Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums mit dem Ziel, Wärme, nämlich beim Verflüssigen Kondensationswärme, zu gewinnen. Insbesondere ist das gemäß der Erfindung insbesondere kontinuierlich verdampfte und verflüssigte Medium, ein Kältemittel, z.B. Ammoniak, wie es auch in Wärmepumpen verwendet wird.

Bei heute bekannten Wärmepumpen soll das Kältemittel (z.B. Ammoniak, NH ₃ ) bei möglichst tiefen Temperaturen verdampfen und so Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen, um bei einer möglichst hohen Temperatur Kondensationswärme wieder abzugeben.

Beim Betreiben von Wärmepumpen soll der Umgebung (Luft, Wasser und dgl.) mit möglichst wenig Aufwand an Energie ständig Wärme auf niedrigem Niveau entnommen, in Brauchwärme umgewandelt und einer Niedertemperaturheizung zugeführt werden.

Das bei Wärmepumpen auftretende Anheben der Temperatur wird heutzutage vorwiegend mittels Kompressoren, Kältemittel und Expansionsventil in einem geschlossenen Kreislauf erreicht. Der Antrieb des Kompressors ist vergleichsweise arbeitsintensiv und verbraucht erhebliche Mengen an Energie, z.B. Strom.

Im Gegensatz zu Verdichtungswärmepumpen (diese arbeiten mit mechanisch angetriebenen Kompressoren) arbeiten Absorptionswärmepumpen durch Zufuhr von Wärmeenergie, wobei auch bei diesem Verfahren die Expansion und das Abkühlen des Mediums über ein Drosselventil erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums zur Verfügung zu stellen, bei dem Kondensationswärme gewonnen wird und bei dem für das Ausführen des Verfahrens bzw. dem Betreiben der Vorrichtung weniger Energie als bisher beim Betreiben von Wärmepumpen erforderlich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruches aufweist.

Insoweit die erfindungsgemäße Vorrichtung betroffen ist, wird dieses Verfahren mit dem unabhängigen, auf die Vorrichtung gerichteten Anspruch gelöst.

Vorteilhafte Weitergestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Im Gegensatz zu den bekannten Wärmepumpen wird bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise das Absenken des Drucks nicht durch ein Drosselventil, sondern durch Anwenden eines neutralen Gases erreicht.

Nach dem Gesetz von Dalton ändert sich der Gesamtdruck einer Gasmischung als Summe aus den Partialdrücken der Einzelgase aus denen die Mischung besteht. Daher bestimmt sich der Druck des Gemisches aus dem Partialdruck des Mediums (z.B. Ammoniak) und dem Partialdruck des Inertgases (z.B. Wasserstoff oder Stickstoff), wenn das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.

Das verflüssigte Medium , beispielsweise Ammoniak, verdampft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in ein Inertgas, das Wasserstoff oder Stickstoff sein kann, hinein. Auf diese Weise entsteht ein gasförmiges Gemisch aus Medium und Inertgas, z.B. aus Ammoniak, Wasserstoff oder Stickstoff, wobei die erforderliche Verdampfungswärme mit Hilfe eines Wärmetauschers der Umgebung (Luft oder Wasser oder dgl.) entnommen wird.

Das beim Verdampfen des flüssigen Mediums in das Inertgas entstandene Gemisch wird beim erfindungsgemäßen Verfahren wieder getrennt. Das Trennen des Gemisches, bestehend aus verdampftem Medium und Inertgas, kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden.

Eine Möglichkeit besteht darin, das Gemisch durch Einwirkung eines elektrischen Feldes auf das Gemisch zu trennen. Das Auftrennen des Gasgemisches kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass geladene Moleküle des Mediums, z.B. geladene Ammoniakmoleküle, im elektrischen Feld abgelenkt werden.

Alternativ besteht die Möglichkeit, den abzutrennenden Bestandteil des Gemisches, insbesondere das Inertgas, durch vorübergehende chemische Bindung aus dem Gemisch abzutrennen. Dies ist insbesondere bei Verwenden von Wasserstoff als Inertgas vorteilhaft, wenn das Inertgas (Wasserstoff) durch Bildung von Metallhydriden abgetrennt wird.

