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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sorptionsspeicherheizung gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1, insbesondere auf eine solarthermische Speicherheizung auf der Basis von Silicagel.
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Thermochemische Wärmespeicher speichern Wärme durch endotherme Reaktionen und geben diese durch exotherme Reaktionen wieder ab. Dabei wird der Wärmeumsatz umkehrbarer chemischer Reaktionen ausgenutzt. Durch solare Wärmezufuhr wird der Speicher geladen. Die Wärmezufuhr bringt eine chemische Reaktion in Gang, deren Produkte räumlich getrennt werden. Die Rückreaktion beim Abkühlen wird durch diese Trennung jedoch verhindert, der Zeitpunkt der Entladung kann dann frei gewählt werden.
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Ein Beispiel eines thermochemischen Wärmespeichers ist der Sorptionsspeicher: Ein Tank enthält Granulat aus Silicagel, das hygroskopisch und stark porös ist und deshalb eine große innere Oberfläche hat (ein Gramm Silicagel hat eine innere Oberfläche von etwa 600 m2). Silicagel hat die Eigenschaft, Wasserdampf anzuziehen und an ihrer Oberfläche anzulagern (Adsorption), wobei Wärme frei wird. Umgekehrt muss zum Trocknen von Silicagel (Desorption) Wärmeenergie aufgewendet werden.
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Das Silicagel befindet sich in Granulatform in einem Kessel oder Speichertank, der gegen Luftfeuchtigkeit abgedichtet werden kann. Unter Energieaufwand (mittels Heißluft eines solaren Luftkollektors) wird im Sommer das Silicagel getrocknet. Im Winter wird das Silicagel belüftet und Schritt für Schritt auf den Wasserdampf-Partialdruck der Umgebung gebracht. Die entstehende Wärme wird genutzt.
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Der Vorteil von thermochemischen Wärmespeichern gegenüber konventionellen Wärmespeichern in Form eines Wassertanks liegt in ihrer höheren Speicherdichte von 200 bis 300 kWh/m3 gegenüber nur etwa 60 kWh/m3 bei Wasser. Außerdem kann die Energie über Jahre verlustfrei gespeichert werden.
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Neben Silicagelen können auch Metallhydride oder Zeolithe als Wärmespeicher verwendet werden, die jedoch höhere Betriebstemperaturen benötigen.
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Aus der
DE 198 11 302 C2 und der
EP 1 004 001 B1 ist ein Sorptionsspeicher bekannt, der mit einem Sorptionsprozess arbeitet, der für thermochemische Wärmespeicherung geeignete Reaktionen im Niedertemperaturbereich ausführt. Dabei wird ein Gas entweder an einer festen, porösen Substanz angelagert (Adsorption) oder in einer Flüssigkeit oder einem Feststoff aufgenommen (Absorption). Bei diesem Vorgang wird Wärme frei, umgekehrt führt die Zufuhr von Wärme wieder zur Freisetzung des Gases (Desorption). Für die Wärmespeicherung eignet sich Wasserdampf am besten, hier ist der Stoffumsatz chemischer Energie in Form von Wärme (Enhalpieänderung, angegeben in Joule) am höchsten.
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Die Ladung des Speichers erfolgt mittels Sonnenkollektoren. In dem geschlossenen, wasserbasierten System wird mittels der von einer Solaranlage gelieferten Wärme das Sorptionsmaterial (Silikat = Kieselsäure) getrocknet. Der bei der Ladung des Speichers freigesetzte Wasserdampf wird verflüssigt (kondensiert) und getrennt vom desorbierten, d. h. getrockneten Material (Silikagel), gespeichert.
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Zur Entladung des Wärmespeichers wird vor der Rückreaktion das Wasser wieder verdampft und anschließend vom trockenen Sorptionsmaterial wieder aufgenommen. Hierbei wird Wärme freigesetzt, die für die Raumheizung genutzt werden kann.
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Vorteile dieses bekannten Verfahrens liegen in den wesentlich höheren Energiedichten von 200 bis 300 kWh/m3 (Wasser: 58 kWh/M3) und den geringen thermischen Energieverlusten (im Vergleich zur chemisch gespeicherten Energiemenge sind dies nur etwas über 10 %). Ferner kann Silikagel auch bei moderatem Wärmeeintrag trocknen, da dies durch Verdampfung im Unterdruckraum passiert. Der Wirkungsgrad wird allerdings durch die häufigen Wärmeübergänge vermindert.
