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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Gewinnung brauchbarer Energie von niedergradigen Wärmequellen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Molekularsiebzeolithen als festes Adsorbens für ein Fluid, wobei im Molekularsiebzeolith bewirkte Temperaturänderungen in Druckänderungen umgesetzt werden, indem das Fluid in einem Arbeitszyklus abwechslungsweise im Molekularsiebzeolith desorbiert und adsorbiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid bei höherem Druck und höherer Temperatur verflüssigt und bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur verdampft wird, wobei ein Kühleffekt erzielt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kühleffekt während eines Teils des Arbeitszyklus eine Flüssigkeit ausgefroren wird, und diese Flüssigkeit während des Ablaufs des restlichen Teils des Arbeitszyklus schmilzt, wobei ein kontinuierlicher Kühleffekt bei im wesentlichen konstanter Temperatur erzielt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unter erhöhtem Druck stehende Fluid von Mitteln aufgenommen wird, die bei Expansion des Fluids mechanische Energie abgeben.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Stickstoff ist.
6. Verfahren nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass die bewirkte Temperaturänderung im Bereich zwischen 293 und 373 Kelvin liegt und die erzeugte Druckänderung etwa 60 bar beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid ein polares Fluid ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid Wasser ist.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Druckänderung im Bereich zwischen 345 und 6900 Pa liegt.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens einen mit Molekularsiebzeolith gefüllten plattenförmigen Behälter (10; 16), einen mit dem Behälter verbundenen Kondensator (21), einen mit dem Kondensator verbundenen Verdampfer (25) und eine den Verdampfer enthaltende abgeschlossene Anlage zur Verwertung der gewonnenen Energie. (Fig. 3)
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einem vom Behälter, vom Kondensator, vom Verdampfer und von zugehörigen Verbindungen gebildeten, nach aussen hermetisch abgeschlossenen Raum.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei mit Molekularsiebzeolith gefüllte Behälter (90, 91), einen geschlossenen Kreislauf(101-105) zwischen den Behältern, Mittel (92-97) zur alternierenden Erwärmung der Behälter und Mittel (104) zur Überführung des Fluids jeweils vom wärmeren zum kälteren Behälter. (Fig. 12)
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (104) zur Uberführung des Fluids jeweils vom wärmeren zum kälteren Behälter als Turbine ausgebildet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (104) zur Uberführung des Fluids jeweils vom wärmeren zum kälteren Behälter als Kolbenmaschine ausgebildet sind.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (92-97) zur Erwärmung der Behälter einen Sonnenkollektor (93) umfassen.
16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens drei mit Molekularsiebzeolith gefüllte Behälter (110-112), eine Hochdrucksammelleitung (115) und eine Niederdrucksammelleitung (116) sowie Leitungen und Ventile (114) zur Verbindung der Behälter mit der Hochdrucksammelleitung und mit der Niederdrucksammelleitung, eine an die Hochdrucksammelleitung und an die Niederdrucksammelleitung angeschlossene Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Energie, Mittel (114, 117, 118) zur periodisch-sequentiellen Erwärmung der Behälter und Mittel zur Steuerung der periodisch-sequentiellen Erwärmung der Behälter und der Verbindung der Behälter mit der Hochdrucksammelleitung und mit der Niederdrucksammelleitung. (Fig. 13)
17. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 10 als Kühlvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung brauchbarer Energie von niedergradigen Wärmequellen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens und eine Verwendung dieser Vorrichtung.
Eine der Hauptschwierigkeiten, welche die Anwendung von Sonnenernergie zu Wärme- und Kältezwecken hindert, ist die niedrige Energiedichte (weniger als 1,5 kW/m2) der Sonneneinstrahlung auf die Erde. Die Temperaturdifferenzen, welche mit Sonnenenergiekollektoren erhalten werden können, sind verhältnismässig klein, selbst wenn Sonnenenergie-Konzentratoren verwenden werden: so erfordern Temperaturen oberhalb 473 bis 573 K aufwendige Sonnennachfolge-Techniken. Daraus folgt, dass eine Notwendigkeit besteht zur Verbesserung der Energieumwandlung bei kleinen Temperaturdifferenzen, beispielsweise um 30 bis 373 K.
Die einmaligen Eingenschaften von Zeoliten erlauben die Auslegung von Systemen, welche insbesondere die Bedürfnisse für die Kühlerfordernisse im Haushalt und für die Klimatisierung von Gebäuden befriedigen können. Die Ausgangsleistung von solchen Systemen nimmt proportional zur eingefangenen Sonnenenergie zu, woraus sich ergibt, dass die erhöhten Bedürfnisse für die Kühlung an heissen Tagen automatisch durch die höhere Ausgangsleistung dieser Systeme bestritten wird.
Obschon es die Hauptaufgabe dieser Erfindung ist, einen Kühleffekt mittels Sonnenenergie herbeizuführen, kann die Erfindung auch benützt werden, um für dieselben Effekte Abwärme von Maschinenanlagen und anderen Wärmestrahlern zu benützen, wobei die nutzlose Wärmedissipation in nutzbringende Energie umgewandelt wird.
Es ist bekannt, dass niedrige Temperaturdifferenzen, wie sie durch die Sonnenenergie hervorgerufen werden, die Carnot Effizienz irgendeines Systems, welches die normale Expansion von Gasen benützt, notwendigerweise niedrig ist.
Aus diesem Grund sind die meisten Solarenergiekühlsysteme auf dem alten und erprobten Sorptionskühlzyklus ausgelegt, indem die temperaturabhängige Anderung der Löslichkeit eines Gases in einer Flüssigkeit ausgenützt wird. Sofern dieser Prozess thermisch aktiviert wird, hängt er exponentiell von der Temperatur ab, was grosse Druckänderungen des Gases bei kleinen, absoluten Temperaturänderungen erlaubt. Die Anwendung dieses Prozesses erhielt einen neuen Anstoss durch kommerzielle Anwendungen von Systemen, die nicht mit Ammoniakwasser arbeiten, wie es bei früheren Gaskühlelementen der Fall war. Beispielsweise arbeitet das Klimatisierungssystem auf dem Kennedy-Airport in New York City mit Lithiumbromid und Wasser als Arbeitsfluid.
In allen Festkörper-Absorptionskühlsystemen, welche bis anhin erfolgreich arbeiteten, haben üblicherweise eine Wärmequelle durch eine Gasflamme oder eine Dampfleitung von ungefähr 422 K. Obschon solche Systeme effizient und mit einer adequaten Kapazität funktionieren, konnte keines eine kommerzielle Bedeutung erlangen. Im Gegensatz dazu über
steigen Solarheizungen von Plattenkollektoren selten 361 K und die Fähigkeit zur Wärmesammlung der Kollektoren ist wesentlich höher bei tieferen Temperaturen von 322 bis 333 K. Durch die tiefere Temperatur und im speziellen die geringere Wärme, die von der Sonnenenergie als Wärmequelle erhältlich ist, hat sich die Forschung und Entwicklung in den letzten Jahren zu wenig damit befasst, Kühlsysteme zu schaffen, welche kommerziell versprechend sind. So hat beispielsweise die Modifikation eines Lithiumbromid-Systems für Sonnenenergie in einer drastischen Reduktion und niedrigen Effizienz resultiert, welche Kondensatoren benötigen, die mit Wasser von 300 K gekühlt werden müssen.
