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Title:
HEAT PUMP ACCORDING TO THE ADSORPTION PRINCIPLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2011/054950
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a heat pump according to the adsorption principle, comprising a plurality of hollow elements each having an adsorbent, wherein a working medium is enclosed in each of the hollow elements is displaceable between the adsorbent and a phase change area, wherein a heat-transporting fluid in a variable fluid circuit (101) can flow through the hollow elements by means of a valve arrangement (108). The hollow elements are brought into thermal contact with the fluid in the area of the adsorbent, wherein the flow through the hollow elements changes cyclically with the fluid, wherein at least two of the hollow elements are flown through parallel from the fluid at least in one, in particular each position of the valve arrangement, and at least two of the hollow elements are flown through serially one after the other.

Inventors:
BURK ROLAND (DE)
Application Number:
PCT/EP2010/066982
Publication Date:
May 12, 2011
Filing Date:
November 08, 2010
Export Citation:
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Assignee:
BEHR GMBH & CO KG (DE)
BURK ROLAND (DE)
International Classes:
F25B17/08
Domestic Patent References:
WO2007068481A12007-06-21
WO2007068481A12007-06-21
Foreign References:
DE19818807A11999-10-28
DE102008060698A12009-08-27
US5802870A1998-09-08
JPH10227543A1998-08-25
JP2000346484A2000-12-15
JPH11118284A1999-04-30
CH691744A52001-09-28
DE19730699A11999-01-21
DE3509564A11986-09-18
US2087939A1937-07-27
DE3304014A11984-08-09
Other References:
See also references of EP 2496895A2
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Claims:
F a t © n t a n s p r ü ' h e

Wärmepumpe nach dem Adsorptionsprinzip, umfassend eine Mehrzahl von jeweils ein Adsorptionsmittel aufweisenden

Hohlelementen.

wobei in den Hohlelementen jeweils ein Arbeitsmittel eingeschlossen und zwischen dem Adsorptionsmitte! und einem Phasen- wechseiberejch verlagerbar ist,

wobei die Hohieiemente in einem mittels einer Ventiianordnung (108) veränderlichen Fluidkreislauf (101 ) durch ein ärmetrans- portierendes Fluid beströmbar sind, wodurch die Hohieiemente im Bereich des Adsorptionsmittels mit dem Fluid in thermischen Kontakt gebracht werden,

wobei die Beströmung der Hohieiemente mit dem Fluid zyklisch wechselt,

dadurch gekennzeichnet,

dass in zumindest einer, insbesondere jeder Stellung der Veniiianordnung wenigstens zwei der Hohlelemente parallel von dem Fluid beströmt werden, wobei wenigstens zwei der Hohieiemente seriell nacheinander beströmt werden.

Wärmepumpe nach Anspruch 1 , dadurch . gekennzeichnet, dass in jeder Stellung der Veniiianordnung (108) zumindest zwei Gruppen der Mehrzahl von Hohielementen jeweils parallei beströmt wer- den, wobei zumindest eine der Gruppen einem Wärmetauscher (105, 108} unmittelbar vor- oder nachgeordnet ist.

Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der parallel beströmien Hohlelemente wenigstens etwa einem Viertel, insbesondere wenigstens etwa einem Dritte! der Anzahl der seriell bestimmten Hohlelemente entspricht.

Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoh!e!emente in einem mittels eine insbesondere weiteren Ventilanordnung (108) veränderlichen Fluidkreislauf (102) durch ein weiteres wäxmetranspüFtierendes Fluid beströmbar sind, wodurch die Hohlelemente Im Phasen- Wechselbereich mit dem weiteren Fluid in thermischen Kontakt gebracht werden, wobei die Beströmung der Hohielemente mit dem weiteren Fluid zyklisch wechselt.

Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in zumindest einer, Insbesondere jeder Stellung der insbesondere weiteren Ventilanordnung (108) wenigstens zwei der Hohielemente im Phasenwechselbereich parallel von dem weiteren Fluid beströmt werden, wobei wenigstens zwei der Hohlelemente seriell nacheinander beströmt werden,

Wärmepumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Stellung der insbesondere weitere Ventiianordnung (108) zumindest zwei Gruppen der Mehrzahl von Hohlelemente'n im Phasenwechselbereich jeweils parallel von dem weiteren Fluid beströmt erden, wobei ein Wärmetauscher (106\ 107} zumindest einer der Gruppen unmittelbar vor- oder nachgeordnet ist. Wärmepumpe nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer gegebenen -Stellung der Ventilanordnung (108) eine Teilmenge der Höhlelemente zu einem Teiikreisiauf verschaltet ist, wobei das wärmetransportierende Fluid von einer zusätzlichen Umwälzpumpe (103) über den Teii¬ kreisiauf umgewälzt wird.

Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt drei Teilkreisiäufe vorgesehen sind, wobei die Teilkreis- laufe separiert sind und jeweils von einer von drei Umwälzpumpen (103) umgewälzt werden.

Wärmepumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt zwei Umwälzpumpen (103) vorliegen, wobei ein erster Teiikreisiauf von einer ersten Umwälzpumpe umgewälzt wird und ein zweiter Teilkreislauf rnii dem ersten Teiikreisiauf kommuniziert und von einer zweiten Umwälzpumpe umgewälzt wird.

Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeweils eines der Höhlelemente insbesondere in seinem Phasenwechselbereich nicht von einem wärmetransportierenden. Fluid beströmt ist.

Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht beströmte Hohleiement jeweils zwischen einer Gruppe von im Phasenwechselbereich Wärme aufnehmenden und einer Gruppe von Im Phasenwechselbereich Wärme abgebenden Hohl- etementen angeordnet ist. Wärmepurnpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung zumindest ein, insbesondere genau ein Rotationsventil (108) mit einem zylindrischen Manie! (109) und einem darin drehbar angeordneten Veniiikörper (1 10) umfasst.

Wärmepumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass das Rotationsventil (108) stirnseitige Zuführungen und Abführungen zur Verbindung mit den einzelnen Hohleiementen umfasst.

Wärmepumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch, gekennzeichnet,, dass der Ventiikörper (110) zumindest eine Ringraum (1 1.1 ) ausbildet, wobei wenigstens zwei axiaie Kanäle (1 18) in den Ringraum (11 1 ) münden, die jeweils mit parallel verschalteten Hohlelementen verbunden sind, und wobei zumindest eine radiale Öffnung ( 13) des Ringraums vorgesehen ist, die über den Ringraum (1 11 ) mit den wenigstens zwei axialen Kanälen (116) in Verbindung steht.

Wärmepumpe nach dem Ädsorptionsprinzip, umfassend

eine Mehrzahl von jeweils ein Adsorptionsmittei aufweisenden

Hohleiementen,

wobei in den Hohleiementen jeweils ein Arbeitsmittel eingeschlossen und zwischen dem Adsorptionsmittei und einem Phasen- wechseibereich verlagerbar Ist,

wobei die Hohlelemente in einem mittels einer Ventilanordnung (108) veränderlichen FluicJkreislauf (101 ) durch ein wärmefrans- portierendes Fluid beströmbar sind, wodurch die Hohlelemenie im Bereich des Adsorptionsmittels mit dem Fluid in thermischen Kontakt gebracht werden, wobei die Beströmung der Hobleiernente mit dem Fluid zyklisch wechselt,

dadurch gekennzeichnet,

dass in zumindest einer, insbesondere jeder Stellung der Ventii- anordnung (108) zumindest eine erste Teilmenge der Hohlelemente stromabwärts einer ersten Umwälzpumpe (103) und eine zweite Teilmenge der Hohielemente stromabwärts einer zweiten Umwälzpumpe (103) angeordnet ist.

Wärmepumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine der Teilmengen wenigstens zwei Hohlemerrte urnfasst, die parallel zueinander stromabwärts der jeweiligen Umwälzpumpe (103) angeordnet sind.