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Zur solaren Raumheizung wird die Solaranlage sowohl zur Ladung des Speichers im Sommer (Desorption) als auch zur Entladung im Winter (Adsorption) benutzt. Die bei der Adsorption frei werdende Wärme wird zur Heizung genutzt. Die Speicher bestehen aus einer Reihe industriell vorgefertigter, abgeschlossener und evakuierter Behälter, die an den Solarkreis und die Heizungsanlage angeschlossen werden. Jedes dieser Module enthält das Sorptionsmaterial, die Wärmetauscher und einen Vorratsbereich für das Kondensat. Zum Trocknen ist der Kollektorkreislauf geschlossen. Frostschutz ist ein Problem. Zum Trocknen wird das erwärmte Wasser in einen Sorptionsspeicherraum geführt und erwärmt das Silicagel über einen Wärmetauscher und über eine poröse metallische Struktur, in die das Silikagel eingebettet ist. Das Silicagel wird dabei getrocknet. Das verdampfte Wasser sammelt sich in den Zwischenräumen, die unter Unterdruck stehen. Der Dampf strömt über die Zwischenräume in den unteren Teil des Speichers und wird dort gekühlt und kondensiert solange, bis der untere Raum mit Wasser gefüllt ist. In diesem Zustand ist der Speicher „geladen“, also zum Heizen bereit.
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Das Heizen erfolgt dadurch, dass durch zugeführte Energie das Wasser im unteren Unterdruckraum verdampft (bei ca. 30°) wird und der Dampf sich in einem oberen Silikagelraum ausbreitet und sich an das Silikagel bindet. Dabei wird Wärme frei, die über die poröse Metallstruktur und den Wärmetauscher als Heizung benutzt werden kann.
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Die bekannten Sorptionsspeicherheizungen sind räumlich gebunden und in der Speicherkapazität unzureichend.
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Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, eine Sorptionsspeicherheizung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche variabel im Aufbau und äußerst wirksam in der Speicherkapazität ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 dadurch,
- a) dass der unter atmosphärischem Luftdruck stehende Speichermodul eine Speicherbox mit einem unterseitigen Gitter für eine Füllung aus Adsorbenzien umfasst,
- b) dass der Speicherbox eine untere Luftbox mit Zu- und Abfuhrleitungen für Feucht- bzw. Trocknungsluft und eine obere Luftbox mit Zu- und Abfuhrleitungen für Trocknungs- bzw. Heizluft zugeordnet sind und
- c) dass die Adsorbenzien in der Speicherbox durch Durchströmung von Trocknungsluft zur Speicherung von Wärme von oben nach unten getrocknet und durch Durchströmung von Feuchtluft von unten nach oben zur Abgabe von Wärme bzw. zur Heizung befeuchtet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Sorptions-Speicher-Heizungssystem mit hoher Effizienz. Das System ist modular aufgebaut und arbeitet unter Feuchtigkeitsabschluss mit Normal-Luftdruck. Die Module sind mit einer optimierten Luftführung versehen. Die beladenen Speichermodule lassen sich dezentral lagern und flexibel nach den tageszyklischen oder saisonalen Erfordernissen einsetzen.
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Als Adsorbenzien werden bevorzugt Silikagele oder auch Zeolithe verwendet. Umfangreiche Tests sowohl zur Leistungsfähigkeit als auch zur Zyklenfestigkeit zeigen, dass hier ein großes Potenzial für Leistungssteigerungen vorliegt und die Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Zusätzlich ist ein neu entwickeltes Luftführungs- und Steuerungssystem vorgesehen, das in der Lage ist, mehrere Kollektoren und mehrere Speichermodule im Rahmen eines solarthermischen Niedertemperatur-Gebäudekonzepts in verschiedenen Betriebsszenarien zu betreiben. Die Sorptionsspeicherheizung ist portabel und kann abgebaut und an anderer Stelle wieder aufgebaut und betrieben werden.