Da ein Ablenken von ungeladenen Ammoniakmolekülen in einem inhomogenen elektrischen Feld durch Dipolwirkung praktisch nicht wirksam ist, werden in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Ammoniakmoleküle durch Anwenden einer Koronaentladung elektrisch geladen. Derart geladene Ammoniakmoleküle lassen sich im elektrischen Feld wirksam aus dem Gemisch abtrennen.

In der Praxis haben sich Elektrodenanordnungen mit getrennten Auflade- und Abscheidezonen als besonders vorteilhaft erwiesen, weil sie sehr wirkungsvoll arbeiten. Beispielsweise wird das Gemisch aus Inertgas (Wasserstoff oder Stickstoff) und Medium (Ammoniak) nachdem die Moleküle des Mediums durch Koronaauflade-Verfahren elektronisch geladen worden sind, durch einen (engen) Spalt zwischen Elektroden hindurchgeblasen. Dabei werden die aufgeladenen Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) in Richtung der Arbeitselektrode abgelenkt, sodass das Gemisch aufgetrennt wird. Vorteilhaft ist es, im Strömungsweg Trennzungen vorzusehen, welche die voneinander getrennten Gase in gesonderte Strömungswege leiten.

Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren als Inertgas Wasserstoff verwendet wird, kann das Auftrennen des Gemisches aus Inertgas und Medium durch Bilden von Metallhydriden in einem adiabatischen Druckdifferenzverfahren bei einem Druck von einigen 100 Torr erfolgen. Bei diesem adiabatischen Druckwechselverfahren wird (praktisch) kein Wärmeaustausch stattfinden, sodass die gesamte, am System verrichtete Arbeit vollständig in die innere Energie übergeht. Bei dem in einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführten adiabatischen Druckwechselverfahren zum Auftrennen des Inertgas-Medium- Gemisches ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer einzigen Absorbersäule die Absorption und Desorption von Wasserstoff gleichzeitig ablaufen gelassen wird. Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und wieder verbraucht.

Das beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Trennen des Gemisches mit Bilden von Metallhydriden kann für sich oder zusätzlich zum Auftrennen mit Elektroden ausgeführt werden.

Da geladene Moleküle des Mediums (Ammoniak-Moleküle) beim Koronaauflade-Verfahren in einem statisch elektrischen Feld in Richtung der Arbeitselektrode abgelenkt werden, kann in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, bei dem genannten Verfahren die Durchsatzgeschwindigkeit von Wasserstoff durch den Metallhydridblock wegen Erhöhen der Druckdifferenz ohne Einsatz eines Kompressors zu beschleunigen.

Die geladenen Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) werden in einer Ausführungsform der Erfindung im Verflüssiger in den Bereich der Arbeitselektrode hineingezogen. Der Metallhydridblock wird als zweiter elektrischer Pol nur noch vom Wasserstoff umspült, sodass an dieser Seite der im Verflüssiger herrschende Gesamtdruck, auf der entgegengesetzten Seite im Verdampfer aber bloß den Partialdruck des Wasserstoffs zur Wirkung kommt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist von Vorteil, dass für das erforderliche Umwälzen des Gases Gebläse hinreichen (Kompressoren sind nicht nötig), sodass der Energieaufwand für das Trennen des Gemisches beim erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu Verdichtern bei Kompressionskältemaschinen sehr klein ist. So kann die Wirtschaftlichkeit beim erfindungsgemäßen Gewinnen von Kondensationswärme gegenüber bekannten Wärmepumpen bzw. Kaltdampfmaschinen beträchtlich gesteigert werden.

In einer Ausführungsform kann der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt beschrieben werden:

I . Ein Medium (Kältemittel, z.B. NH ₃ ) wird periodisch verdampft und wieder verflüssigt.

2. Das Medium wird von einem Gebläse im Kreislauf geführt.

3. Das Medium verdampft in einem Verdampfer in einer Inertgasatmosphäre (z.B. H ₂ oder N ₂ ), wodurch dessen Partialdruck sinkt, es expandiert also.

4. Das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird über einen Wärmetauscher geführt, wo es Umgebungswärme aufnimmt.

5. Dann strömt das Gemisch über einen weiteren Wärmetauscher, in dem es durch aus dem Verflüssiger abströmendes (heißes) Inertgas erwärmt wird.

6. Über eine Leitung gelangt das Gemisch durch ein Gebläse angetrieben in einen Dampfraum des Verflüssigers.