Wärmepumpe nach Anspruch 15 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teilmengen von Höhlelementen in der zumindest einen Stellung der Ventflelanordnung zu zwei voneinander getrennten Teilkreisen des Fluids gehören.

Wärmepumpe nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Teilmenge von Hohletementen zu einem ersten Teilkreis des Fluids gehört und die zweite Teilmenge von Hohlelementen zu einem zweiten Teilkreis des Fluids gehört, wobei die beiden Teilkreise über zumindest ein Hohlelenient in Verbindung miteinande stehen.

Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass: die Ventilanofdnung (108) Querschnittsanpassungen und/öder Drosselelemente zur Beströmung der einzelnen angeschlossenen Hohlelemente ent- hält, die zü einer Maximserung der rückgewonnenen Wärme führen.

20. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 19, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmaie eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 14.

Description:
Wärmepumpe nach dem Adsorptionsprinzip

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

WO 2007/068481 A1 beschreibt eine Ädsorptionswärmepumpe, die aus mehreren Hohlelementen mit jeweils einem Ädsorptions-Desorpiionsbereich und einem Verdampfungs-Kondensations-Bereich bzw. Phasenwechselbe- reich bestehen. Die Hohie!emenie werden an jedem der Bereich mit einem wärmetransportierenden Fluid beströmt wobei die Verschattung ' der Höhlelemente ' bezüglich der F-suidbeströmung mittels Ventilanordnungen zyklisch verändert wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Wärmepumpe nach dem Adsorptionsprinzip anzugeben, für die ein besonders breiter Einsatzbereich ermöglicht ist. Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Wärmepumpe mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die parallele Beströmung einiger der Hohfeiemente im Bereich des Ädsorptionsmittels (Sorptionsseite der Wärmepumpe) kann eine westgehende Angleichung der sorptionsseitigen Temperaturen dieser Hohlelemente erreicht werden, wodurch der zugrunde liegende thermodynamische reisprozess aufgeweitet wird.

Dies kann zum Beispiel dazu genutzt werden, den Temperaturhub der Wär- mepumpe zu vergrößern. Insbesondere kann dabei ein relativ kleiner Temperaturschub vorliegen. Unter dem Temperaturhub wird dabei der Temperaturabstand im utzprozess bzw, zwischen einer Niedertemperatur- Wärmequelle ( Q) und einer Mitteltemperatur-Wärmesenke (MS) verstanden, also etwa im Falle des Einsatzes als Kühlvorrichtung eine möglichst niedrige Verdampfertemperatur und/oder hohe Rückkühltemperatur (bzw. Kondensationstemperatur und Adsorptionstemperatur). Unter dem Temperaturschub wird dabei der Temperaturabstand im treibenden Prozess verstanden, also etwa der Temperaturabstand zwischen eine (Hochtemperatur- )Wärmequelle und einer Rückkühfung bzw. einer itieltemperatur» Wärmesenke, im Falle einer Kühlbetriebsart also der Rückkühltemperatur, insbesondere lässt sich durch die erfindungsgemäße Lösung das Verhältnis zwischen Temperaturhub und Temperaturschub vergrößern, ohne eine Beladungsbreite des Prozesses zu sehr zu verkleinern, so dass sich ein erweiterter Einsatzbereich ergibt. Komplementär kann die Erfindung auch dazu genutzt werden, bei gegebenem Temperaturhub die nutzbar 8e.ladun.gs- breite und damit den thermischen GÖP (Coefficient Öf Performance.) der Anlage zu vergrößern.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es dabei vorgese- heh, dass In jeder Stellung der Ventlianordnung zumindest zwei Gruppen der Mehrzahl von Hohlelementen jeweils parallel beströmt werden, wobei zumin- des! eine der Gruppen einem Wärmetauscher unmittelbar nachgeordnet ist. Die Wärmetauscher stehen zweckmäßig mit jeweiligen Wärmereservoiren auf verschiedenen Temperaturniveaus im Austausch, zum Beispiel einer Heizquelle einerseits und einem Rückkühlreservoir andererseits, Beispiele 5 einer Heizquelle können etwa ein Soiarmodul oder Abwärme eines Biock- heizkraftwerks sein. Bei dem RückkQhlreservoir kann es sich zum Beispiel um die AuReniuft handeln, wobei der entsprechende Wärmetauscher eine „trockene" Wärmeabfuhr an die Umgebung ermöglicht,

Ü Allgemein vorteilhaft ist es zur Optimierung des Verhältnisses aus Temperaturhub und Temperaturschub vorgesehen, dass die Anzahl der insgesamt parallel beströmten Hohlelemente wenigstens etwa einem Viertel, insbesondere wenigstens etwa einem Drittel der Gesamtanzahl der beströmten Hohlelemente entspricht.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es zudem vorgesehen, dass die Hohlelemente In einem mittels einer insbesondere weiteren Ventiianordnung veränderlichen Fluidkreislauf durch ein weiteres wärmetranspoftierendes- Fluid beströmbar sind, wodurch die Hohlelemente

0 im Phasenweehselbereich mit dem weiteren Fluid in thermischen Kontakt gebracht werden, wobei die Besirömung der Hohlelemente mit dem weiteren Fluid zyklisch wechselt. Durch die teilweise parallele Besirömung nicht nur im Adsorptionsbereich, sondern auch im Phasenweehselbereich kann eine weitere Steigerung des Temperaturhubs erreicht werden. Je nach konkreter

5 Ausgestaltung kann der Fluidkreislauf der Phasenwechselseite vollständig von dem der Adsorberseite getrennt sein, wobei zur weiteren Optimierung auch unterschiedliche Fluide Verwendung finden können, In konkreten Fällen können die Fluidkreislä . ufe aber auch miteinander verbunden sein, zum Beispiel zum Zweck einer gemeinsamen und somit kostengünstigen Nutzung j desselben Wärmetauschers als Rückkühler. Beispiele für besonders geeignete wärmetransportierende Fluide einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe sincl übliche Wasser-Glykol-Genrtische, gegebenenfalls mit Korrosionsschutz- Additiven, wie sie in Kühlkretsläufen Verwendung finden.

Zweckmäßig liegt sowohl für den Fiuidkreisiauf der Adsorptionsseite als auch für den Fluidkreislaüf der Phasenwechselseiie eine jeweils separat VentH- anordnung zur zyklisch wechselnden Beströmung der HöhleJemenfe vor. Es Ist aber allgemein auch denkbar, dass beide Seiten von derselben Integrierten Ventilenordnung angesteuert werden. Die Erfindung umfasst aligemein sämtliche Bauformen von Ventilanordnungen,

Be einer bevorzugten Detailgestaltung werden in zumindest einer, insbesondere Jeder Stellung der insbesondere weiteren Ventilanordnung wenigstens zwei der Hohlelemente im Phasenwechse!bereich parallel von dem weiteren Fluid beströrnt, wobei wenigstens zwei der Hohlelemente seriell nacheinander beströmt werden, in bevorzugter, aber nicht notwendiger Weiterbildung ist es dabei vorgesehen, dass in jeder Stellung der Insbesondere weiteren Ventilanordnung zumindest zwei Gruppen der Mehrzahl von Hohlelementen im Phasenwechsefbereich jeweils parallel von dem weiteren Fluid beströmt werden, wobei ein Wärmetauscher zumindest einer der Gruppen unmittelbar vorgeordnet ist,

