 verbindet. Entsprechend dem dritten Ventil 80 schaltet das vierte Ventil 84 in der Kondensationsphase eine fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal 54 und dem Mitteltemperaturrücklauf 42 und in der Verdampfungsphase eine fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Strömungskanal 54 und dem Niedertemperaturrücklauf 50. Inn Betrieb der Adsorptionswärmepumpe 10 werden die Sorptionsmodule 18 zyklisch betrieben. Die Desorptionsphase und die Adsorptionsphase wechseln sich ab. In der Adsorptionsphase sind das erste Ventil 77 und das zweite Ventil 79 derart geschaltet, dass die Sorptionszone 20 durch den Mitteltemperaturwärme- träger 36 gekühlt wird. Dadurch kann das Sorptionsmittel 22 das Arbeitsmedium 26 adsorbieren, wodurch der Druck innerhalb des Sorptionsmoduls 18 verringert wird. Dadurch kann das in der Phasenwechselzone 24 lokalisierte flüssige Arbeitsmedium 26 verdampfen, wodurch das Arbeitsmedium 26 Wärmeenergie aufnehmen kann. Dadurch wird die Phasenwechselzone 24 abkühlt. Durch die Abkühlung der Phasenwechselzone kann dementsprechend Wärmeenergie aus dem Niedertemperaturwärmeträger 44 aufgenommen werden, wodurch dieser gekühlt wird.
Dazu sind in der Verdampfungsphase das dritte Ventil 80 und das vierte Ventil 84 derart geschaltet, dass der Niedertemperaturwärmeträger 44 durch den zweiten Strömungskanal 54 strömt und damit im thermischen Kontakt mit der Phasenwechselzone 24 steht. Die Adsorptionsphase erfolgt dementsprechend im Wesentlichen zeitgleich mit der Verdampfungsphase, bei der der gewünschte Effekt nämlich der Kühlung des Niedertemperaturwärmeträgers 44 erzielt wird. Diese Phase wird auch Nutzphase genannt.
In einer Regenerationsphase dagegen wird die Sorptionszone 20 aufgeheizt, so dass die Desorptionsphase der Sorptionszone 20 eingeleitet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste Ventil 77 und das zweite Ventil 79 derart geschaltet sind, dass der Hochtemperaturwärmeträger 28 durch den ersten Strömungskanal 52 strömt und somit im thermischen Kontakt mit dem Sorptionsmittel 22 steht und dieses aufheizen kann. Dadurch gibt das Sorptionsmittel 22 das Arbeitsmedium 26 ab, so dass der Druck in dem Sorptionsmodul 18 ansteigt und somit das Arbeitsmedium 26 kondensieren kann. Um in der dadurch eingeleiteten Kondensationsphase das Arbeitsmedium 26 in der Phasenwechselzone 24 zu kondensieren, werden das dritte Ventil 80 und das vierte Ventil 84 derart geschaltet, dass der Mitteltemperaturwärmeträger 36 durch den zweiten Strömungskanal 54 strömt und somit im thermischen Kontakt mit der Phasenwechselzone 24 steht und diese kühlen kann. Dadurch kann erzielt werden, dass das Arbeitsmedium 26 in der Phasenwechselzone 24 kondensiert und dort in der Nutzphase zur Verdampfung bereitsteht.
Bei einem Wechsel von der Regenerationsphase zur Nutzphase und umgekehrt müssen die Sorptionszone 20 von der Desorptionsphase in die Adsorptionsphase oder umgekehrt und die Phasenwechselzone 24 von der Kondensationsphase zur Verdampfungsphase oder umgekehrt gebracht werden. Diese zeichnen sich jeweils durch einen erheblichen Temperaturunterschied aus, so dass durch ein einfaches zeitgleiches Umschalten der jeweils korrespondierenden Ventile 77 und 79 sowie 80 und 84 zwischen der Regenerationsphase und der Nutzphase infolge der sensiblen Wärmekapazitäten erhebliche Mengen an Wärme in den jeweils komplementären Kreislauf verschleppt werden. Dadurch geht insbesondere Hochtemperaturwärme von der Hochtemperaturwärmequelle 12 an die Mitteltemperaturwärmesenke 14 und von dieser an die Niedertemperaturwärmequelle 16 verloren.