Sobald die Kon densatortemperatur 322 K übersteigt und dies ist bei luftge kühlten Kondensatoren nötig, so ist eine Treibtemperatur von 333 bis 344 K, welche bei einem Platten-Sonnenkollektor erhältlich ist, ungenügend, um das System in Betrieb zu halten.
Es ist dabei berücksichtigt, dass die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Ausnützung von Sonnenenergie zur konventionellen Absorption daher kommen, dass der dabei benützte physikalische Prozess entweder eine Lösungs- oder Oberflächenadsorption ist und dieser exponentiell thermisch aktiviert werden muss, in Übereinstimmung mit der einfachen Arrheniusgleichung. Daraus resultiert, dass die Druckdifferenzen, welche durch kleine Temperaturdifferenzen herbeigeführt werden, zu gering sind und damit für die meisten Anwendungen nutzlos.
Die folgenden US-Patente haben sich mit dem Stand der Technik auf diesem Gebiet befasst: 2221 971 Haywood Nov. 19, 1940 2 293 556 Newton Aug. 18, 1942 3043112 Head Jul. 10,1962 3 242 679 Puckett et al März 29, 1966 3270512 Webb Sept. 6,1966 3 621 665 Mokadam Nov. 23, 1977 4007776 Alkasah Febr. 15, 1977 4011731 Meckler März 15,1977 4023 375 Chinnappa et al Mai 17,1977 4028 904 Anderson Juni 14,1977 4030312 Wallinetal Juni 21,1977 4044819 Cottingham Aug. 30, 1977 4 070 870 Bahel et al Jan. 21,1978 4081024 Rushetal März 28,1978.
Die Anwendung von Sonnenenergie oder anderen Arten von Energien, welche eine relativ geringe Energiedichte aufweisen und dadurch verhältnismässig kleine Heizeffekte zeigen, ist ein Ziel der Erfindung. Dieses Ziel wird erreicht durch die im Anspruch 1 angegebenen Kombination von Verfahrensschritten. Weiterbildungen des Verfahrens und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Durch die extrem starke Temperaturabhängigkeit (theoretisch exponentiell in der fünften Potenz zur Temperatur) der Gasadsorption und Desorption von gewissen Materialien aus der Molekularsiebzeolitfamilie können bei kleinen Temperaturänderungen grosse Druckänderungen erreicht werden.
Dies wird benützt in der Konstruktion von Sonnenenergie Kühlsystemen, wobei solche Materialien angewendet werden.
Verschiedene Ausführungsformen werden beschrieben; in einem wird eine konstante Temperatur über das Volumen des Molekularsiebzeolits angewendet, in der anderen wird ein Temperaturgradient durch das Zeolitvolumen gebildet. Die einmaligen Eigenschaften des Zeolits erlauben die Auslegung von solchen Systemen, insbesondere, um die Bedürfnisse für die Haushaltskühlung und Klimatisierung zu befriedigen. Die Ausgangsleistung von solchen Systemen nimmt proportional zur eingefangenen Sonnenenergie zu, wobei höhere Erforder nisse an Kühlung automatisch durch die erhöhte Ausgangs leistung abgedeckt werden.
Molekularsiebzeolite sind eine Klasse von synthetischen oder natürlichen Mineralmaterialien, welche charakteristische, nicht-lineare Adsorptionseigenschaften aufweisen und zwar exponentiell in der zweiten, dritten und vierten Potenz in Temperatur und Druck. Zeolite haben die einmalige Fähigkeit, die Temperaturdifferenz in sehr grosse Druckdifferenzen umzusetzen, was praktisch für Kühlzyklen oder zur Umsetzung in mechanische Energie benützt werden kann. Zeolite geben diesen Systemen auch die Möglichkeit einer einmaligen Auslegung, weil keine beweglichen Teile benötigt werden und damit eine lange Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit gegeben ist.
Aufgrund der extrem starken Temperaturabhängigkeit kann ein Gas bei konstantem Druck besser als 99,9% desorbieren, wenn eine Temperaturänderung von (25 auf 100 C) 298 bis 373 K eintritt. Umgekehrt bewirkt dieselbe Temperaturänderung bei konstantem Volumen eine Zunahme des Druckes um ungefähr vier Grössenordnungen.
Verschiedene Ausführungsbeispiele für die Anwendung von Sonnenenergie im Zusammenhang mit Zeolitsystemen werden nachfolgend beschrieben, als erstes die Herstellung von Platten mit adsorbierendem Material und die Sättigung dieses Materials bei Umgebungstemperatur mit einem Arbeitsgas. Wenn dann die Platten durch Sonnenenergie erwärmt werden, desorbiert das Gas und der Druck nimmt zu, wobei eine nachfolgende Gasexpansion den erwünschten Kühleffekt produziert. Das Gas wird anschliessend in einem separaten Behälter gesammelt, welcher vorzugsweise ebenfalls mit adsorbierendem Material gefüllt ist und während der Nacht, wenn dann beispielsweise die Plattenkollektoren auf dem Dach sich durch Abstrahlung abkühlen, können sie wieder bis zur Sättigung mit dem Arbeitsgas aufgeladen werden und sind dann wieder bereit für einen neuen Zyklus des folgenden Tages.
Die Adsorptionskapazität von im Handel erhältlichen Zeoliten bewegt sich zwischen 20 bis 4Q Kilo Gas für 100 Kilo von solchem Material. Werden die zur Zeit existierenden Werte von Aktivierungsenergie zwischen 4 und 10 kcal pro Mol angewendet, so ergibt dies eine theoretische Kühlkapazität von 22000 bis 43 000 KJ pro 100 kg absorbierendes Material. Daraus folgt, dass die heute übliche Fläche des Daches eines Wohnhauses genügend gross ist, um ein vernünftig effizientes Kühlsystem zu realisieren.
In einer zweiten Ausführung können die Dachplatten durch Pressen und Sintern des Molekularsiebzeolitmaterials in eine gewünschte Form gebracht werden, um dann mit einem druckfesten Behälter umgeben zu werden. Zwei Arten von Behältern werden hier beschrieben: einer mit einer Glasabdeckung, in dem die Sonnenenergie direkt durch das Molekularsiebzeolitmaterial aufgenommen wird, wobei das zeolitische Material vorzugsweise an seiner Oberfläche dunkel eingefärbt wird, beispielsweise mit Aktivkohle, um die Absorption von Sonnenenergie zu verbessern; der andere Behälter ist vollständig aus geschwärztem Metall hergestellt, welches die Sonnenenergie aufnimmt und zum zeolitischen Material leitet über eine wärmeleitfähige Strucktur, ähnlich einer Bienenwabenanordnung, welche das Molekularsieb von allen Seiten umschliesst.
Obschon diese letztere Struktur die indirekte Erwärmung des Molekularsiebmaterials bewirkt, können damit höhere Arbeitsdrücke und daraus auch eine höhere Betriebseffizienz erreicht werden.