Besonders effektiv im Sinne der Erfindung ist eine Wärmepumpe, bei der sowohl so.rptionsseit.ig als auch phasenwechselseitig jeweils einige Hohlele- mente parallel und einige Hohlelemente seriell beströmt werden. Dabei soll- ten diese verschieden beströmten Hohlelemente in einer definierten Phasenlage bezüglich der beiden Seiten angeordnet sein. So können besonders vorteilhaft diejenigen Hohlelemente einer Gruppe, die i ihren Sorptionsbereichen paraliei zueinander beströrnt werden, auf ihrer Phasenwechselseiie jeweils seriell zueinander beströrnt werden und umgekehrt. Zur Feinoptimie- rung der Funktion der Wärmepumpe kann diese Zuordnung von sorptions- seitig parallel (seriell) und phasenwechseiseitlg seriell (paraliei) beströmten Hohlelementen aber auch eine gewisse Phasenverschiebung, zum Beispiel um ein oder zwei Hohlelemente, zueinander aufweisen. Alternativ oder ergänzend können die Zeitpunkte einer Ventii ' versteliung um einen definierten Zeitsehritt zueinander verschoben werden. Damit kann der thermischen Trägheit des Systems Rechnung getragen werden,

Bei einer bevorzugten Äusführungsform der Erfindung ist in einer gegebenen Stellung der VentHanordnung eine Teilmenge der Hohlelemenie zu einem Teükreisfauf verschaltet, wobei das wärmetransportierende Fluid von einer zusätzlichen Umwälzpumpe über den Teükreisfauf umgewälzt wird. Hierdurch wird allgemein ein Freiheitsgrad geschaffen, um die assenströme der verschiedenen Gruppen von parallel und seriell durchströmten Hohleiementen zumindest teilweise unabhängig voneinander einzustellen. Bei einer ersten möglichen Detailgestaltung liegen Insgesamt zwei Umwälzpumpen vor, wobei ein erster Teilkreislauf von einer ersten Umwälzpumpe umgewälzt wird und ein zweiter Teilkreislauf mit dem ersten Tellkreislauf kommuniziert und von einer zweiten Umwälzpumpe umgewälzt wird. Hierdurch wird ein guter Kompromiss zwischen baulichem Aufwand und Steuerbarkelt der Massenströme erzielt, Zur optimalen Bestimmung der Massenströme für die verschiedenen Gruppen von parallel und seriell durchströmten Hohlelementen kann es aber auch vorgesehen sein, dass insgesamt drei Teiikreisiäufe vorgesehen sind, wobei die Teilkreisläufe separiert sind und jeweils von einer von drei Umwälzpumpen umgewälzt werden.

Bei einer alternativen, kostengünstigen Bauweise kann auch nur eine einzige Umwälzpumpe vorgesehen sein, wobei eine einfache Aufteilung der Massenströme auf die Hohlelemenfe durch Verzweigungen erfolgt.

Bei einer weiter optimierten Äusführungsform einer Wärmepumpe ist zumindest jeweils eines der Hohlelemente insbesondere in seinem Phasenwech- selbereich nicht von einem wärmetransportierenden Fluid beströmt In bevorzugter Detailgestaltung ist dabei das nicht bestromte Hohlelement jeweiis zwischen einer Gruppe von im Phasenwechselbereieh Wärme aufnehmenden und einer Gruppe von im Phasenwechselbereich Wärme abgebenden Hohielementen angeordnet. Hierdurch wird eine acjiaba sche Zone zwischen den Phasenweehselbereichen benachbarter Hohleiemente vo besonders großer Temperaturdifferenz geschaffen, durch die .unerwünschter Wärme- fiuss verringert und der Wirkungsgrad der Wärmepumpe insgesamt verbessert wird.

Bei einer vorteilhaften Äusführungsform der Erfindung umfasst die Ventiian- ordnung zumindest ein, Insbesondere genau ein Rotationsventif mit einem zylindrischen Mantel und einem darin drehbar angeordneten Ventilkörper. Dabei ist im Regelfall sowohl der Sorptionsseite als auch der Phasenweeh- selseite eine eigene Veniiianordnung zugeordnet, die aber jeweils ähnlich oder identisch aufgebaut sein kann.

In bevorzugter Weiterbildung einer einfachen und effektiven Bauform hat das Rotationsventil stirnseitige Zuführungen und Abführungen zur Verbindung mit den einzelnen Hohielementen,

Eine allgemein vorteilhafte Baüform eines Rotationsventils einer Wärmepumpe sieht vor, dass der Ventilkörper zumindest einen Ringraum ausbildet, wobei wenigstens zwei axiale Kanäle in den Ringraum münden, die jeweils mit parallel verschalteten Hohielementen verbunden sind, und wobei zumindest eine radiale Öffnung des Rfngraums vorgesehen Ist, die über den Ringraum mit den wenigstens zwei axialen Kanälen in Verbindung steht. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung der Parallelschaltung von Gruppen der Hohlelemente über die axialen Kanäle, wobei zudem die parallel verschaltelen Hohleiemente durch Weiierdrehen des Veniiikörpers durchwechseln. Die radialen Anschlüsse der Ringräume sind zweckmäßig mit Wärmetausehern verbunden, die somit den parallel verschaiteten Hohlelementen je nach Sirömungsrichtung vor- öder nachgeordnet sind. Die Aufgabe der Erfindung wird für eine eingangs genannte Wärmepumpe zudem durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 15 geSöst. Dadurch » dass zumindest eine erste Teilmenge der Hohieiemente stromabwärts einer ersten Umwälzpumpe und eine zweite Teilmenge der Hohlelemente stromabwärts einer zweiten Umwälzpumpe angeordnet ist, lässt sich unter anderem ein besonders effektiver Wärmeaustausch bei gegebener Baugröße erzielen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst dabei die zumindest eine der Teilmengen wenigstens zwei Hoblemente, die parallel zueinander stromabwärts der jeweilige Umwälzpumpe angeordnet sind, Zumeist wird eine größere Anzahl von zum Beispiel 8 oder 12 Hohlelementen vorgesehen sein, wobei jeder der Teilmengen in einer jeweiligen Schaltete! » lung zwei oder mehr der Hohlelemente zugewiesen sind. Bei entsprechenden Anforderungen kann es aber auch vorkommen, dass zumindest eine der Teilmengen nur die minimale Anzahl von genau einem Hohleiement umfasst,

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung Ist es vergesehen, dass die beiden Teilmengen von Hohlelementen in der zumindest einen Stellung der Venülelanordnung zu zwei voneinander getrennten Teilkreisen des Fluids gehören. Hierdurch wird eine besonders hohe Leistungsdichte der Wärmepumpe ermöglicht, insbesondere bevorzugt können die getrennten Teilkreise dabei verschiedene Anzahlen von Hohlelementen aufweisen, je nachdem, mit welcher Art von Wärmequelle oder Wärmesenke die Teilkreise im Austausch stehen. Stehen zum Beispiel der erste Teilkreis mit einer Hochtemperatur-Wärmequelle (HQ) und der zweite Teilkreis mit einer Mitteltemperatur-Wärmesenke (IVIS) in Verbindung, dann ist bevorzugt die Anzahl der Hohieiemente des ersten Teilkreises kleiner als d e des zweiten Teilkreises. Die Verteilung der Hohieiemente auf die beiden Teilkreise erfolgt bevorzugt im Verhältnis zwischen 1 :3 und 1 :1 , besonders bevorzugt zwischen etwa 2:5 und etwa 4:5. Sofern die Gesamtanzahl der Hohlelemente es erlaubt, ist eine Aufteilung von etwa 1 :2 besonders vorteilhaft Bei einer alternativen oder ergänzenden Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die erste Teilmenge von Höhlelementen zu einem ersten Teilkreis des Fluids gehört und die zweite Teilmenge von Hohielementen zu einem zweiten Teilkreis des Fluids gehört, wobei die beiden Teilkreise über zumindest ein Hohlelement in Verbindung miteinander stehen. Hierdurch ist zum einen effektiver Wärmetausch und somit eine gute Leistungsdichte gegeben, wobei zudem eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads- durch eine wärmerückgewinnende Verkuppelung der Teilkreise ermöglicht ist. In besonders bevorzugter Detailgestaltung liegt dabei eine Verbindung von jeweils genau einem der Hohleiemertte der Teilkreise mit dem jeweils anderen Teikreis vor. Dies kann z.B. durch saugseitige Änbindüng des Ausgangs des jeweiligen genau einen Hohlelements mit der Umwälzpumpe des anderen Teilkreises erfolgen.