Um die jeweiligen Wärmeverluste zu reduzieren, werden beim Übergang zwischen der Regenerationsphase und der Nutzphase und umgekehrt sogenannte Kreuzschaltungen eingestellt, bei welchen beispielsweise der erste Strömungskanal 52 einlassseitig mit dem Hochtemperaturvorlauf 32 und auslassseitig mit dem Mitteltemperaturrücklauf 42 verbunden ist. Dadurch kann beim Wechsel zwischen den Phasen, die unproduktive Verschleppung von Wärme von einem Kreislauf höherer Temperatur in einen Kreislauf niedrigerer Temperatur verringert werden. Bei dem Wechsel von der Adsorptionsphase zu der Desorptionsphase heizt der Hochtemperaturwärmeträger 28 die Sorptionszone 20 auf. Dadurch kühlt sich der Hochtemperaturwärmeträger 28 ab. Diese verlorene Wärme muss aufgebracht werden, bewirk aber keine thermische Pumpleistung. Folglich reduziert sich dadurch der Wirkungsgrad.
Wenn der Hochtemperaturwärmeträger 28 langsam durch den ersten Strömungskanal 52 strömt, kühlt sich der Hochtemperaturwärmeträger annähernd auf die Temperatur der Sorptionszone 20 ab, nämlich die Temperatur des Mitteltemperaturwärmeträgers 36. In der Sorptionszone 20 bildet sich dann ein Temperaturgradient 85 aus, wobei einlassseitig die Temperatur auf der Temperatur 87 des Hochtemperaturwärmeträgers 28 sein kann und auslassseitig die Temperatur der Sorptionszone 20 auf der Temperatur 89 des Mitteltemperaturwärmeträgers 36 ist, wie es beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist. Während der Temperaturwechselphase schiebt sich der Temperaturgradient 85 von einer Einlassseite 81 der Sorptionszone 20 bis zu einer Auslassseite 83 der Sorptionszone 20, so dass während nahezu der gesamten Temperaturwechselphase von Adsorption zu Desorption der Hochtemperaturwärmeträger 28, welcher aus dem ersten Strömungskanal 52 austritt, die Temperatur 89 des Mitteltemperaturwärmeträgers 36 aufweist.
Dadurch ist es sinnvoll, den in der Sorptionszone 20 abgekühlten Hochtemperaturwärmeträger 28 anstatt in den Hochtemperaturkreislauf 30 in den Mitteltemperaturkreislauf 38 zurückzuführen.
Entsprechend kann bei einem Wechsel von der Desorptionsphase zur Adsorptionsphase, also bei einem Abkühlen der Sorptionszone 20, die Wärme, die in dem Sorptionsmodul 18 gespeichert ist, durch eine entsprechende Kreuzschaltung in den Hochtemperaturkreislauf 30 zurückgeführt werden. Dadurch wird die Wärmeenergie, die dem Hochtemperaturkreislauf 30 beim Aufheizen der Sorptionszone 20 entzogen wurde, beim Abkühlen der Sorptionszone 20 wieder zurückgeführt. Folglich kann somit die schädliche Verschleppung von Wärme bei den Temperaturwechseln reduziert werden.
Dieser Effekt kann besonders effizient genutzt werden, wenn während einer Temperaturwechselphase der Wärmeträger nur gedrosselt durch den ersten Strömungskanal 52 strömt.
Durch diese Kreuzschaltungen werden Volumenströme von dem Hochtemperaturkreislauf 30 zu dem Mitteltemperaturkreislauf 38 und umgekehrt hin- und hergeschoben. Dazu können beispielsweise Ausgleichsbehälter zum Einsatz kommen, die eine temporäre Massenverschiebung zwischen zwei Kreisläufen zulassen. Über einen Zyklus gleichen sich die Verschiebungen allerdings aus. Des Weiteren sind, wenn mehrere Sorptionsmodule verwendet werden, diese üblicherweise phasenverschoben eingesetzt, so dass sich die Verschiebung der Wärmeträger zwischen den Kreisläufen auch zu jedem Zeitpunkt ausgleicht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kreuzschaltungsphasen zweier komplementär umgeschalteter Module zeitgleich, gleich lang und mit gleichem Volumenstrom stattfinden. In der Praxis können auch mehrere dieser Maßnahmen kombiniert werden.