Zeolite bei Raumtemperaturen adsorbieren grosse Mengen (mehr als 40 Gew.-%) irgendeines polaren Gases, das sind Gase mit einem Dipol- oder Quadrupolmoment, wie es H2O, NH3, H2S, N2, CO2, etc. sind, ebenso auch Fluor-, Chlor- und Hydrocarbone. Durch die starke Nichtlinearität der Adsorptionseigenschaften, desorbieren Zeolite grosse Quantitäten von solch polaren Gasen, wenn sie erwärmt werden auf Temperaturen, welche leicht mit solchen Solarplattenkollektoren erreicht werden können. Beispielsweise kann eine Druckdifferenz von 50 :1 zu 1000 :1 erreicht werden, wenn ein mit Zeolit gefüllter Behälter, welcher adsorbiertes Gas enthält, von Raumtemperatur auf weniger als 366 K erwärmt wird.
In einer dritten Ausführung wird in einem geschlossenen System Eis hergestellt durch das Zusammenwirken eines Zeolit gefüllten plattenförmigen Behälters mit einem Behälter (Verdampfer), welcher vorzugsweise eine Salzsole enthält und einem luftgekühlten Kondensator. Bei niederen, absoluten Drücken (345 Pa) beginnt Wasserdampf bei ungefähr 266 K zu sieden, um vom Zeolit adsorbiert zu werden, welches, wenn es durch solare Energie erwärmt wird, den Druck im System ansteigen lässt auf ungefähr 3450 Pa oder mehr und den Wasserdampf wieder desorbiert, welcher im Kondensator kondensiert und durch die Schwerkraft wieder in den Behälter mit der Sole zurückgeführt wird. Die Verdampfung des Wassers kühlt die Sole zu einem Eismatsch und ungefähr 7 kg Eis werden beim Verdampfen eines Kilo Wassers erzeugt. In der Praxis können 0,093 m2 Zeolitkollektor fast ein Kilo Eis erzeugen.
Wasserdampf, welcher bei Raumtemperatur im Gleichgewicht steht, hat einen Partialdruck von 345 Pa und bei 322 K beträgt der Druck 10 300 Pa. Im weiteren ist dieseTemperatur genügend hoch, um Wasserdampf zu erzeugen durch Desorption aus dem Zeolit und es in einem Kondensator, der eine Temperatur von 322 K aufweist, kondensieren zu lassen.
Beim Anheben der Zeolittemperatur auf 333 K kann mehr als 10 Gew.-% Wasserdampf aus dem Zeolit desorbiert werden.
In einer vierten Ausführung werden eine Mehrzahl von Druckbehältern, welche mit Zeolit gefüllt sind, durch welche ein geschlossener Flüssigkeitskreis führt, mit dem Zweck, Wärmeenergie auszutauschen, wird die Flüssigkeit durch Sonnenkollektoren erwärmt und erwärmt ihrerseits das Zeolitmaterial im einen Behälter, wobei es weiterfliessend in einem anderen Behälter das Zeolitmaterial abkühlt. Ein Gas, beispielsweise Stickstoff, wird vom wärmeren Zeolit zum kälteren getrieben, wobei dieser Fluss durch eine Kolbenmaschine oder eine Turbine geleitet wird. Beim Umschalten der im System angebrachten Ventile wird der vorgängig erwärmte Behälter gekühlt und umgekehrt übernimmt der gekühlte Behälter die Funktion, um den Prozess weiter ablaufen zu lassen.
Mit Zeolit, welches bei Raumtemperatur und einer Atmosphäre Druck mit Stickstoffgas gesättigt ist, das sind also 103 bar, steigt der Druck durch Desorption des Stickstoffgases bei einer Erwärmung auf 344 Kauf ca. 1000 bar an und grosse Mengen von Stickstoffgas können bei diesem Druck desorbiert werden. Ähnliche Tests wurden mit NH3- und CO2- Gasen und einer Anzahl Fluor- und Chlor-Kohlenstoffverbindungen durchgeführt. In allen Fällen stieg der Druck in den Behältern um 50 bis 1 000-fach, wenn das Zeolit von Raumtemperatur auf 366 K erwärmt wurde und im Mittel wurden bei hohen Drücken ungefähr 10 Gew.-% Gas desorbiert. Selbstverständlich können auch niedrigere Drücke angewendet werden, wenn es die Sicherheit erfordert oder andere praktische Gründe entgegenstehen.
Andere feste adsorbierende Materialien wie Silicagel, aktiviertes Aluminiumoxyd und Aktivkohle adsorbieren wesentlich geringere Mengen von solchen Gasen unter den gleichen Bedingungen und desorbieren ebenso niedrige Mengen, wenn sie auf 344 bis 366 K erwärmt werden. Daraus folgt, dass die resultierenden Drücke viel geringer sind und die Gasmengen, welche bei hohen Drücken desorbiert werden, sind vernachlässigbar klein. Es wurde gefunden, dass Flüssiggas systeme dieselben ungenügenden Eigenschaften aufweisen und nicht effizient betrieben werden können, da sie alle bei solch niedrigen Temperaruren und Hochdrücken arbeiten.
Dies wird erwiesen, wenn das System von 333 bis 344 K mit einem luftgekühlten Kondensator auf 311 bis 322 K gebracht wird.
Theoretisch ist die Menge des adsorbierten Gases im Mo lekularsiebzeolit durch folgende Gleichung gegeben: a=a02a2 +a0a a=ao22+aonCFn wobei aO der Grenzadsorptionswert des Gases und Gn= exp [(RTln(Ps/p)/Ej und n ganzzahlig zwischen 2 und 5 ist. R ist die universelle Gaskonstante; p5 ist der Grenzsättigungs druck; p steht für den gegenwärtigen Druck; En ist die Akti vierungsenergie, welche von der Grösse von einigen Kilokalo rien pro Mol ist. In diesem Zusammenhang sollen noch die
Druckschriften von M. Dubin und V.
Astakhov, Descrip tion of Adsorption Equilibria of Vapors on Zeolites Over
Wide Ranges ofTemperature and Pressure , Second Interna tional Conference on Molecular Sieve Zeolites, Sept. 8-11,
1970, Worcester Polytechnic Institute, Worcester, Massachu setts, Seiten 155-166, zitiert werden.
Aus dem Vorangehenden ist ersichtlich, dass die Abhän gigkeit der Gasadsorption von der Temperatur in Molekular siebzeoliten exponentiell verläuft, dies zumindest im Quadrat zur Temperatur und sie kann theoretisch bis zur fünften Po tenz ansteigen (beispielsweise Acetylen an Zeolit NA).
Die Erfindung wird anschliessend unter Zuhilfenahme der nachfolgend angegebenen Figuren ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Gruppe von erfindungsgemässen Platten,
Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine der Platten von Fig. 1,
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm welches den Funktionsab lauf bei Tag oder der warmen Seite des Fluidkreises zeigt und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm welches den Funktionsab lauf bei Nacht oder der kalte Seite des Fluidkreises zeigt.
Fig. 5 zeigt eine Gruppe von Platten für eine weitere Aus führungsform der Erfindung,
Fig. 6 ist ein Schnitt durch eine der Platten in Fig. 5 und
Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm eines Fluidkreises welcher durch auf einem Haus-Dach angebrachte Platten führt.
Fig. 8 zeigt die graphische Darstellung von Absorptions
Isothermen von Wasserdampf an Zeolit A.
Fig. 9 und 10 zeigen die Raumtemperatur-Adsorptions
Isothermen von Wasser an zwei verschiedenen Arten von Ak tivkohle.
Fig. 11 zeigt einen ventilfreien Zeolit-Solarkühler,
Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm von zwei mit Wärmeaus tauschern versehenen Behältern mit Zeolit, in welchem alter nierend erwärmt und abgekühlt wird, wobei Arbeit verrichtet wird und
Fig. 13 zeigt eine Anordnung ähnlich der Ausführung in
Fig. 13 doch mit drei Behältern.