Weiterhin allgemein vorteilhaft kann es zur Optimierung der Wärmepumpe vorgesehen sein, dass die Ventilanordnung Querschnittsahpassungen und/oder Drosselelemente zur Beströmung der einzelnen angeschlossenen Hohlefemente enthält, die zu einer Maximierung der rückgewonnenen Wärme führen.

Allgemein vorteilhaft ist es vorgesehen, dass eine Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 15 bis 19 ferner die kennzeichnenden Merkmale eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 14 aufweist, um weitere Optimierungen zu ermöglichen,

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispieien sowie aus den abhängigen Ansprüchen, Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels einer emndungsgernäßen Wärmepumpe.

Fig, 2 zeigt ein Temperatür-Druck-Diagramm mit Kreisprozessen der Sorptionsseite und der Phasenweehselseite der Wärmepumpe aus Fig. 1 ,

Fig. 3 zeigt eine scbematische abgerollte Ansicht eines Rotationsventils zur Steuerung einer sorptionsseitigen Fluid beströrnung der Wärmepumpe aus Fig, 1 .

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine schemtatische Darstellung des Rotationsventils aus Fig. 3.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des Rotationsventäls aus Fig, 4 entlang der Linie Ä~A.

Fig. 6. zeigt einen Querschnitt des Rotaiionsveftiiis aus Fig. 4 entlang der Linie B-B.

Fig, 7 zeigt eine schematische abgerollte Ansicht eines Rotationsventäls zur Steuerung einer phasenwechselseitigen Fiuidbeströrnung der Wärmepumpe aus Fig. 1 ,

Fig. 8 zeigt einen Längsschnitt durch eine schemtatische Darstellung des Rotationsventils aus Fig. 7.

Fig. 9 zeigt ein Schaltungsanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfind ungsgemäßen Wärmepumpe.

Fig. 10 zeigt ein Temperatur-Druck-Diagramm mit Kreisprozessen der Sorptionsseite und der Phasenwechselseste der Wärmepumpe aus Fig. 9.

Fig. 11 zeigt eine Schaltungsanordnung eines dritten Äusführungsbei- Spiels einer erflndungsgemäiien Wärmepumpe,

Fig. 12 zeigt eine Schaltungsanordnung eines vierten Ausführungstaei- spiels einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe. Fig. 13 zeigt eine Schaltungsanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 14 zeig! eine Schaltungsanordnung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 15 zeigt eine schematische abgerollte Ansicht eines Rotationsventils zur Steuerung einer sorptionsseitigen Fluidbeströmung der Wärmepumpe aus Flg. 14,

Fig. 16 zeigt eine schematische abgerollte Ansicht eines Rotationsventils zur Steuerung einer phasenwechselseitigen Fluidbeströmung der Wärmepumpe aus Fig. 14.

Fig. 17 zeigt die mit den Schaltungen aus Flg. 13 bis 16 angestrebte idealisierte rechteekförmige Prozessführung im iog p ·· 1/T · Diagramm mit einer vergrößerten Beladungsbreite.

Die in Fig, 1 funktionsschematisch dargestellte Wärmepumpe umfasst eine Mehrzahl von vorliegend 12 Hohielementen, die bevorzugt jeweils baugleich und nebeneinander angeordnet sind. Genaue apparative Ausgestaltungen solcher Hohlelemente sind bekannt und können zum Beispiel der WO 2007/068481 Ä1 entnommen werden. Die Hohlelemente können etwa als hermetisch geschlossene Längskörper ausgebildet sein, wobei in den Endbereichen jeweils ein Adsorptionsmitte! einerseits und ein Mitte! zur Speicherung von Flüssigkeit, zum Beispiel kapiiiarische Strukturen, andererseits vorgesehen sind.

Jedes der 12 Hohlelemente hat Jeweils einen in der linken Hälfte der Fig. 1 dargestellten Sorptionsbereich (SZ1 bis SZ 12). In dem Sorptionsbereich befindet sich jeweils eine Menge des Adsorptionsmitteis wie etwa Aktivkohle. Zudem hat jedes der Hohlelemente einen in der rechten Hälfte der Fig. 1 dargestellten Phasenwechseibereich (PZ1 bis PZ12) in Form von kapillarischen Strukturen. in den Zeichnungen enthaltene Bezugszeichen mit Ziffern 1 bis 12 beireffen jeweils die Nummerierung der Hohleiemente und/oder ihrer Sorptions- und Phasenwechselbereiche gemäß dem Sinnzusammenhang.

In den Hohlelementen ist jeweils eine definierte Menge eines Arbeitskittels, vorliegend Methanol, eingeschlossen, so dass das Arbeitsmittel je nach einer aufgeprägten Temperatur des Sorptionsbereichs und/oder Phasenwechsel- bereichs zwischen dem Adsorptionsmittel und den kapillarischen Strukturen wechseln kann.

Auf der Sorptionsseite ( g, 1 links) und auf der PhasenweehselseÜe (Fig. 1 rechts) sind jeweils Ruidkreisläufe 101 , 102 vorgesehen, mittels derer die einzelnen Sorptionsbereiche und Phasenwechseiberelche der Hohleiemente mit einem wärmetransportierenden Fluid beströmbar sind. Hierzu ist jeweils eine Umwälzpumpe 103 je Fluidkreislauf vorgesehen sowie eine in Fig. 1 nicht dargestellte Ventilanordnung, mittels der die Hohleiemente bezüglich ihres Zustande im Fluidkreislauf zyklisc weitergeschaltet werden.

Auf der Sorptionsseite erfolgt neben dem Wärmeaustausch des Fluids mit den Sorptionsbereichen SZ1-SZ12 auch ein Austausch mit einer Wärme» quelle HG (Hoehtemperatur-Wärmereservolr) über einen Wärmetauscher 06 und mit einer Wärmequelle MS (Mitteltemperaiur-Wärmereservoir) über einen Wärmetauscher 108 als Rückkühler.

Auf der PbasenwechseSseiie erfolgt neben dem Wärmeaustausch des Fluids mit den Phasenwechseibereichen PZ1-PZ12 auch ein Austausch mit einer Wärmequelle Q (Niedertemperafur-Wärmereservoir) über einen Wärmetauscher 107 und mit der Wärmequelle MS (Mitteltemperatur- Wärmereservoir) über einen Wärmetauscher 106'. Je nach Ausführungsform können insbesondere die Mitteltemperatur-Wärmequellen identisch sein, zum Beispiel in Form der Umgehungsluft. Die jeweiligen Wärmetauscher 106, 108' können dann baulich integriert sein oder auch als ein einziger Wärmetauscher vorliegen, zum Beispiel unter Verbindung der beiden Fiiiid- kreis laufe 101 , 102.

Bei einem möglichen Einsatz der Wärmepumpe zur Klimatisierung von Wohnräumen entspricht der Wärmetauscher 107 einem Verdampfer, der zur Kühlung eines Luftstroms auf das Temperaturniveau NQ, möglichst unterhalb eines Taupunktes zur gleichzeitigen Entfeuchtung der Luft, ausgebildet ist. Das Wärmereservoir MS kann dann der Außenluft entsprechen. Die Wärmequelle HG kann zum Seispiel Abwärme eines Blockheizkraftwerks sein oder auch Wärme eines Solarmoduls. Letztlich wird dann die Kühlung der Luft vom Niveau MS auf das Niveau NQ {„Temperaturhub" MS-NQ) durch einen Wärmestrom vom Niveau HG zum Niveau S („Temperaturschub" HQ-fviS) angetrieben.