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Das Speichermaterial besteht aus granularen Silikagelen oder Zeolithen. Diese werden durch heiße Luft getrocknet und in getrocknetem Zustand ohne Verluste beliebig lange gelagert. Die Heizung erfolgt, indem die Speicher von feuchter, kühler Luft durchströmt werden, wobei sich im Material Wasser anlagert und dabei die durchströmende Luft erwärmt. Dieser Effekt ist im Prinzip als Adsorption und Desorption bekannt.
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Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung erreicht die Heizung und Trocknung der Adsorbenzien durch eine Luftführung in mehreren Ebenen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Silikagel direkt vom Wärmeträger Luft durchströmt (ohne Wärmetauscher und poröse Metallstruktur) und dadurch getrocknet. Die dabei entstehende Feuchtigkeit wird mit der Luft an die Umgebung abgeführt. Es wird kein Wasservorratsbehälter für kondensiertes Wasser benötigt.
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Bei der erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherheizung gibt es zwei Arten zum Heizen:
- a) direkt über einen Solarkollektor (wann immer möglich) und
- b) über das getrocknete Silikagel.
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Dazu wird feuchte Umgebungsluft oder befeuchtete Luft aus dem zu heizenden Innenraum durch das getrocknete Silicagel geströmt, dabei getrocknet und erwärmt. Die ausströmende Luft wird direkt zum Heizen verwendet.
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Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung ist einfach im Aufbau und in der Wartung und benötigt keine Unterdrucksysteme. Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung besitzt eine besondere Modularität, indem die Speichermodule jederzeit ausgetauscht und an das System zur Beladung oder zur Heizung angeschlossen werden können. Die Speichermodule enthalten keine aufwendigen Installationen, sondern nur das Silicagel und die Luftführung. Die Heizung ist jederzeit durch einen Kollektor direkt möglich, wenn genügend Energie bereitsteht.
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Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung mit der Trocknungs- und Befeuchtungseinrichtung sieht zur Trocknung eine Durchströmung von oben nach unten und zur Befeuchtung zwei Strömungswege von unten nach oben vor, einen für große kurzzeitige Heizleistung und einen für kleine langzeitige Heizleistung.
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In der erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherheizung kann beliebig zwischen Trocknung und Heizung umgeschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Adsorption und die Desorption unter atmosphärischem Luftdruck stattfinden
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Weiterhin können die Speichermodule durch Durchströmung von oben nach unten getrocknet werden. Bei der Befeuchtung (Heizphase) werden die Speichermodule von unten nach oben durchströmt. Hierdurch ist es möglich, die Speichermodule in mehreren Schritten zu trocknen und die Trocknungsfront schrittweise zu verschieben.
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Die Speichermodule sind konstruktiv so gestaltet, dass der Heizungsbetrieb zwei Modi erlaubt, die durch verschiedene Luftführungen mit vertikaler oder horizontaler Durchströmung erreicht werden:
- a) Langzeitheizung mit niedriger Energie durch vertikale Durchströmung der Silicagelschichten in den Speicherboxen und
- b) Kurzzeitheizung mit höherer Energie durch horizontale Überströmung der Silicagelschichten in den Speicherboxen. In diesem Modus kann die Trocknungsfront nicht kontrolliert werden.
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Die konstruktive Ausbildung erlaubt, die Wanderung der Trocknungsfront zu beobachten und diese beliebig auf und ab wandern zu lassen. Bei Langzeitentladung wird die Lage der Trocknungsfront durch Temperatursensoren beobachtet. Dies erhöht die Effizienz erheblich.
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Es erfolgt eine Bestimmung des Ladezustands der Speichermodule durch Wägung der Speichermodule während des Betriebes.
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Die Luftführung und die Befeuchtung erlauben die Verwendung von Materialien minderer Qualität.
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Die Speichermodule sind zu Türmen stapelbar und können beladen oder nicht beladen ausgetauscht werden. Dadurch wird Energie mobil und lagerbar.
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Ein elektronisches Steuerungssystem dient zur automatischen Steuerung und kann auch remote betrieben werden Dieses regelt die Warmluftzuflüsse und verteilt diese nach Tages- oder saisonalen Anforderungen auf die Speichermodule, überprüft die Trocknungszustände automatisch und regelt im Heizungsmodus die Heizleistung durch Kontrolle der Durchströmung und Befeuchtung.