Bezugnehmend auf Fig. 1 bis 4, 12 Behälter 10, in der Ab bildung 1 sind nur 9 davon gezeichnet, jeder einzelne aus Me tall oder einem anderen wärmeleitfähigen Material bestehend und bevorzugt in Bienenwabenstruktur ausgeführt, deren
Zellen mit Zeolit 11 gefüllt sind, bilden zusammen ein Modul
16. Die Oberfläche 12 vonjedem Behälter 10 ist geschwärzt, so dass eine Adsorption von möglichst viel Sonnenenergie ge währleistet ist. Es wird in Fig. 2 gezeigt, dass jeder Behälter 10 mit einem Gasauslass 14 und einem Gaseinlass 15 versehen ist. Es ist dabei zu verstehen, dass die Schnittzeichnung der
Fig. 2 repräsentativ ist für eine Anzahl von Platten, wie bei spielsweise in Fig. 1 angeordnet und in dieser Form auf dem
Dach eines Hauses oder an irgendeiner von der Sonne be schienenen Oberfläche installiert werden kann.
Die einzelnen Platten 10 werden also in ein Modul 16 kombiniert, bei welchem die zusammengeführten Gasauslasse 14 einen Auslass 14a bilden für das Modul 16, und in der gleichen Form die Gaseinlasse 15 miteinander verbunden den Gaseinlass 1 5a für das Modul 16 bilden. Obwohl hier nur ein Modul 16 gezeigt wird, ist es selbstverständlich, dass auch eine Mehrzahl von Moduln 16 angewendet werden kann. Jedes Modul 16 ist mit einem Einwegventil 17 verbunden, welches druckkontrolliert öffnet, wenn der Druck im Modul 16 um einen bestimmten Betrag ansteigt. Die Ausgänge 14a, für eine Reihe von Moduln 16, führen durch eine Sammelleitung durch das Ventil 17 in eine erste Leitung 20, welche an den Einlass eines Kondensators 21 anschliesst, welcher durch einen Ventilator 22 gekühlt wird.
Vom Ausgang des Kondensators 21 führt eine zweite Leitung 24, um an den Eingang eines Gasexpanionskühlgerätes 25 anzuschliessen, welches ein Expansionsventil 26 aufweist. Selbstverständlich kann diese Kühleinheit 25 an eine bestehende Gebäudeklima-Anlage angeschlossen werden, um dort Kühlleistung abzugeben. Von der Kühleinheit 25 führt eine dritte Leitung 27 zur Leitung eines Fluids auf ein Einwegventil 30 in einen Behälter, welcher beispielsweise ein Kältemodul 16 sein kann, welches in Fig. 3 mit 16a bezeichnet ist. Der Sammelbehälter 1 6a kann wahlweise ein leerer Gasbehälter sein, welcher, wo es gewünscht ist, mit Zeolitmaterial gefüllt wird, um beispielsweise das Volumen zu minimieren.
Wird nun das Modul 16 erwärmt, so desorbiert das Gas im Zeolitmaterial 11 und ein Druck beginnt sich in jedem der Behälter 10 aufzubauen. Wird die obere Schwelle des druckkontrollierten Einwegventils 17 überschritten, so öffnet dieses Ventil 17 und ein Gasfluss kommt zustande aus dem Auslass 14 in die erste Leitung 20 zum Kondensator 21, welcher wie gezeigt mit einem Ventilator gekühlt wird oder aber auch mittels einer Wasserkühlung. Das Arbeitsgas wird im Kondensator 21 abgekühlt, wobei es in ein flüssiges Fluid umgesetzt werden kann, und dann über die zweite Leitung 24 zur Kühleinheit 25 geleitet wird. Hier expandiert das Gas (oder das flüssige Fluid verdampft in ein Gas), wobei gleichzeitig ein Kühleffekt in der Einheit 25 stattfindet.
Wie oben erwähnt, wird dieser Kühleffekt an diesem Punkt mit Vorzug auf konventionellem Weg durch eine Klimaanlage oder eine Kälteanlage oder dergleichen herbeigeführt. Das Gas treibt dann durch die dritte Leitung 27 zum Einwegventil 30 in das Speichermodul 16a. Wie vorher erwähnt, kann das Modul 16a identisch mit dem Modul 16 sein, im Falle dieses zeitweise nicht der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist.
Es versteht sich von selbst, dass solange das Zeolit im Modul 16 wärmer als das Gas oder das Zeolit im Modul 1 6a ist, das Gas vom Modul 16 zum Kondensator 21 und der Kühleinheit 25 in das Modul 16a fliesst. Der nächste Operationszyklus findet kann statt, wenn das Modul 16 nicht länger aufgeheizt wird, beispielsweise wenn es sich auf der schattigen Seite des Gebäudes befindet oder wenn es durch irgendwelche anderen Vorrichtungen überschattet wird oder auch wenn die Sonne untergeht und die Nacht hereinbricht. In diesem Fall wird das Modul 16 durch Abstrahlung von Wärme gekühlt und entwickelt einen Unterdruck im Inneren eines jeden Behälters 10. Dabei können verschiedene Varianten auftreten.
Beispielsweise in einem trockenen Klima, in welchem die Tage heiss und die Nächte kalt sind, kann das Modul 16a eingegraben sein oder auf andere Weise isoliert und wie in Fig. 3 gezeigt, direkt verbunden mit dem Einlass 1 5a und dem Modul 16 über die Leitung 31, welche ein Einwegventil 32 aufweist. Wenn die Abende auch warm sind und damit eine Klimatisierung während der Nacht erwünscht ist, eignet sich die modifizierte Anordnung von Fig. 4 besser. Es wird dabei festgehalten, dass die Fig. 4 einen modifizierten Rückflusszyklus des Gases vom Modul 16a zum Modul 16 zeigt, welches nun gekühlt wird.
Modul 1 6a ist angeschlossen, wie es in Fig. 4 gezeigt wird, über eine vierte Leitung 35 und ein druckreguliertes Einwegventil 34, das gleich wie das Ventil 17 ist und angebracht ist, um den Durchgang des Gases zum Speicherbehälter 16a unter einer vorbestimmten Druckdifferenz zu erlauben. Die Leitung 35 führt dann auf den Kondensator 21a, welcher der gleiche oder auch ein anderer Kondensator sein kann, wie der Kondensator 21. Der Auslass vom Kondensator 21a bildet eine fünfte Leitung 36, welche in das Expansionsventil 26a in einer Kühleinheit 25a mündet, welche wieder das gleiche Kühlelement 25 sein kann, wobei in diesem Fall das Einwegventil 30 mit einem zweiten Auslass versehen werden muss, welcher zurück auf das Modul 16 führt und durch den relativen Druck zwischen Modul 16 und Modul 16a gesteuert wird.
In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass eine sechste Leitung 37 den Ausgang der Kühleinheit 25a und den Eingang 15a des Modul 16 verbindet. In dieser Leitung 37 ist ein Einwegventil 40 angebracht. Wie schon erwähnt, kann das Ventil 40 und das Ventil 30 zu einem einzigen Ventil zusammengefasst werden und zwar vorzugsweise, wenn der Kondensator 21a die Kühleinheit 25a dieselben sind wie der Kondensator 21 und die Kühleinheit 25. Der Kondensator 21 a kann gleich wie der Kondensator 21 durch einen Ventilator, Kühlwasser oder andere geeignete Massnahmen gekühlt werden.