Der in einem Isosterendiagramm dargestellte Kreisprozess in Fig, 2 wird dabei in 12 Teilschritte zerlegt, die von jedem Höhlelement zeitversetzt nacheinander durchlaufen werden. Da die Zahl der Teilprozesse der Hohlelementzahl entspricht, existiert zu jedem Teilprozess gerade ein Hohielemeni das diesen durchläuft. Aus Gründen der Einfachheit wird der Betrachtungszeit- punkt so gewählt, dass die Hohlelementnummer der Teiiprozessnummer entspricht. Nach einem festgelegten Zeitintervall wird jedes Höhlelement um einen Prozessschritt weiter geschaltet und so fort, bis nach 12 Schritten die Wiederholung des gesamten Zyklus erfolgt.

Der Fig. 1 kann entnommen werden, dass das Wärmeträgerfluid die Hohl- elemenie sorptionsseifig teilweise parallel und teilweise in Richtung abnehmender Hohieie.mentnum.mern seriell durchströmt. Dadurch ergibt sich bei den Prozessschritten mit sich ändernder Adsorbertemperatur eine Art Gegenstromschaitung der Hoh elemente (abnehmende Hehjelernentnurn- mern) in Bezug auf die Weiterschaltung der Hohielemente (aufsteigende Hohieiementnummern). Die Hohlelemenie mit gleicher Sorptionstemperatur werden hingegen parallel durchströmt.

Nach der rechten Seite der Fig. 1 existieren auch auf der Phasenwechseisei- te (Verdampfungs-ZKondensationszonen) Bereiche mit paralleler Beströmung und serieller Beströmung der Hohlelemente, sowie zwei nicht durchströmte Hohlelemenie (Nr. 1 u. 7}.

Damit gibt es schaltungstechnisch 4 Bereiche im Fluid Kreislauf 101 der Sorptionszonen {Fig. 1 links) und der Phasenwechselzonen (Flg. 1 rechts), deren Funktion anhand von Fig. 2 erst allgemein und dann detailliert beschrieben werden:

Die Prozessschriite vom Zustand 1 bis zum Zustand 5 in Fig. 2 umfassen einen Wärmeentzug bei abnehmender Temperatur (1 =>2: isostere Abkühlung und 2->5: Isobare Adsorption). Danach schließt sich eine isotherme Wärmeentzugsphase bei zunehmendem Druck bis zum Punkt 7 an (isotherme Adsorption), Die Prozessschriite vom Zustandspunkt 7 bis 1 1 kennzeichnen eine Wärmezufuhr bei zunehmender Temperatur (7~>8: isostere Erwärmung und 8~>11 : Isobare Desorpt n). Danach schließt sich eine isotherme Wärmezufuhrphase bei abnehmendem Druck an, bis der Zustandspunkt 1 wieder erreicht wird (isotherme Desorption).

Die in Fig. 1 in Klammern gesetzten Zusätze zur Bezeichnung der Hohlele- mentbereiehe bedeuten:

-H2: Wärmezufuhr, -Q: Wärmeabfuhr, A: Adsorption, D: Desorption, T; Temperaturwechsel, V: Verdampfung, K: Kondensation, {-}: adiabate Phase, im Folgenden werden die einzelnen 12 Teilprozessschritte längs des Sirö-mungspfades der Sorptionsseite und den parallel ablaufenden Prozessen in der Phasenwechseiseite beginnend mit dem Zustandspunkt 1 detailliert beschrieben;

1 . Dieser Zustand ist durch einen vollständig desorblerten und noch heißen Sorpfionsberefch (8Z1 ) gekennzeichnet, der nachfolgend bei konstanter Beladung (isoster) abgekühlt wird. Dabei wird entsprechend Fig. 1 das vom vorgeschalteten Sorptionsbereich (SZ2) kommende . , schon aufgewärmte Wärmeträgeril iid nochmals weiter aufgeheizt, bevor es dann zur Hochtertv pera-turwärmequeile (HQ) zur weiteren Erhitzung geführt wird. Die im Druck- gieichgewichf stehende Phasenweehselzone (PZ1 ) des Hohlelements wird von keinem Wärmeträger beaufschlagt wodurch es sich adiabat vom Zustand V3 auf den Zustand VI (siehe Flg, 2) ohne nennenswerte Verdampfung von Arbeitsmittel abkühlen kann.

2. Beim Erreichen des Prozesseckpunktes 2 wird die Phasenwechselzone mit dem von der iederternperatur-Wvärmequeile NQ kommenden Kälteträ » ger-Fluid durchströmt, wobei Arbeitsmittel auf niedrigem Verdampfungs- druckniveau (V1 } verdampfi. Gleichzeitig wird der vorgekühlte Sorptionsbereich mit etwas kühlerem Arbeitsmittel durchströmt und dadurch weiter bis zum Zustand 3 unter Aufnahme von verdampftem Arbeitsmittel abgekühlt. Die auf noch relativ hohem Temperaturniveau anfallende Adsorptionswärme wird dem schön relati weit aufgewärmten Wärmeträger zugeführt

3. Dieser Ädsorptionsprozess wird bei schrittweise niedrigerer Wärmeträgertemperatur zunächst bis zum Zustandpunkf 4,

4. und im zuvor durchströmten Hohielement schließlich bis zum Zustandspunkt 5 bei konstant tiefer Verdampfungstemperatur, jedoch absinkender Adsorptionstemperatur fortgesetzt. 5. Vom Zustandspunki 5 ausgehend wird das Hoh!element sorptionsseitig entsprechend Fig. 1 direkt mit dem weitgehend auf Umgebungstemperatur (MS) röckgekühiten Fluid beströmt, Durch Beströmuhg des Phasenwechsel- bereichs mit einem etwas wärmeren Wärmeträger eines getrennten Zwi- scbenkreistaufes ZK erfolgt eine Anhebung des Verdampfungsdruckes auf das Niveau V2. Die damit verbundene Druekanhebung am Sorptionsbereieh bewirkt, dass dieser ohne Temperaturanstieg bis zum Zustandspunki 6 weiteres Arbeitsmittel aufnehmen kann.

6. Auch das diesem Teilprozess zugeordnete Hohiefement wird in Parallelschaltung mit dem Hohlelement aus Prozessschritt 5 mit der geringst mögli ¬ chen Temperatur des aus dem Rückkühler 106 ( itieltemperatur- Wärmequelle MS) kommenden Fluides beaufschlagt Da der Phasenwech- selbereieh mit einem nochmals wärmeren Fluid beaufschlagt wird, wodurch der Verdampfungsprozess im Wesentlichen auf dem Druckniveau V3 stattfindet, kann der Sorptionsbereieh auch ohne Temperaturabsenkung weiteres Arbeitsmittel aufnehmen. Die erhöhte Fiuidtemperatur des Zwischenkreislaufs ZK der Phasenwechselseite wurde durch Aufnahme von Konden- sationswärme aus dem später beschriebenen Prozessschritt 1 1 erreicht. Durch den angestiegenen Adsorptionsdruck kann der Ädsorptionsbereich bei nahezu konstanter Temperatur weiteres Arbeitsmittel aufnehmen.

7. Im Zustandspunki 7 ist die Maximaibeladung des Adsorpt nsbereichs erreicht und eine Wärmezufuhrphase in den Ädsorptionsbereich hinein beginnt. Da sich der Ädsorptionsbereich praktisch noch auf Umgebungstemperaturniveau befindet, genügt zur Aufheizung ein nur noch mäßig warmes Fluid, das seine Restwärme an den Ädsorptionsbereich abgibt, wodurch sich dessen Temperatur noch weiter an die Umgebungstemperatur annähert, bevor es dem Rückkühler 106 (MS) zur Abkühlung auf Umgebungstemperatur zugeführt wird. Da der zugehörige Phasenwechselbereich PZ7 durch die fehiende Beströmung adiabat gehaiten wird, steigt der Arbeitsmitteldmck nahezu isoster auf Zustandspunkt 8 an.