Durch eine entsprechende Beschaltung des dritten Ventils 80 und vierten Ventils 84 kann auch Wärme aus der Phasenwechselzone 24 bei den Temperaturwechseln rückgewonnen werden. Da die Phasenwechselzone 24 auch durch die Phasenwechsel des Arbeitsmediums 26 geheizt oder gekühlt wird, kann nur ein kleinerer Teil der Wärme zurückgewonnen werden. Je stärker die Wärmeleistung durch die Phasenwechsel im Vergleich zu der Heizleistung durch die Wärmeträger ist, desto weniger Wärme kann zurückgewonnen werden. Daher wäre eine größere Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträger sinnvoll. Allerdings kann bei einer zu großen Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeträger nicht vollständig die Temperatur der Phasenwechselzone annehmen. Folglich muss ein Kompromiss gefunden werden, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgers das beste Ergebnis liefert. Fein dosierbare Zwischenstellungen der Ventile 56 sind daher von Vorteil.
Die Ventile 56 weisen eine erste Ventileinheit 88 auf, mit welchen der erste Kanal 64 geöffnet und verschlossen werden kann. Dadurch kann die erste Ventileinheit 88 eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Kanal 64 und dem dritten Kanal 68 steuern, so dass auch eine fluidische Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 58 und dem dritten Anschluss 62 durch die erste Ventileinheit 88 gesteuert werden kann. Die erste Ventileinheit 88 weist einen ersten Ventilkörper 90 und einen ersten Ventilsitz 92 auf. Wenn der erste Ventilkörper 90 in den ersten Ventilsitz 92 gedrückt ist, verschließt der erste Ventilkörper 90 die durch den ersten Ventilsitz 92 gebildete Öffnung und verschließt somit den ersten Kanal 64. Wird der erste Ventilkörper 90 aus dem ersten Ventilsitz 92 gehoben, bildet sich ein Ringspalt 94 zwischen dem ersten Ventilkörper 90 und dem ersten Ventilsitz 92, durch welchen ein Fluid strömen kann. Die Ventile 56 weisen jeweils ein Federelement 96 auf, welches den ersten Ventilkörper 90 mit einer Schließkraft beaufschlagt, welche den ersten Ventilkörper 90 in den ersten Ventilsitz 92 drückt.
Ferner weisen die Ventil 56 eine zweite Ventileinheit 98 mit einem zweiten Ventilkörper 100 und einem zweiten Ventilsitz 102 auf. Die zweite Ventileinheit 98 ist entsprechend der ersten Ventileinheit 88 derart ausgebildet, dass sie den zweiten Kanal 66 der Ventile 56 öffnen und verschließen kann. Der zweite Ventilsitz 102 umschließt den Strömungsquerschnitt des zweiten Kanals 66. Wenn der zweite Ventilkörper 100 in den zweiten Ventilsitz 102 gedrückt ist verschließt der zweite Ventilkörper 100 eine durch den zweiten Ventilsitz 102 gebildete Öffnung und damit auch den zweiten Kanal 66. Die zweite Ventileinheit 98 kann demnach den zweiten Kanal 66 öffnen und verschließen. Dadurch kann die zweite Ventileinheit 98 eine fluidische Verbindung zwischen dem dritten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 66 steuern. Entsprechend wird eine fluidische Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss 60 und dem dritten Anschluss 62 durch die zweite Ventileinheit 98 gesteuert.
Das Federelement 96 der Ventile 56 beaufschlagt auch den zweiten Ventilkörper 100 mit einer Schließkraft, welche den zweiten Ventilkörper 100 in Richtung des zweiten Ventilsitzes 102 drückt.