7. Im Dampfraum des Verflüssigers wird das Gemisch (weitgehend) aufgetrennt.

8. Im Verflüssiger kondensiert das mit Medium (z.B. Ammoniak, NH ₃ ) angereicherte Gemisch, weil der Taupunkt unterschritten wird. Flüssiges Medium sammelt sich am Boden des Verflüssigers.

9. Kondensationswärme - entstanden, weil das mit Medium (Ammoniak) angereicherte Gemisch kondensiert - wird aus dem Dampfraum des Verflüssigers über einen Wärmetauscher abgeführt und z.B. einer Niedertemperaturheizung zugeführt.

10. Verflüssigtes Medium wird über eine Pumpe über den Wärmetauscher (um es durch das kalte, gasförmige, in den Verflüssiger strömende Gemisch abzukühlen) und eine

Leitung wieder zum Verdampfer befördert.

I I . Im Verflüssiger abgetrenntes Inertgas strömt über den Wärmetauscher in den ersten Verdampfer. Von Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren: da in allen Anlageteilen, auch in den Wärmetauschern nur ein vorbestimmter Betriebsdruck, abhängig von der herrschenden Temperatur, erforderlich ist, reichen zum Umwälzen der Gase (Medium und Inertgas) Gebläse und für verflüssigtes Medium eine Umwälzpumpe aus.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung wird in den Verdampfer (gereinigtes) Inertgas (Stickstoff oder Wasserstoff) eingeblasen und das flüssige Medium eingespritzt, das über Wannen nach unten fließend in die Inertgas-Atmosphäre verdampft. Dabei wird dem Gemisch über die Wand des Verdampfers Umgebungswärme zugeleitet.

Nach dem Verdampfer ist ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem das im Verdampfer gebildete Gemisch (auf Umgebungstemperatur) erwärmt wird, indem es aus der Umgebung (Luft und/oder Wasser) Wärme aufnimmt.

Das Erwärmen des Gemisches im Wärmetauscher ist nicht nachteilig, da einfach das Temperaturniveau bei der Kondensation im Verflüssiger höher ist.

Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Taupunkt des Mediums im Verflüssiger unterschritten, weil dem Verflüssiger (kontinuierlich) ein gasförmiges Gemisch aus Medium und Inertgas zugeführt wird, das Inertgas aber abgetrennt und aus dem

Verflüssiger wieder abgezogen wird. So steigt der Partialdruck des Mediums bis zum

Taupunkt bzw. bis zur Sättigungskurve (abhängig von der Temperatur) und das Medium kondensiert unter Abgabe von Wärme (Kondensationswärme). Die so freigesetzte Wärme wird über einen Wärmetauscher aus dem Verflüssiger abgeleitet.

Das Inertgas, ganz gleich ob Wasserstoff oder Stickstoff, erwärmt sich durch die vom Kältemittel abgegebene Kondensationswärme, wobei aber, da das Druckdifferenzverfahren adiabatisch (also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) ausgeführt wird, der Eintritt von Wasserstoff in das Metall unter Bildung von Metallhydrid Wärme freisetzt, die aber beim Austritt von Wasserstoff wieder verbraucht wird.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand der schematischen Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage. Die in Fig. 1 gezeigte Anlage besitzt als wesentliche Anlageteile einen Kessel als Verflüssiger 5, einen Wärmetauscher 6, einen Verdampfer 2, einen Wärmetauscher 20 und ein Gebläse 1. Zusätzlich ist an den unteren Teil 11 des Verflüssigers 5, wo sich flüssiges Medium befindet, eine Pumpe 13 angeschlossen, die verflüssigtes Medium über eine Leitung 14 zum Verdampfer 2 führt. Der Verdampfer 2 ist mit dem Wärmetauscher 20 verbunden, sodass verdampftes Medium ( im Gemisch mit Inertgas) im Wärmetauscher 20 Wärme aufnimmt und über eine Leitung 3 über das Gebläse 1 in den Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 geleitet wird. Im Verflüssiger 5 sind Elektroden 7 und 8 vorgesehen, wobei zwischen den Elektroden 7 und 8 eine Trennzunge 9 vorgesehen ist. Zusätzlich ist im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 ein Wärmetauscher 21 vorgesehen, dem über Leitungen 12 und eine Pumpe 22 ein Wärmeübertragungsmedium zugeführt bzw. abgeführt wird.