8, Auf diesem Druckniveau wird weitere Wärme auf nun höherem Tempe- ratumiveau zugeführt, wodurch nun Arbeitsmittel desorbiert und bei entsprechend hoher Kondensationstemperatur (K6) kondensiert. Wie das Diagramm Fig. 2 zeigt, liegt diese etwa auf dem Niveau der beiden Adsorptions- Endtemperaturen, wodurch zur Abfuhr der Acisorptionswär en und der Kondensationwärme ein gemeinsamer Rückkühler 108, 106' verwendet wer- den kann. Durch die begrenzte Ffuidtemperatur endet dieser Prozess im Zustandspunkt 9.

9. im nachfolgenden Prozessschritt wird das H hlelement mit einer etwas höheren Fiuidtemperatur auf den Zustandspunkt 10 desorbiert, wobei der Phasenwechselbereich auf gleichem Temperafurniveau K8 in Parallelschaltung mit ebenfalls auf Umgebungstemperatumtveau (MS) rückgekühlten Fluid gekühlt wird.

10, Dieser Prozess wird mit nochmals höhere Desorptionsfemperatur bis) zum Zustandspunkt 11 fortgesetzt, wobei weitere Kondensationswärme auf dem Niveau K6 an das rückgekühlte Fluid abgegeben wird.

11. Im folgenden Prozessschritt wird der Adsorptionsbereich direkt mit der Wärmequellentemperatur HQ weiter desorbiert, wahrend das Kondensati- onstemperaturniveau des Phasenwechselbereichs auf das Niveau KS abgesenkt wird, Entsprechend Fig. 1 wird diese Temperatur durch einen vorgekühlten Wärmeträger des separaten Zwischenkreislaufs ZK bereif gestellt. Dabei findet eine im Wesentlichen Isotherme Desörpfion des Adsorptionsbe- reichs auf Prozesspunkt 12 statt. 12, Dieser Prozess wird im nächsten Prozessschritt dadurch fortgesetzt, dass bei gleicher maximaler Fluidternperatur für die Desorption das Konden- satfonsdruck- und Temperaturniveau noch weiter abgesenkt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Phasenwechseibereich direkt mit dem aus Pro- zesssehritt 5 vorgekühlten Wärmeträger des vorzugsweise separaten Zwi- schenkreislaufs ZK beaufschlagt wird. Dieser Teil rozessschritt endet mit Erreichen des Startzustandes 1

Bei dem vorstehend erläuterten Beispiel einer Wärmepumpe sind somit so- wohl auf der Sorptionsseite als auch auf der Phasenwechseiseite jeweiis einige Hohielemente parallel zueinander und einige Hohietemente seriell nacheinander beströmt. Im Einzelnen sind dies folgende Gruppen:

Sorptionsseite parallel; SZ5 mit SZ6, SZ1 1 mit SZ12,

Sorptionsseite seriell: SZ10 bis SZ7 und SZ4 bis SZ1.

Phasenwechseiseite parallel: PZ2 bis PZ4 und PZ8 bis PZ1Ö,

Phasenwechseiseite seriell: PZ5 mit PZ6 und P211 mit PZ12.

Insbesondere sind vorliegend diejenigen Hohäelernentgruppen, die auf der Sorptionsseite parallel verschaltet sind, auf der Phasenwechseiseite jeweils seriell verschaltet.

Flg.. 3 bis Fig. 6 zeigen verschiedene Darstellungen einer bevorzugten baulichen Realisierung einer Ventilanordnung zur Steuerung des Fluidkreislaufs 101 der Sorptionsseite in Fig. Die Ventilanordnung ist dabei ais einzelnes Rotationsveniii 108 mit einem zylindrischen Mantel 109 und einem darin angeordneten Rotationskörper 1 10, der um eine Welle 110a i dem ortsfesten Mantel 109 drehbar ist, Die Darstellung in Fig. 3 ist eine schematische Abrollung des Rotationskörpers 1 10, durch die die Funktion besonders deutlich wird. Der Rotationskör- per 1 10 hat insgesamt vier umlaufende Ringräume 111 , die über Gl ' eifdieh- tungen 1 12 gegenüber dem Mantel 109 abgedichtet sind, Äußere radlaie Öffnungen 1 13 verbinden die Rihgräume 1 1 1 nach außen mit den jeweiligen Wärmetauschern 105, 106, so dass jeder Zufluss und Äbfluss eines Wärme ¬ lausehers 105, 108 mit genau einem der vier Ringräume. 111 in Verbindung steht.

Der Rotationskörper 110 hat zudem axiale Durchgangskanäle 114, die ihn vollständig durchlaufen. Dabei können einige der Durchgangskanäle zu einem einzelnen Kanal zusammengefasst werden (bzw. verzweigen}, zum Beispiel beim Übergang der Hohielernente 1 und 12 zum Hohlelement 10 (vergleiche Fig. 1).

Der Rotationskörper hat zudem axiale Sackkanäle 1 1.6, die über innere radiale Öffnungen 115 in einen der Ringräume 11 1 münden. In der Abrollung nach Fig. 3 sind diese Einmündungen als Draufsichten von Pfeilspitzen und Pfeilschäften dargestellt. Hierdurch werden die Verbindungen zwischen einem oder mehreren der Hohlelemente und einem der Wärmetauscher 105, 10§ hergesteilt,

Die zyklisch wechselnde Verschattung erfolgt durch schrittweises Weiterdrehen des Rotationskörpers 110, wodurch sich stirnseitige Öffnungen 117 in dem Mantel 109 wechselnd mit den axialen Mündungen der Durchgangskanäle 114 und Saokkanäle 116 im Rotationskörper überdecken, im Bereich der stirnseitigen Überdeckung können geeignete Dichtmitte! 121 , zum Beispiel keramische Dichtscheiben, vorgesehen sein.

In einem zentralen Bereich 118 des Rotationskörpers können (nicht dargestellte) Federmittel vorgesehen sein, die einen ersten Roiationskörperteii 1 19 und einen zweiten Roiationskörperteii 120 voneinander weg und jeweils gegen die axial stirnseitigen Dichtmittel 121 gedrückt werden. Die Verbindung der Durchgangskanäle 1 14 irn Zentralbereich 1 18 kann etwa über Seblauch- stucke erfolgen. Die Verzweigungen bzw. Zusammenführungen können bei einer möglichen Ausführungsform zum Beispiel mittels der Schlauchstücke erfolgen.

Die Nummerierung der stirnseitigen Anschlüsse an dem Mantel 109 entspricht den Verbindungen mit den sorptionsseitigen Hohlelemenien bzw. dem Verschaltungszustand gemäß Fig. 1.

Fig. 7 und Fig. 8 zeigen ein Rotationsventil 108 als Ventilanordnung der Phasenwechseiseite, Aufbau und Funktion sind dem Ventil 108 der Sorpti- onsseite weitgehend analog. Aufgrund der unterschiedlichen Verschattung hat das Rotafionsventil 108 der Phasenwechseiseite insgesamt sieben Ringräume 1 11 mit jeweils bis zu drei inneren radialen Öffnungen 115 im Rotationskörper 1 10. Eine Umwälzpumpe 103 ist mit zwei von insgesamt sechs äußeren radialen Öffnungen 13 verbunden, um den Zwischenkreislauf ZK umzuwälzen.