Das Federelement 96 ist zwischen dem ersten Ventilkörper 90 und dem zweiten Ventilkörper 100 angeordnet, so dass das Federelement 96 sowohl den ersten Ventilkörper 90 als auch den zweiten Ventilkörper 100 in den jeweiligen zugehörigen Ventilsitz 92, 102 drücken kann, um die jeweiligen Ventileinheiten 88 und 98 zu verschließen. Entsprechend sind die beiden Ventileinheiten 88 und 98 einander gegenüberliegend angeordnet, so dass das zwischen dem ersten Ventilkörper 90 und dem zweiten Ventilkörper 100 angeordnete Federelement 96 jeweils eine Schließkraft auf die Ventilkörper ausüben kann. Die Öffnungsrichtungen der beiden Ventileinheiten 88, 98 sind entsprechend entgegengesetzt.
Die Ventile 56 weisen jeweils einen Stellantrieb 104 mit einer Steuerstange 106 und einem Antrieb 108 auf, welcher die Steuerstange 106 antreibt. Die Steuerstange 106 durchgreift den ersten Ventilkörper 90 und den zweiten Ventilkörper 100 und ist in axialer Richtung gleitend in dem ersten Ventilkörper 90 und dem zweiten Ventilkörper 100 gelagert. Ferner weist der Stellantrieb 104 ein erstes Mitnehmerelement 1 10 und ein zweites Mitnehmerelement 1 1 1 auf, welche fest an der Steuerstange 106 gehalten sind und derart angeordnet sind, dass zwi- sehen den beiden Mitnehmerelementen 1 10, 1 1 1 der erste Ventilkörper 90 das Federelement 96 und der zweite Ventilkörper 100 angeordnet sind.
Die Mitnehmerelemente 1 10, 1 1 1 weisen eine derartige radiale Ausdehnung auf, dass, wenn die Steuerstange 106 in axialer Richtung verschoben wird, der erste Ventilkörper 90 durch das erste Mitnehmerelement 1 10 oder der zweite Ventilkörper 100 durch das zweite Mitnehmerelement 1 1 1 aus dem jeweiligen Ventilsitz 92 oder 102 gehoben wird und dadurch entsprechend der erste Kanal 64 oder der zweite Kanal 66 geöffnet wird.
Der Antrieb 108 ist derart ausgebildet, dass ein leistungsloses Haltemoment des Antriebs 108 ausreicht, um die Schließkräfte des Federelements 96 zu überwinden, so dass der Stellantrieb 104 die erste oder die zweite Ventileinheit 88, 98 in einer Position halten kann, in welcher der erste Ventilkörper 90 oder der zweite Ventilkörper 100 aus dem jeweiligen Ventilsitz 92, 102 gehoben ist. Dadurch kann das Ventil 56 in einer Offenstellung, also in einer Stellung, in welcher entweder der erste Kanal 64 oder der zweite Kanal 66 geöffnet ist, verharren, ohne Energie zu verbrauchen. Dies ermöglicht eine energieeffiziente Steuerung der Adsorptionswärmepumpe, wodurch insgesamt der Wirkungsgrad der Adsorptionswärmepumpe verbessert wird.
Entsprechend können auch Zwischenstellungen, in welchen die Ventilkörper 90, 100 nur teilweise aus dem jeweiligen Ventilsitz 92, 102 gehoben sind leistungslos in der Position gehalten werden.
Der Antrieb 108 weist beispielsweise einen Schrittmotor 107 auf, welcher bauartbedingt ein gewisses Haltemoment aufweist. Durch Wahl einer entsprechenden Getriebeeinheit 109, insbesondere der Übersetzung der Getriebeeinheit 109, kann dadurch ein Haltemoment des Stellantriebs 104 erzielt werden, das ausrei- chend ist, um die Ventileinheiten in allen Stellungen leistungslos, insbesondere stromlos, zu halten.
Ferner kann auch eine Getriebeeinheit gewählt werden, welches selbsthemmend ist. Dadurch kann ebenfalls die Stellung der Ventileinheiten 88, 98 nicht durch die Federkraft des Federelements 96 oder Druckkräfte, die auf die Ventilkörper 90, 100 wirken, geändert werden.
Die Kraft, die der Stellantrieb 104 ausüben kann, ist größer als die von dem Federelement 96 ausgeübte Schließkraft zuzüglich einer durch Druckunterschiede zwischen dem dritten Kanal 68 und dem ersten Kanal 64 oder dem zweiten Kanal 66 verursachten Druckkräfte.