Zwischen den Elektroden 7 und 8 ist die Trennzunge 9 angebracht, sodass abgetrenntes Inertgas über eine Leitung 10 dem Wärmetauscher 6 zugeführt wird, nachdem es über die Leitung 10 zum Verdampfer 2 strömt.

Das Gebläse 1 sorgt für die erforderliche Gaszirkulation und befördert das auf Umwälztemperatur aufgewärmte Gemisch aus Medium und Inertgas (z.B. Ammoniakdampf- Wasserstoffgas-Gemisch) aus dem Wärmeaustauscher 20 über die Leitung 3 in den Dampfraum 4 des Verflüssigers 5. Zuvor wird das Gemisch aus Inertgas und Medium (Ammoniak) im Wärmetauscher 6 auf die Betriebstemperatur, die im Verflüssiger 5 herrscht, erwärmt.

Im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 werden die Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) vor dem Eintritt zwischen die Elektroden 7, 8 mittels Koronaauflade- Verfahren elektrisch geladen und das Gasgemisch zwischen die entgegengesetzt geladenen Elektroden 7 und 8 geleitet. Dabei werden die geladenen Moleküle des Mediums im Gegensatz zu den inerten Wasserstoffmolekülen in Richtung auf die Arbeitselektrode 7 abgelenkt und die so getrennten Gase durch die wenigstens eine Trennzunge 9 voneinander getrennt.

Heißes Inertgas (Wasserstoff) strömt nun über die Leitung 10 durch den Wärmetauscher 6, wird abgekühlt und nimmt im Verdampfer 2 unter weiterem Abkühlen gasförmiges Medium (Ammoniak-Gas) auf, wobei das gebildete Gemisch (Ammoniak-Gas-Wasserstoffgas- Gemisch) im Wärmetauscher 20 wieder auf Umwelttemperatur aufgewärmt wird.

Der mit Medium, z.B. Ammoniak, angereicherte Teil des Gemisches kondensiert im

Dampfraum 4 durch das Unterschreiten des Taupunktes, gibt Kondensationswärme ab und sammelt sich im flüssigen Medium (Ammoniak) am Boden 11 des Verflüssigers 5. Die Kondensationswärme wird mit Hilfe des Wärmetauschers 21 aus dem Verflüssiger 5 abgeführt, sodass sich das Kondensat am Boden 11 nicht weiter erwärmen kann.

Die im Verfiüssiger 5 anfallende Kondensationswärmemenge (abgeführt durch den Wärmetauscher 21 ) und die erforderliche Verdampfungswärme im Verdampfer 2 bilanzieren in etwa.

Gereinigtes Inertgas (Wasserstoff) wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über die Leitung 10 in den Verdampfer 2 geblasen. Kondensiertes Medium wird mittels der Flüssigkeitspumpe 13 über die Leitung 14 ebenfalls in den Verdampfer 2 geleitet. Beide Medien werden im Wärmetauscher 6 gegen das kalte Medium-Inertgas-Gemisch (Ammoniakdampf-Wasserstoff-Gemisch) im Gegenstrom fließend abgekühlt, bevor schließlich im Verdampfer 2 flüssiges Medium (Ammoniak) in das Inertgas expandiert und unter (extremer) Abkühlung verdampft.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt das Trennen von Medium (Ammoniak) vom Inertgas (Wasserstoff) im Verflüssiger mit Hilfe eines Metallhydridblocks 15. Dabei ist vorgesehen, dass als Metall z.B. Palladium vorgesehen wird. Palladium kann das 600 bis 3000-fache seines Volumens an gasförmigem Wasserstoff aufnehmen, wobei sich Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen (40° bis 50° C) und sehr niedrigem Druck wieder aus dem Metallgitter des Palladiums zu lösen beginnt.

Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und wieder verbraucht.

Das Abtrennen des Mediums (NH ₃ ) ist möglich, wobei feinverteiltes Palladium (Palladiumschwamm) sich besonders eignet, das das 600fache, als SoI das 3000fache Volumen an gasförmigen Wasserstoff in seinem Metallgitter aufnehmen kann und sich der Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen (40° C - 50° C) und sehr niedrigem Druck wiederum aus dem Metallgitter des Paladiums zu lösen beginnt.