Im Wirkungskreis, in welchem das Modul 16 kalt und das gasförmige Fluid unter geringeren Druck steht als im Modul 16a, baut sich eine geeignete Druckdifferenz auf, das Ventil 34 öffnet sich und das gasförmige Fluid strömt in den Kondensator 21a, in dem es gekühlt wird. Dann strömt das Ar beitsfluid als Gas oder als Flüssigkeit in die Kühleinheit 25a, in der es durch das Expansionsventil 26a expandiert wird und sich dadurch abkühlt in solch einem Mass, dass es für die Klimatisierung oder für das Kühlsystem eines Gebäudes oder sonst für irgendwelche Kühlzwecke gebraucht werden kann.
Schliesslich wird das Modul 16 durch das Arbeitsfluid wieder aufgeladen für einen nächsten Arbeitszyklus.
Es versteht sich, dass die Zyklen so eingerichtet werden, dass einer während des Tages, der andere während des Abends oder, wenn die Modul an verschiedenen Seiten des Gebäudes angebracht werden, so kann ein Zyklus auf die Dauer des Morgens und der nächsten Zyklus auf den Nachmittag und Abend gelegt werden. Im letzteren Fall kann der Zyklus so angelegt sein, dass das Gas vom warmem Modul 16 auf der Ostseite des Gebäudes oder des Daches zum kalten Modul 16 auf der Westseite des Gebäudes oder Daches fliesst, dann wenn das letztere gekühlte Modul sich erwärmt, der Fluidstrom kann zu einem Speicherbehälter führen, um letztlich während des Abends oder der Nacht zurück zum ersten Modul, welches auf der Ostseite des Daches des Gebäudes liegt.
Im anderen Fall kann die Wärmezufuhr für das Modul 16 über einen Wärmeaustauscher, der mit Abfallwärme einer beispielsweise Heizanlage oder einer anderen Quelle von Wärmeabstrahlung gespiesen wird, erfolgen. Es will damit gesagt sein, dass nach vorbekannter Weise die Energie eines expandierenden Gases für die Umsetzung in mechanische oder elektrische Energie benützt werden kann, dies durch konventionelle Einrichtungen, wie Kolbenmaschinen, Turbinen oder elektrische Generatoren. In solch einem Falle liegt die Erfindung des zyklischen Erwärmens und Kühlens des Modul 16 und Modul 1 6a in der geeigneten Ventiltechnik der Abfallwärme zu den Wärmeaustauschern für das Zeolitmaterial.
Speziellere Ausführungsformen, welche ein System für den indirekten Wärmeaustausch für das Zeolit zeigen werden nachfolgend anhand der Figuren 12 und 13 beschrieben.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Fig. 1 bis 4 haben den Vorteil eines zyklischen Charakters von Sonnenenergie durch Tag und Nachtperioden, um damit einen Pumpeneffekt zu erreichen, ohne die Anwendung von Kompressoren oder anderen beweglichen Teilen. Dies garantiert eine lange und wartungsfreie Lebenszeit. Oft muss die Anlage entweder für eine maximal mögliche Sonnenenergieladung während eines ganzen Tages ausgelegt werden, wobei dadurch der Betrieb und der grösste Teil der Zeit unterhalb seiner maximalen Kapazität arbeitet oder er wird erhöht durch alternative Kühlmethoden während Tagen maximaler Wärme. Eine zweite Lösung des Problems der maximalen Kapazität resultiert in einer Reduktion in beidem. Die Grösse und die Kosten eines kompletten Systems werden nun nachfolgend beschrieben.
Diese Auslegung basiert auf dem Umstand, dass wenn ein Wärmegradient durch ein absorbierendes Material erzeugt wird, im wesentlichen ein Pumpeffekt entsteht.
Obschon dies vorbekannt ist für Materialien mit einem thermisch abhängigen Diffusionskoeffizienten, ist diese Situation in der Familie von Molekularsiebmaterialien substantiell verschieden.
Molekularsiebzeolite haben eine Kristallstruktur von interkristallinen Poren in Form von langen Kavitäten (im molekularen Sinn) verbunden durch grosse oder kleine fensterartige Öffnungen. Aus diesem Grund sind die Bewegungen eines Gasmoleküls durch ein thermisch aktiviertes Steckenbleiben in diesen Kavitäten beeinflusst und einer zweiten Energiebarriere für die Diffusion durch die Fenster zwischen den Kavitäten. Dieser zweite Prozess ist verantwortlich für die Siebwirkung eines Molekularsiebes, in denen Gase mit einer molekularen Dimension, die kleiner ist als die Fenster, durch das Molekularsieb hindurch passieren, während Gase mit Molekülen, die grösser sind als die Fenster, dies nicht tun. Zusätzlich bleiben Moleküle mit einer grossen elektrischen Dipoloder Quadrupolmoment üblicherweise in den Kavitäten ebenfalls stecken (z.B.
Wasser) im Gegensatz zu Atomen und Molekülen ohne solches Moment - z.B. Edelgase -welche in den Kavitäten nicht steckenbleiben und deren Bewegung nur durch ihre relative Grösse zu der Grösse der Fenster bestimmt wird. Aus diesen Gründen ist die Bewegung der Gase durch ein Molekularsieb nur wenig mit der Diffusion ähnlich und ist daher wesentlich mehr komplex.
In Versuchen mit einem Zeolit des Linde-Typs 4A wurden die plattenförmigen Behälter mit einem Kaolinbinder gesintert. Wird nun eine Seite einer solchen Platte auf ungefähr 100 Centigrad aufgeheizt, so lässt sich eine Pumpwirkung beobachten, welche mit der Anwendung verschiedener Gase variiert. Solche Gase sind CO2, Freon-1 1 (CCl3F), Freon-12 (CCL2F2), Freon-21 (CHC12F), Freon-22 (CHClF2), Wasserdampf, NH3, SO2, N2 und 02.
In den bis jetzt diskutierten Ausführungsformen wurde ein glasabgedeckter Behälter 41 verwendet und die Platte 44 wurde als Separator benützt, um den Behälter in separate Druckräume aufzuteilen. Dies ist vergleichbar mit der ersten Methode, in der das Zeolit keine Druckbarriere aufbaut und aus diesem Grund der Einlass und der Auslass eines jeden Behälters 10 zu jeder Zeit denselben Druck aufweisen.
Bezugnehmend auf die Fig. 5 bis 7, ist noch zu bemerken, dass der Metallbehälter 41, welcher eine transparente Abdekkung 42 aufweist, einen gesinterten Zeolittrenner 44 enthält.
Die Seite 45 des Zeolittrennstoffes 44, welcher der Sonne zugekehrt ist, wird mit geeigneten Mitteln geschwärzt, beispielsweise mit einem Russanstrich. Der Behälter 41 ist damit getrennt in zwei Teile durch den Trenner 44, in einen hinteren Teil 46, welcher das Gas bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur enthält und einen vorderen Gehäuseteil 47, welcher das Gas unter höherem Druck und bei höherer Arbeitstemperatur enthält. Wenn nun Wärme von der Sonne oder andern Quellen die Seite 45 des Zeolittrenners 44 aufwärmt, stellt sich ein Temperaturgradient AT ein, welcher durch die Referenzzahl 50 in Fig. 6 dargestellt werden soll. Die innere molekulare Pumpwirkung der Zeolitbarriere 44, wie oben beschrieben, baut nun eine Druckdifferenz zwischen dem hinteren Teil 46 des Behälters 41 und dem vorderen Gehäuseteil 47 auf.