Flg. 9 zeigt ein weiteres Äusführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe. Im Unterschied zum ersten Beispiel sind hier auf der Sorpti- onsseite jeweils drei Hohlelemente parallel miteinander verschaltet, nämlich die Gruppen SZ4 bis SZ6 und S21 Q bis SZ12. Hierdurch kann sich eine noch weitere Steigerung des Verhältnisses von Temperaturhub- zu Temperaturschub erzielen Sassen. In analoger Weise sind auf der Phasenwechseiseite die gleichen Gruppen von Hohlelemenien (PZ4 bis PZ6 und PZ10 bis PZ12) im Zwischenkreislauf seriell verschaltet.

Die durch das Beispiel nach Fig. 9 erzielbare, weitere Verbesserung des Temperaturhubs ergibt sich durch Vergleich des zugeordneten Diagramms nach Fig. 10 mit dem entsprechenden Diagramm des ersten Ausführungen beispieis (Flg. 2). Grundsätzlich kann im Sinne der Erfindung je nach Anforderungen eine beliebige Aufteilung von parallel und seriell verschaiteten Hohlelementen -vorliegen, um Temperaturhub und Temperaiurschub zu beeinflussen, Zur weiteren Optimierung des Temperaturhubs Ist besonders vorteilhaft wenigsten ein Drittel der Gesamtzahl der Hohlelemente auf der Sorpiionsseite parallel verschaltet. Im ersten Ausführungsbeispiei Ist dies mit vier parallel verschaiteten von insgesamt zwölf Hohielementen genau der Fall, Beim zweite Äusfüh- rungsbeispsel nach Fig. 9 sind genau die Hälfte der sorptionsseltigen Hohl- elemente parallel verschaltet.

Auf der Phasenwechselseite liegen in den vorstehend beschriebenen beiden Äusführungsbeispielen der Erfindung jeweils insgesamt drei Umwälzpumpen vor, so da ss sowohl die beiden parallel geschalteten Gruppen von Hohlelementen als auch der Zwischenkreis separat voneinander bezüglich der Flüidmassenströme einstellbar sind, Hierdurch kann eine besonders genau Einregeiung der Wärmepumpe zur Optimierung ihres Wirkungsgrads erfolgen.

Auf der Sorptionsseite liegt dagegen nur eine einzig Umwälzpumpe 103 vor, wobei der Fluidmassensfrom sich gemäß der vorhandenen Abzweige in den Leitungen bzw. Ventilanordnungen aufteilt oder summiert. Dies ist eine kostengünstige Lösung, die bezüglich der optimalen jeweiligen Massenströme wenig Einstellbarkelt bietet.

Fig. 11 zeigt ein drittes Äusführungsbeispiel das In seiner sorptionsseltigen Verschattung dem zweiten Seispiel nach Flg. 9 entspricht Phasenwechsel- seifig, liegt jedoch kein Zwischenkreislauf mehr vor, sondern: sämtliche Hohi- elemente sind in einen mit nur einer Umwälzpumpe 103 angetriebenen Fluidkreislauf eingebunden. Weiterhin liegen dabei sowohl parallel als auch seriell verschalteie Gruppen von Hohielementen analog dem Beispiel nach Fig. 9 vor. Das Beispiel nach Fig. 1 1 Ist aufgrund der geringen Anzahl von Umwälzpumpen 103 besonders kostengünstig. Es ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn die Hohlelemente jeweils aus mehreren Submo- duien aufgebaut sind und/oder hohe Temperaturspreizungen an den exfernen Wärmetauschern zulässig oder erwünscht sind. Besonders vorteilhaft ist dies bei Einsatz externer Wärmetauscher in Kreuz-Gegenslromschaltung der Fall, vorzugsweise für Luft als Wärmequelle und/oder Wärmesenke.

Fig. 12 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem phasenwechseiseitfg eine Verschaitung mit nur einer Umwälzpumpe 103 wie im. Beispiel nach Fig. 1 1 gewählt wurde. Auf der Sorptionsseite wurde dagegen eine Kombination von zwei miteinander kommunizierenden Teilkreisläufen gewählt, die mittels, genau zwei Umwälzpumpen umgewälzt werden. Auch hier wird der von einem der Wärmetauscher 105, 108 kommende Fluidmassenstrom jeweiis auf drei Hohieiemente aufgeteilt, jedoch werden die Rückläufe zweier dieser Module als verbundener Teilkreis dem Wärmetauscher unmittelbar wieder zugeführt. Der Fluidmassenstrom nur eines der drei parallelen Hohlelemente wird den nachfolgenden seriell verschalteten Hohlelemenfen zugeführt. Durch Regelung der beiden Pumpen und/oder nicht dargestellter Durchflussbegrenzer können so die fraglichen Fluiclmassenströme an den seriell und parallel verschalteten Gruppen von Hohielementen weitgehend eingestellt werden, wobei dennoch auf eine dritte Umwälzpumpe verzichtet werden kann.

Das Beispiel nach Fig. 12 entspricht der Erfindung zumindest im Urnfang der Ansprüche 1 und 5.

Es versteht sich, dass die Merkmale der jeweiligen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können. Insbesondere gilt dies für die vorgeschlagenen Verschalungen mit einer, zwei oder drei Umwälzpumpen, die je nach Anforderungen sowohl auf der Sorptionsseite als auch auf der Phasen vechseiseite einsetzbar sind.

So ist zum Beispie! eine Schaltung mit drei getrennten Teilkreisen bzw. drei Umwälzpumpen wie auf der Phasenwechselseite im Beispiel nach Fig. 1 auch auf die Sorptionsse te anwendbar. In diesem Falle würden alle direkt mit der Wärmequelle 105 (HG) und der Wärmesenke 106. (MS) verbundenen parallel geschalteten Hohletemente direkt zu diesen externen Wärmeübertragern zurückgeführt. Der Zwischenkreislauf übernimmt dabei die Rekuperation der sensiblen Wärmen beim Temperaiurvvechsei von der D ' esorptionstemperatur auf die Adsorptionstemperatur und zurück mit einer weiteren Pumpe.

Bei allen vorstehend beschriebenen Sehaltungsvarianten wird das Schaf- iungs- und Temperaturprofil durch schrittweises Drehen der Rotationsventile 108 in Richtung absteigender Moduinummerierung verschoben. Grundsätzlich ist auf eine gleichsinnige, phasengerechte ' Weiterschaltung der beiden Ventile 108 zu achten. Es kann sich allerdings als vorteilhaft erweisen., die Schaltzeiten zur Ffuidsteuerung der Sorptionsbereiche und der Pha- senwechselbereiGhe zeitlich versetzt zueinander stattfinden zu lassen, um der unterschiedlichen Kinetik und zeitlichen Verzügen der in den Modulen ablaufenden kinetischen Prozesse Rechnung zu tragen,

Charakteristikum: alier Schaltungen ist zum Einen die Kombination von Parallel- und Seriellschaltungen von Hohlelemenien für die Sorptionsbereiche und gegebenenfalls die Phasenwechselbereiche. Zum Anderen charakteristisch ist die im Wesentlichen komplementäre Verschattung der Sorptionsbereiche und der Phasenwechselbereiche alier Hohlelemente In dem Sinne, dass sorptionsseitig parallel geschaltete Gruppen von Hohleiementen phasenwechselseitig im Wesentlichen seriell geschaltet sind und umgekehrt. Vorzugsweise, aber nicht zwingend, wird dabei Jeweils dasjenige Höhlelement (PZ1 , PZ7) phasenwechselseitig nicht durchströmt, bei dem der Pro- zess vom Verdampfungsprozess zum Kondensationsprozess wechselt und umgekehrt, wobei sorptionsseitig ein nahezu isosterer Druck- und Tempera- turweohsei stattfindet. Durch d e Aufteilung der Module in komplementäre, paraJIel und seriell geschaltete Gruppen kann das Verhältnis Temperaturhub zu Temperaturschub ( S-NG)/(HQ- S) ohne Reduktion der Beladungsbrei ¬ te des Adsorptionsmittels variiert und den gewünschten relativen Temperaturlagen der verfügbaren Wärmequellen (HQ, NQ) und Wärmesenke (MS) optima! angepasst werden.