Da auch Wasser, wie Ammoniak, ein Dipol ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Wasser als Arbeitsmedium eingesetzt werden, wobei dabei die Betriebstemperatur knapp unter dem "Kritischen Punkt" des Wassers liegen kann. Wie bei Ammoniak besteht die Aufladezone aus einer Serie von Sprühdraht-Platten-Elektrodenpaaren, die durch eine entsprechend angelegte Spannung im kVolt-Bereich und die Stromstärke im μA Bereich, die durchströmenden Wasserdampfmoleküle aufladen. Es handelt sich um ein inhomogenes Feld.

Die Abscheidezone besteht aus einer Gruppe homogener Felder, die mit einer sehr hohen Spannung und einer extrem kleinen Stromstärke und mit Plattenpaar- Elektrodenanordnungen erzeugt werden.

Die zum Ablenken notwendige elektrische Leistung ist somit klein und bewegt sich im Ein- Watt-Bereich.

Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Verfahren zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums (im Beispiel Ammoniak) kann beispielhaft wie folgt beschrieben werden:

Das Medium wird vom Gebläse 1 im Kreislauf geführt. Das Medium verdampft im Verdampfer 2 in einer Inertgasatmosphäre (z.B. Wasserstoff oder Stickstoff), wodurch der Partialdruck des Mediums sinkt, es also expandiert.

Das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird über einen Wärmetauscher 20 geführt, wo es Umgebungswärme aufnimmt.

Das Gemisch aus Medium und Inertgas strömt über einen weiteren Wärmetauscher 6, in dem es durch aus dem Verflüssiger 5 abströmendes, heißes Inertgas erwärmt wird.

Aus dem weiteren Wärmetauscher 6 gelangt das Gemisch aus Inertgas und Medium vom Gebläse 1 angetrieben in einen Dampfraum 4 des Verflüssigers 5.

Im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 wird das Gemisch weitgehend aufgetrennt, wozu ionisierte Ammoniakmoleküle in einem elektrischen Feld (Elektroden 7 und 8) abgelenkt werden und gegebenenfalls zusätzlich oder ausschließlich Inertgas chemisch gebunden bzw. absorbiert wird, beispielsweise unter Metallhydridbildung, wenn das Inertgas Wasserstoff ist.

Im Verflüssiger 5 kondensiert das Medium (Ammoniak) aus dem Gemisch, weil der Taupunkt unterschritten wird, zumal der Partialdruck des Mediums ansteigt, weil Inertgas abgetrennt wird, wobei sich flüssiges Kältemedium am Boden 11 des Verflüssigers 5 ansammelt.

Dabei entstehende Kondensationswärme wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über einen Wärmetauscher 21 abgeführt und kann einer Heizung zugeführt werden.

Aus dem Verflüssiger 5 wird verflüssigtes Medium über eine Pumpe 13 über den

Wärmetauscher 6 geleitet. In dem Wärmetauscher 6 wird es durch das kalte, gasförmige, dem Verflüssiger 5 zuströmende Gemisch abgekühlt. Das so erhaltene erwärmte, verflüssigte Medium wird über die Leitung 14 zum Verdampfer 2 geleitet, wo es in das Inertgas, das dem Verdampfer 2 über die Leitung 10 zugeführt wird, hinein verdampft.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:

Beim kontinuierlichen Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums, wie Ammoniak, mit dem Ziel, Umgebungswärme zum Heizen zu verwenden, wird das Medium mit Hilfe eines Gebläses 1 im Kreislauf zwischen einem Verflüssiger 5 und einem Verdampfer 2, sowie einem Wärmetauscher 20 geführt. Im Verdampfer 2 wird das Medium in eine Atmosphäre eines Inertgases hinein verdampft und das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird im Wärmetauscher 20 erwärmt, indem es aus der Umgebung Wärme aufnimmt. Im Verflüssiger 5 wird aus dem Gemisch Medium-Inertgas Inertgas abgetrennt, sodass der Partialdruck des Mediums ansteigt und dieses verflüssigt. Verflüssigtes Medium wird aus dem Verflüssiger über eine Pumpe 13 unter Wärmetausch mit zuströmendem kalten Gemisch wieder dem Verdampfer 2 zugeführt, ebenso wie über eine gesonderte Leitung 10 Inertgas. Aus dem Verflüssiger 5 wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über einen Wärmetauscher 21 Wärme abgeführt und zum Heizen verwendet.