Diese Druckdifferenz wird benützt für die gewünschte Energieabgabe des Systems.
In einem Modul 51 in Fig. 5 haben die einzelnen Platten 41 jeden ihren Auslass 52 und Einlass 54, welche in Serie verbunden sind, wie es im oberen Teil der Fig. 5 abgebildet ist, um einen höheren Druck zu erzielen, oder aber die einzelnen Platten können parallel verbunden sein, wie es der untere Teil der Fig. 5 zeigt, um einen grösseren Fluss zu erzielen, aber es ist auch eine Kombination von beidem möglich. Wie in Fig. 7 gezeigt, hat das Modul 51 den Auslass 52 mit einer ersten Leitung 55 verbunden, in der ein Einwegventil 56 angebracht ist und in einen Kondensor 57 führt, welcher mit Hilfe eines Ventilators 60 oder anderen geeigneten Kühleinrichtungen gekühlt wird. Der Auslass des Kondensators 57 bringt das Arbeitsgas durch eine Leitung 59 über ein Einwegventil 61 zu einer Kühleinheit 62.
In der Kühleinheit 62 wird das Gas durch ein Expansionsventil 64 expandiert und wird dabei ziemlich abgekühlt und kann nun für eine Klimaanlage, Kühlanlage oder dergleichen verwendet werden. Das Fluid wird dann wieder gesammelt und über die Leitung 25 auf den Niederdruckgaseinlass 54 des Moduls 51 geführt. Ein Einwegventil 66 ist in der Leitung 65 angebracht.
Dabei, wie es aus den oben beschriebenen Ausführungen der Fig. 5 bis 7 gesehen werden kann, wird das Arbeitsgas vom HochdruckteiI 47 des Behälters zum Hochdruckauslass 52 befördert, durch ein Einwegventil 56 über die Leitung 55 zum Kondensator 57 geführt, in dem das Gas abgekühlt wird mittels eines Ventilators 60 oder Kühlwasser bzw. dergleichen. Das nun abgekühlte Gas (welches auch in flüssiger Form vorliegen kann) wird vom Kondensator 57 in die Kühleinheit 62 befördert, worin es durch Expansion im Expansionsventil 64 Kälteenergie produziert. Das resultierende Niederdruckgas wird dann über das Einwegventil 66 durch die Leitung 65 zum Niederdruckteil 46 des Behälters 41 zurückgeführt.
In absoluten Druckeinheiten angegeben, wurden die folgenden Druckdifferenzen als brauchbar gefunden: Freon 11,3/18 x 6,895 kPa; Freon-12, 26/107 x 6,895 kPa; Freon- 21, 5/51 x 6,895 kPa; Freon-22, 43/175 x 6,895 kPa; Was serdampf, O,1/1 x 6,895 kPa; SO2,12/66 x 6,895 kPa; CO2, 332/1043 x 6,895 kPa; und NH3, 35/170 x 6,895kPa.
Diese letztbeschriebene Ausführung hat den Vorteil, dass dasselbe Gasvolumen mehrere Male während eines Tages wieder angewendet werden kann und eine Kühlwirkung aufweist, welche direkt proportional der Sonnenenergieladung ist. Das heisst, je grösser sie solare Aufheizung, umso grösser der Kühleffekt.
Beide Ausführungen haben den Vorteil gegenüber den konventionellen Sorptionskühlsystemen darin, dass sie eine potentiell höhere Effizienz aufweisen durch die wesentlich grössere Temperaturabhängigkeit des Sorptionsprozesses von Zeolit. Zusätzlich dazu werden keine mechanisch bewegbaren Teile benötigt, daja das angegebene System nur aus festen plattenförmigen Behältern, Druckbehältern und Leitungen und dem Arbeitsgas besteht, was eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange aktive Lebensdauer gewährleistet.
Die Fig. 8, 9 und 10 zeigen in Diagrammen die Wirkung eines Molekularsiebes, in dem Wasserdampf bei einem Druck, der geringer ist als der atmosphärische Druck als Arbeitsgas vorliegt. Die Figuren zeigen auch den hauptsächlichsten Unterschied zwischen Molekularsiebzeoliten und anderen mikroporösen Absorbenten, wie es Aktivkohle, aktiviertes Aluminiumoxyd oder Silicagel sind. Der grösste Vorteil von Molekularsiebzeoliten ist gegeben durch die Kapazität, polare Moleküle zu adsorbieren mittels elektrostatischer Interaktion, zusätzlich zur kapillaren Kondensation, welche eine normale Charakteristik von allen mikroporösen Adsorbenten ist.
Moleküle mit einem grossen Dipolmoment, beispielsweise Wasser, Kohlendioxyd oder Quadrupolmomenten, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, werden durch elektrostatische Interaktion mit den positiven und negativen Ionen der Aluminiumsilikatstruktur an die Zeolitmikrostruktur gebunden. Dies resultiert in einer extrem nicht-linearen Temperatur- und Druckabhängigkeit der Adsorptionscharakteristik der polaren Gasmoleküle an Zeoliten. Fig. 8 zeigt die Adsorptionsisothermen von Wasserdampf an Zeolit Typ A. Ein Partialdruck von 6,67 m bar, was dem Dampfdruck von Wasser bei ungefähr 274,8 K (1,7 C) entspricht, adsorbiert das Zeolit über 20 Gew.-% Wasser bei Raumtemperatur.
Andererseits, wenn Zeolit auf 366,5 K (93,3 C) aufgeheizt wird, desorbiert es den Wasserdampf, unabhängig vom Partialdruck, bis die Konzentration ungefähr auf 17 Gew.-% abgenommen wird.
Die Fig. 9 und 10 zeigen die Raumtemperaturadsorptionsisotherme von Wasser in zwei verschiedenen Typen von Aktivkohle. Der Sättigungsdruck P0 des Wassers bei dieser Temperatur beträgt 33,3 m bar. Daraus ergibt sich, dass bei einem Dampfdruck des Wassers bei 274,8 K (1,7 C) das Verhältnis von P/PO gleich 5/25 bzw. 0,2 beträgt. Aus den Fig. 9 und 10 ist zu ersehen, dass keine signifikanten Mengen von Wasser (weniger als 2 Gew.-%) bei solch niederen Partialdrücken adsorbiert werden und daraus folgt, dass ein System auf Basis von Aktivkohle mit Wasser bei diesen Drücken nicht befriedigend funktioniert.
In brauchbaren Systemen, in welchen Wasserdampf verwendet wird bei Partialdrücken haben Aktivkohle, aktiviertes Aluminiumoxyd und Silicagel eine Effizienz von praktisch Null, währenddem Zeolite eine Effizienz in der Höhe von 35 oder 40% zeigen mit Möglichkeiten für weitere Verbesserungen.