Ferner weist der Stellantrieb 104 Zentrierelemente 1 12 auf, welche die Steuerstange 106 und damit auch den ersten Ventilkörper 90 und den zweiten Ventilkörper 100 zentrieren, so dass eine genaue Positionierung der Ventilkörper 90, 100 auf den jeweiligen Ventilsitzen 92, 102 gegeben ist.
Die Zentrierelemente 1 12 können beispielsweise durch Federlaschen gebildet sein. Insbesondere sind diese Federlaschen an den Mitnehmerelementen 1 10, 1 1 1 angeordnet.
Die beiden Ventileinheiten 88 und 98 weisen jeweils eine Ventilöffnungskennlinie 1 14 auf, die einen Durchflussbeiwert 1 16 der jeweiligen Ventileinheit abhängig von einem Verstellweg 1 18 definiert. Der Verstell weg 1 18 entspricht der Auslenkung der jeweiligen Ventilkörper 90, 100 aus dem jeweiligen Ventilsitz 92, 102 heraus. Der Durchflussbeiwert ist gegeben durch folgende Formel: k v = Q (ρ/Δρ) wobei Q die effektive strömungswirksanne Fläche der jeweiligen Ventileinheit ist, p die Dichte des Fluids und Δρ der an der Ventileinheit anliegende Druckgradient ist. Die effektive strömungswirksanne Fläche berücksichtigt dabei sowohl den Strömungsquerschnitt als auch sonstige strömungsbeeinflussende geometrische Eigenschaften.
Vorzugsweise weisen die beiden Ventileinheiten 88, 98 und damit die Ventile 56 eine Ventilöffnungskennlinie 1 14 auf, welche nicht linear ist. Insbesondere weist die Ventilöffnungskennlinie 1 14 variierende Steigungen auf.
In Bereichen, in denen die Ventilöffnungskennlinie 1 14 eine kleine Steigung hat, also flach ist, ändert sich der Durchflussbeiwert 1 16 nur gering bei Veränderung des Verstellwegs 1 18, im Vergleich zu Bereichen, in denen die Ventilöffnungskennlinie 1 14 eine größere Steigung aufweist und damit steiler ist.
Durch Wahl des Verlaufs der Ventilöffnungskennlinie 1 14 können somit Bereiche erzielt werden, in welchen der Durchflussbeiwert 1 16 besonders genau eingestellt werden kann. In Fig. 7 ist beispielsweise eine progressive Ventilöffnungskennlinie 1 14 dargestellt. Bei kleinen Verstellwegen 1 18 und damit kleinen Durchflussbei- werten 1 16 ist die Ventilöffnungskennlinie 1 14 flach, so dass über den Verstellweg 1 18 und damit durch den Stellantrieb 104 der Durchflussbeiwert 1 16 des Ventils sehr genau eingestellt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei den Temperaturwechselphasen, in denen die Strömungsgeschwindigkeit des jeweiligen Wärmeträgers gering sein soll und möglichst präzise eingestellt werden können soll. Im Bereich von hohen Durchflussbeiwerten 1 16 ist die Ventilöffnungskennlinie 1 14 steiler. Dadurch kann zwar der Durchflussbeiwert 1 16 nicht mehr so genau eingestellt werden, dafür reduziert sich der benötigte Verstellweg 1 18, um das Ventil 56 bzw. die jeweilige Ventileinheit 88, 98 vollständig zu öffnen. Die Form, insbesondere der Verlauf der Ventilöffnungskennlinie 1 14, ist gegeben durch die Geometrie der Ventilkörper und der Ventilsitze. Insbesondere ist der Verlauf oder die Form einer Ventilfläche 120 der Ventilkörper 90, 100 relevant für den Verlauf der Ventilöffnungskennlinie 1 14. Die Ventilkörper 90, 100 weisen jeweils einen Kranz 122 auf, mit welchem die Ventilkörper 90, 100 an den jeweiligen Ventilsitzen 92, 102 anliegen und damit die Öffnung abdichten. Eventuell kann eine Dichtung 124 vorgesehen sein, um die Abdichtwirkung zu verbessern.