In Flg. 13 ist eine Verschaltung bzw. Anordnung von Hohleiementen gezeigt, die insbesondere der Erfindung im Umfang des Anspruchs 15 entspricht. Dabei liegt insgesamt eine Anzahl von 8 Ho-hlelementen mit Sorptionsbereichen (SZ1 bis SZ8) und Phasenwechselbereichen (PZ1 bis PZ8) vor, Die Schematische Darstellung und Bezeichnung ist analog den vorhergehenden Ausföhrungsbeispielen.

Bei dieser Äusführungsform sind entsprechend der linken Abbildung alle sorptionsseitigen Hohielemente zwei Gruppen parallel durchströmter Elemente zugeordnet, die zusammen mit einer jeweiligen Umwälzpumpe 103 und einem Wärmeübertrager HQ, MS zwei vollständig separate Kreisläufe bilden, Der obere Kreislauf Ist dabei mit einer Hochtemperafuavärme-Quelle HQ verbunden und der untere Kreislauf ist mit einer Mitteftemperaturwärme- Senke MS verbunden.

Besonders vorteilhaft Ist die Gruppe der vom Mitteltemperatur-Kreislauf parallel durchströmten Hohielemente größer als die Gruppe der vom Hochtem- peratur-Kreislauf durchströmten Elemente. Im vorliegenden Fall liegt das Verhältnis der Anzahlen bei 3:5, Damit wird der generell größeren Kinetik des Desorptionsvorgangs im Vergleich zum Adsorptionsvorgang Rechnung getragen.

Die korrespondierenden Phasenwechselzonen der Hohlelemente {recht Abbildung in Fig. 13} werden besonder« vorteilhaft wenigstens gruppenweise ebenfalls jeweils parallel durchströmt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 bildet die erste Gruppe PZ1-PZ3 mit einer Mitteitemperaturwärme-Senke (MS) und einer Umwälzpumpe wieder einen separaten Kreislauf, Die zweite Gruppe von .Hohlelementen PZ4-PZ8 Ist in zwei parallel durchströmte Unter- gruppen unterteilt, die jedoch in diesem Ausführungshelspsei serieil geschaltet sind und mit der Niedertemperaturwärme-Quelfe NQ und einer zweiten Umwälzpumpe 103 der Phasenwechselzone einen separaten Kreislauf bilden, Die über eine Ventilanordnung definierte Schaltungsiogik. der Fluidverbin- dungen wird in diesem Fall bezüglich der Abbildung in definierten Zeitschritten schrittweise nach oben bewegt, so dass jedes Modul zyklisch den unterschiedlich temperierten Kreisläufen zugeordnet wird. Vorteilhafterweise sind die Schaltzeitpunkte, zu denen die Ventile um eine Stellung weitergeschaltet werden, in der Weise zeitlich versetzt, dass die Schaiizeitpunkfe der Ventil- anordnung für die Phasenwechselzonen um ein definiertes Zeitinierval! dem Schaltzeitpunkt der Ventilanordnung der Sorptionszonen später erfolgt. Damit wird der thermischen Trägheit bei der Einstellung der neuen physikalischen Zustände in den Höhlelementen Rechnung getragen,

Das Beispiel nach Fig. 13 entspricht Insbesondere der Erfindung im Umfang des Anspruchs 5,

Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsförm ähnlich Fig. 13, bei der die beiden sorpiionsseitigen Fluidkreisläufe zur Realisierung einer Wärme- Rückgewinnung nicht vollständig getrennt sind. Vielmehr sind die Rückläufe zweier Hohlelemente SZ1 und SZ4 dem jeweils komplementären Kreislauf zugeordnet. Dabei handelt es sich um diejenigen Hohielemente, die nach der Ventilumschaitung noch eine hohe thermische Kapazität tragen.

Dabei wird vorgeschlagen, dass die Volumenströme der parallel beströmten Hohielemente, insbesondere der jeweiligen Übergangselemente (im dargestellten Sehaltzustand also die Hohielemente SZ1 und SZ4) durch definiert In. die Ventiianordnung eingebrachte Querschnittsanpassungen und/oder Dros- seielemente so verteilt sind, dass der Temperaturwechsel in den Übergangs- Hohielernehten innerhalb des definierten Zeiischritt-Intervalis der Ventilanordnung gerade vollständig erfolgt Auf diese Weise wird die Temperatur- rampe des sich in den betreffenden Hohlelementen ausbildenden Tempera- turproftls innerhalb dieser Zeitschrittweite gerade vollständig durchgeschoben, wodurch die rückgewonnene Wärme ein Maximum erreicht, In der Darstellung einer Ventiianordnung nach Fig. 15 sind solche Maßnahmen durch unterschiedliche Breiten der Durchtritte in den Ventilen schemaiisch dargestellt. Zum Beispiel haben die den Austritten der mit„1" sowie mit„4" bezeichneten Hohlelemente {entsprechend SZ1 und SZ4 in der Darstellung nach Fig.14} folgenden Durchtritte ' im Ventil einen besonders kleinen Querschnitt,

Da das Hohlelement SZ1 somit jeweils seriell mit den parallel verschalteten Hohle ementen SZ8, SZ7 und SZ8 geschaltet ist und zudem das Hohleie- ment SZ 4 jeweils seriell mi den parallel verschalteten Hohlelementen SZ2, SZ3 und SZ4 geschaltet ist entspricht das Beispiel nach Fig. 14 der Erfindung zumindest im Umfang der Ansprüche 1 sowie 15,

Phasenwechselseiiig ist ei dem Äusführungsbeisplel nach Fig. 14 die Pha- sen vechselzone (siehe rechte Seite der Abbildung) des Hohleiementes PZ4 nicht durchströmt, so dass das Hohlelement nach Umschaltung der korrespondierenden Sorptionszone phasenwechselseitig zunächst einen adiabaten Prozesswechsel durchführt. Zusätzlich oder alternativ können die Schaltzeit- punkte des Ventils für die Phasenwechselzone in Relation zu den Schaltzeitpunkten der Ventilanordnung für die Sorptionszonen zeitverzögert erfolgen.

Mit den beispielhaften Schaliungsvarianten, die paraliele und serielle Durch- strömungsarten der Höhlelemente miteinander kombinieren, kann bei geeigneter Abstimmung der FMdmassehstrome bewirkt werden, dass entsprechend dem Diagramm nach Fig, 17 ein nahezu rechteokförm ' iger Prozessver- lauf durchlaufen wird.

Die vorgenannten Schaitungsvarianten, insbesondere nach Fig, 13 und Fig. 14, haben gleichfalls den Vorteil, dass bei dem durch die Temperaturniveaus der Wärmereservoire vorgegebenen Temperaturhub und Temperatursehub die Beladungsbreite wesentlich vergrößert werden kann, wie der Doppelpfeil andeuten soll. Im Umkehrschluss heißt das natürlich auch, dass mit einer vergleichbaren genutzten Beladungsbreite ein besseres Verhältnis von Temperaturhub und Temperaturschub realisiert werden kann.

Die Nummern auf dem Reohteckprozess symbolisieren die mittleren Zustände die von den Modulnummern aus Flg. 14 durchlaufen werden.

Die gleitenden Temperaturbereiche insbesondere des Kondensatiöns ' kreis- laufs und des Verdampfer-Kreislaufs können zusätzlich dazu genutzt werden, die zugeordneten Fluid kreisiäufe mit größerer Eintritts- /Äustrittsspreteung und vergleichsweise geringen Massenströmen zu betreiben, um Pump- und Gebiäseleistungen klein zu haften.