Die Anwendung von Wasserdampf bei Drücken unterhalb einer Atmosphäre wird in einer Ausführung in Fig. 11 gezeigt. Diese Figur zeigt einen Solar-Kühler 70, welcher genauer bezeichnet ein Eisschrank darstellt. In diesem Zusammenhang wurde herausgefunden, dass Zeolite die einzigen nicht-flüssigen Adsorbenten sind, die die Fähigkeit haben, aus Solarenergie Eis herzustellen mit einem akzeptablen Wirkungsgrad. Dies ist so zu verstehen, dass aufgrund der extremen nicht-linearen Eigenschaften der Zeolite diese die Fähigkeit haben, ungefähr 20 Gew.-% Wasserdampf bei Drücken niedriger als 0,345 K Pa psi aufzunehmen, was einem Druck entspricht, bei dem das Wasser ungefähr bei 266,5 K (-6,7 C) sieden würde. Andere Festkörper desselben Typus adsorbieren weniger als 4 Gew.-% unter denselben Bedingungen, wie sie oben beschrieben wurden.
Mehr noch, wird eine Salzsole als Quelle des Wasserdampfes verwendet und der Behälter mit der Sole ist genügend gut isoliert gegen die Aussentemperatur, so kühlt sich die Sole selber durch Verdampfung, bis sie ausgefriert. Da die Verdampfungswärme von Wasser ungefähr 2300 KJ per Kilo beträgt, während die Erstarrungswärme des Wassers nur ungefähr 340 KJ pro Kilo ausmacht, kann jedes verdampfte Kilo Wasser eine Wirkung von ungefähr 7 kg Eis aufweisen. Die solare Kühlzelle 70, wie sie in Fig. 11 gezeigt wird, verwendet dieses Prinzip, und es wurde gefunden, dass 0,0929 m2 des Zeolitkollektors 71 an einem normalen Sommertag ungefähr 1 kg Eis liefert.
Die der Sonne ausgesetzte Platte 71 ist im wesentlichen identisch mit den Platten, wie sie in Fig. 2 gezeigt wurden, ausser dass sie nur einen einzigen Auslass 72 besitzt, welcher vom Innern des plattenförmigen Behälters, welcher mit Zeolit gefüllt ist, aus der Platte herausführt. Der Solarkollektor 71 muss eine Glasabdeckung 74 aufweisen. Der plattenförmige Behälter 71 kann auch aus Metall hergestellt werden, welcher anschliessend schwarz eingefärbt wird, um die Sonnenstrahlen gut aufzunehmen. Der Auslass 72 mündet in eine Röhre 75, welche eine Mehrzahl von Kühlrippen 76 aufweist. Die Röhre und die Kühlrippen ergeben auch die Halterung für den Solarkollektor 71 und funktionieren zusammen wie ein luftgekühlter Kondensator 77. Die Röhre 75 mündet in einen Verdampfer 80, welcher mit Wasser, Sole und Eis gefüllt und gegen den Behälter 81 geschlossen und isoliert ist.
Dieser Kühlschrank 81 bietet ungefähr 0,113 m3 Innenraum und die kalte Luft kann in diesem Kühlraum 81 durch natürliche Konvektion zirkulieren. Der Verdampfer 80 für diese Ausführungsform hat ein Volumen von ungefähr 7,5 dm3 (7,25 kg) Wasser und dient als Wasserdampfquelle und zur Speicherung des Eises. Der Verdampfer kann aus Metall bestehen, beispielsweise Kupfer oder rostfreier Stahl. Es ist noch zu bemerken, dass der Verdampfer 80 in der oberen Hälfte des Behälters 81 angebracht ist.
Das Innere des Solarkollektors 71, des Kondensators 77 und des Evaporators 80 ist hermetisch abgedichtet. Damit ist es weitgehend frei von andern Gasen als von Wasserdampf.
Der Zeolit-Solarkollektor 71 ist vorzugsweise in einer Fläche von 0,743 m2 ausgelegt und hat eine Dicke von ungefähr 5 cm, wobei dieser Innenraum ungefähr 29 bis 30 kg Zeolit aufnimmt.
Es soll hier noch erwähnt werden, dass der Eiskasten 70 keine beweglichen Teile oder mechanischeVentile aufweist und keine andere Energiequelle als die der Sonne benötigt.
Während des Tages wird der Zeolit-Kollektor 71 durch die Sonne erwärmt. Dies bewirkt eine Zunahme der Temperatur des Zeolits und Wasserdampf wird aus dem Zeolit desorbiert. Daraus resultiert eine Druckzunahme im hermetisch abgeschlossenen Raum des Kühlschrankes 70. Erreicht der Druck den Taupunkt bei einer vorbestimmten Kondensatortemperatur, beispielsweise 3,5 K Pa bei 299,8 K (26,7 C) oder 6,9 K Pa bei 312 K (38,9 C) Kondensatortemperatur, bginnt das Wasser zu kondensieren, wobei die Kondensationswärme durch die Kühlrippen 46 an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird. Die daraus resultierende Kondensation (flüssiges Wasser) rinnt, durch die Schwerkraft hervorgerufen, in den Verdampfer 80 zurück und sammelt sich dort während des Tages, wobei gleichzeitig das Eis im Verdampfer 80 leicht schmilzt.
Während der Nacht kühlt der Zeolit-Kollektor 71 ab und beginnt wieder Wasserdampf zu absorbieren, bei viel niedrigerem Partialdruck. Beim Absorbieren des Wasserdampfs in das Zeolit sinkt der Druck ab und bei 0,483 K Pa psia beginnt das Wasser bei einer Temperatur von 270,4 K (-2,8 C) zu verdampfen. Dieses kühlt und wirkt das zurückbleibende Wasser im Evaporator 80 aus. Ungefähr 1 kg Wasser werden desorbiert und reabsorbiert in einen typischen 24-Stunden-Zyklus durch den beschriebenen Zeolit Kollektor 71. Beim Kondensieren gibt das Wasser ungefähr 2300 KJ an die Luft ab und produziert an die 71/4 kg Eis bei der Verdampfung während der Nacht. Der Verdampfer 80 hat ein Volumen, das leicht grösser ist als 7,5 dm3, so dass eine Speicherung von 7,25 kg Eis und 1 kg Wasser während des Tages möglich ist.
Auf diese Art behält das Innere des Behälters 81 eine konstante Temperatur, welche durch die Schmelzpunkte der Sole im Verdampfer 80 bestimmt ist. Während des Tages wird das Eis im Verdampfer 80 leicht geschmolzen und während der Nacht wieder eingefroren.
Die Masse des Kühlraums 70 können nach Wunsch vergrössert oder reduziert werden, wobei auch die Grösse der zeolithaltigen Platte 71 variiert wird. Beispielsweise eine Kühlkammergrösse von 0,226 m3 benötigt ungefähr 15 m2 Zeolit-Kollektor, während ein 57 dm3 grosser Kühlraum mit nur 0,37 m2 Zeolit-Kollektor zufriedenstellend arbeitet. Dabei kann auch beispielsweise eine andere Wärmequelle wie die Abwärme eines Verbrennungsprozesses benützt werden, um das Zeolit aufzuwärmen, ohne dass das System in seiner Anordnung geändert werden muss.
Bei diesem oben beschriebenen System, das hier zu einer Kühlkammer 70 ausgebildet ist, zeigt den Vorteil von Zeoliten als Adsorbentien. Weitere feste Adsorbentien wie Silicagel oder Aktivkohle absorbieren unter gleichen Umständen weniger als 4 Gew.-% Wasserdampf, was einer noch kleineren Desorptionsmenge entsprechen würde.