Von dem Kranz 122 ausgehend erstreckt sich die Ventilfläche 120 axial in
Schließrichtung der jeweiligen Ventileinheit und radial nach innen. Insbesondere kann die Ventilfläche 120 konvex ausgebildet sein. Die Ventilfläche 120 ragt in den Ventilsitz 92, 102 in der jeweiligen Ventileinheit, wenn der jeweilige Ventilkörper 90, 100 in dem Ventilsitz liegt. Wird der Ventilkörper 90, 100 teilweise aus dem Ventilsitz 92, 102 gehoben, bildet sich der Ringspalt 94. Die Breite des Ringspaltes ist durch den Abstand der Ventilfläche 120 zu dem jeweiligen Ventilsitz 92, 102 gegeben, insbesondere durch den radialen Abstand.
Dadurch, dass sich die Ventilfläche 120 sowohl in axialer Richtung als auch in radialer Richtung nach innen erstreckt, verbreitert sich der Ringspalt mit zunehmendem Verstellweg 1 18 der jeweiligen Ventilkörper 90, 100 aus dem Ventilsitz 92, 102. Die Neigung der Ventilfläche 120, also ein Winkel 127 zu einer Ventilachse 126, welche im Wesentlichen einer Achse der Steuerstange 106 entspricht und auch die Richtung des Verstellwegs 1 18 der beiden Ventilkörper 90, 100 bestimmt, bestimmt die Steigung der Ventilöffnungskennlinie 1 14. Ist der Winkel 127 der Ventilfläche 120 zur Ventilachse 126 groß, ist die Steigung der Ventilöffnungskennlinie 1 14 groß. Die Steigung der Kennlinie entspricht dabei in etwa dem Tangens des Winkels 127 der Ventilfläche 120 zu der Ventilachse 126. Ist nun die Ventilfläche 120 gewölbt, beispielsweise konvex, weist die Ventilfläche 120 einen in axialer Richtung variierenden Winkel 127 zu der Ventilachse 126 auf. Dadurch variiert auch die Steigung der Ventilöffnungskennlinie 1 14 abhängig vom Verstellweg 1 18. Folglich kann durch Anpassung der Ventilfläche 120 die Ventilöffnungskennlinie 1 14 eingestellt werden.
Insbesondere weist die Ventilfläche 120 in der Nähe des Kranzes 122 einen geringen Winkel 127 zu der Ventilachse 126 auf. Dieser Bereich ist für die Ventilöffnungskennlinie 1 14 relevant, bei kleinen Verstellwegen 1 18 des jeweiligen Ventilkörpers 90, 100 aus dem jeweiligen Ventilsitz 92, 102. In Bereichen, die einen größeren Abstand zu dem Kranz 122 aufweisen, weist die Ventilfläche 120 einen größeren Winkel 127 zu der Ventilachse 126 auf, so dass bei größeren Verstellwegen 1 18 die Steigung der Ventilöffnungskennlinie 1 14 größer wird.
Bei einer anderen Variante der Ventile 56, wie sie beispielsweise in den Fig. 10, 1 1 a und 1 1 b dargestellt sind, weist die Ventilöffnungskennlinie 1 14 Stufen 125 auf, insbesondere ein Plateaubereich 128. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn ein vorher bekannter definierter Durchflussbeiwert 1 16 zuverlässig eingestellt werden soll. Durch das Plateau 128 ergibt sich ein breiter Bereich für den Verstellweg 1 18, in dem der gewünschte Durchflussbeiwert 1 16 des Ventils 56 erzielt wird. Erzielt werden kann dies, dadurch, dass die Ventilkörper 90, 100 eine Ventilfläche 120 mit Stufen 130 aufweisen. Insbesondere weisen die Ventilflächen 120 einen Bereich 132 auf, in welchen der Winkel 127 zu der Ventilachse 126 sehr klein, insbesondere 0° ist. Alternativ kann auch vorgesehen sein einen Negativen Winkel 127 einzustellen, um ein möglichst flaches Plateau 128 zu erzielen.
Im Übrigen stimmt diese Variante mit der vorher beschriebenen Variante
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