Die Fig. 12 und 13 zeigen die Anwendung von Zeolit-Solarplatten mit einem Hochdruckgas, wie es beispielsweise Stickstoff ist, um dabei Niedrigtemperaturunterschiede in mechanische Arbeit umzuwandeln.
In Fig. 12 werden zwei Hochdruckbehälter 90 und 91 gezeigt, welche zumindest einen Arbeitsdruck von 138 bar aufnehmen können. Einer oder mehrere Wärmeaustauscher 92 und 94 sind innerhalb der Behälter 90 und 91 angebracht. In dieser Ausführung wird Wasser als Wärmeaustauschflüssigkeit, das in seinem Strömungskreis eine Reihe von konventionellen Sonnenkollektoren 93 aufweist, sowie eine reversible Wasserpumpe 95 und eine luftgekühlte Kühlschlange 96, welche mit Hilfe eines motorbetriebenen Ventilators 97 gekühlt wird.
Es ist zu vermerken, dass der flüssige Teil des Wärmeaustauschsystems das Aufheizen des Wassers in der Reihe der Sonnenkollektoren 93, eine geeignete Zuleitung zum Wärmeaustauscher 92, welcher verbunden ist mit einer weiteren Leitung, welche die Flüssigkeit durch die luftgekühlte Schlange 96 in den Wärmeaustauscher 94 leitet, von welcher der Strom zurückkehrt durch eine weitere Leitung zur reversiblen Pumpe 95 und durch eine weitere Leitung zurück zur Sonnenkollektorenbatterie 93, dies in der Richtung des eingezeichneten Pfeiles 100. Im Falle, dass die Pumpe 95 ihre Arbeitsrichtung wechselt, so ist auch der Fluid-Strom den Pfeilen entgegenlaufend.
Innerhalb der Hochdruckbehälter 90 und 91 ist das Zeolitmaterial so eingebracht, dass ein adäquater Wärmeübergang zwischen dem Zeolit und dem Wärmeaustauscher möglich ist.
Bei einer Zirkulation der Flüssigkeit in der Richtung, welche die Pfeile 100 anzeigen, wird das Zeolit innerhalb der Behälter 90 aufgeheizt mit heissem Wasser, welches durch den Wärmeaustauscher 92 fliesst, wobei sich die Flüssigkeit, sobald sie die Kühlschlange 96 passiert, abkühlt, die Wärmeabführung wird durch den Luftstrom des Ventilators 97 unterstützt, und das Zeolit innerhalb des Behälters 91 wird dabei gekühlt. Das erwärmte Zeolit im Behälter 90 desorbiert Stickstoffgas und zur gleichen Zeit wird der Druck im Behälter zunehmen von ungefähr 1 N/m2 auf ca. 60 N/m2. Im kalten Behälter 91 hat der Stickstoff einen Druck von ungefähr 1 N/m2.
Mit dieser Druckdiffernz ist eine Temperaturänderung von 20 C auf ungefähr 100 C verbunden.
Der Hochdruckbehälter 90 ist angeschlossen durch ein Dreiwegventil 101 an der Hochdrucksammelleitung 102, welche auf eine Turbine 104 führt. Es ist selbstverständlich, dass auch eine Kolbenmaschine anstelle der Turbine 104 eingesetzt werden kann. Die Niederdruckseite der Turbine 104 ist durch ein weiteres Dreiwegventil mit dem Tieftemperatur- und Niederdruck-Zeolit im Behälter 91 verbunden. Der Stickstoff auf der Abgasseite der Turbine 104 wird dabei leicht durch das Zeolit im Behälter 91 adsorbiert.
Wenn das Stickstoffgas vom Behälter 90 vollständig desorbiert und durch die Turbine 104 gelaufen ist, um im Zeolit innerhalb des Behälters 91 adsorbiert zu werden, ist ein Zyklus von Zeolitadsorption beendet und die reversible Pumpe 95 wird umgestellt, zusammen mit den Dreiwegventilen 101 und 105, wobei das Zeolit im Behälter 91 aufgewärmt und desorbiert und wieder durch die Hochdrucksammelleitung 102, die Turbine 104, die Niederdrucksammelleitung 106 fliesst, um im nun kalten Zeolit im Behälter 90 adsorbiert zu werden.
Es ist dabei zu bemerken, dass durch das zyklische Verhalten des Systems in Fig. 12 eine kurze Nichtbetriebsphase auftritt, dies zur Zeit, wenn das Zeolitsystem nicht funktionsfähig ist, weil es entweder nicht warm oder kalt genug ist, um die benötigte Desorption und Adsorption durchzuführen.
Dies kann umgangen werden, indem man einen Akkumulator von genügender Grösse in der Hochdrucksammelleitung vorsieht oder zusätzliche Volumen für Druckunterschiede, um die Turbine 104 in Gang zu halten oder durch Vorsehen eines Schwungrades mit einer genügenden Speicherkapazität für kinetische Energie, welches übergangsmässig die Turbine 104 antreiben kann.
Weitere Vorrichtungen für das Aufrechterhlten einer kontinuierlichen Arbeitsweise werden in Fig. 13 gezeigt, in welcher drei zeolit -gefüllte Behälter 110, 111 und 112 vorgesehen sind. Diese Behälter enthalten einen Wärmeaustauscher, wie er in den Behältern 90 und 91 schon beschrieben wurde. In dieser Ausführung werden zwei zeolitgefüllte Behälter benützt, um die Turbine 104 anzutreiben, währenddessen der dritte zeolitgefüllte Behälter entweder erwärmt oder gekühlt wird, entsprechend wie es im System benötigt wird. Obschon dieses System ohne Unterbrechung arbeiten kann, benötigt es eine viel grössere Anzahl von Dreiwegventilen, welche alle mit der Referenznummer 114 bezeichnet sind, um die Hochdrucksammelleitung 115 sowie die Niederdrucksammelleitung 116 für das Hoch- und Niederdruckstickstoffgas zu bedienen, bzw. um die Warm- und Kaltwasser-Quellen 117 und 118 zu schalten.
Ein Regelsystem für eine angemessene Ventilbedienung kann durch einen kleinen Computer vom digitalen oder analogen Typ übernommen werden, beispielsweise gleich wie die gut bekannten Regelvorgänge in handelsüblichen Waschmaschinen.
Wie in den anderen Ausführungen, ist zu erwähnen, dass die Ausführung, welche in Fig. 13 beschrieben ist, auch für die Umsetzung von Energie in verschiedene Arten benützt werden kann, wie beispielsweise Wärmeenergie in mechanische Energie. So kann das Hochdruckfluid der Sammelleitung 115 benützt werden in einem Kühlsystem, wobei das Gas nach der Expansion und Verdampfung in der Sammelleitung 116 wieder zurückgeführt werden kann. In solch einem System kann auch Stickstoffgas bei Kryotemperaturen verwendet werden. Mit Wasserdampf als Arbeitsfluid kann eine Klimatisierung erwirkt werden, wobei heisses Wasser, das aus dem Radiator zurückfliesst, in eine wassergekühlte Verbrennungsmaschine geführt wird.
Obwohl diese Erfindung in einigen bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, sind selbstverständlich innerhalb dieses Erfindungsgedankens weitere Ausführungsformen und Modifikationen möglich.