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Im Gegensatz zum einleitend abgehandelten Stand der Technik nach
DE 198 11 302 C2 und
EP 1 004 001 B1 sind bei der erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherheizung die Speichermodule nicht hermetisch verschlossen, sondern nur gegen Feuchtigkeit und Wärme isoliert. Die Speichermodule sind nicht zweigeteilt, so dass ein zweiter Bereich zur Wasserspeicherung nicht erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Sorptionspeicherheizung umfasst nicht nur einen einzigen Speichermodul, sondern besteht aus mehreren Speichermodulen, die zum Trocknen oder Heizen angeschlossen werden und getrennt von der Gesamtanlage gelagert werden können. Es gibt keinen dritten Bereich, keinen Verdampfer und keinen Unterdruckbereich. Die in der erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherheizung verwendeten Adsorbate weisen keinen Ammoniak auf. Die Adsorbenzien sind gängige Stoffe. Es werden kein Wärmetauscher, kein Verdampfer und keine Verbindung zwischen zwei Kammern benötigt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Sorptionsspeicherheizung näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 einen Vertikalschnitt durch einen Speichermodul der Sorptionsspeicherheizung und
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2 eine Stirnansicht des Speichermoduls.
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Der Speichermodul 1 umfasst ein Gehäuse 2, das durch eine innere Auskleidung 22 feuchtigkeitsdicht und wärmeisoliert ausgebildet ist. Ein hermetisches Verschließen des Speichermoduls 1 ist nicht erforderlich. Das Gehäuse 2 des Speichermoduls 1 ist mit vier Rädern 3 versehen und somit verfahrbar. Der Speichermodul 1 steht auf einer Waage 4, die in eine Senke 5 im Boden 6 eingesetzt ist.
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Der Speichermodul 1 umfasst eine untere Luftbox 7, in welche Zu- und Abfuhrleitungen 8 bzw. 9 geführt sind, die zur Zufuhr von Feuchtluft über die Zufuhrleitung 8 bzw. zur Abfuhr von Trocknungsluft über die Abfuhrleitung 9 dienen. Von einem nicht dargestellten elektronischen Steuersystem gesteuerte Ventile 10, 10’ dienen zum Öffnen und Schließen der Zu- und Abfuhrleitungen 8 bzw. 9.
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Der Speichermodul 1 umfasst ferner eine obere Luftbox 11, in welche Zu- und Abfuhrleitungen 12 bzw. 13 geführt sind, die zur Zufuhr von Trocknungsluft über die Zufuhrleitung 12 bzw. zur Abfuhr von Heizluft über die Abfuhrleitung 13 dienen. Von dem nicht dargestellten elektronischen Steuersystem gesteuerte Ventile 14, 14’ dienen zum Öffnen und Schließen der Zu- und Abfuhrleitungen 12, 13.
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Zwischen der unteren Luftbox 7 und der oberen Luftbox 11 sind in zwei übereinander liegenden horizontalen Ebenen eine untere Speicherbox 15 und eine obere Speicherbox 16 angeordnet. Jede der beiden Speicherboxen 15, 16 umfasst ein unteres Gitter 17 und darauf befindliche Silikagelfüllungen 18 als Adsorbenzien in Form von Granulat. Unterhalb der Gitte 17 jeder der beiden Speicherboxen 15, 16 befinden sich Auflager 19 für die Gitter 17. Zwischen den Auflagern 19 streicht vertikal die Luft hindurch, insbesondere die Feuchtluft von unten. Zwischen den beiden Speicherboxen 15, 16 ist ein mittlerer Luftraum 20 ausgebildet. Oberhalb der Speicherbox 16 ist ein weiterer Luftraum 21 ausgebildet.
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Die Gitter 17 dienen dazu, das Silikagel zu tragen und gleichzeitig die vertikale Durchströmung zu ermöglichen. Die Gitter 17 bestehen aus korrosionsbeständigem Metall oder zur Erhöhung der Steifigkeit aus Streckmetall.
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Der beschriebene Speichermodul 1 kann sowohl mit nur einer Speicherbox 15, 16 als auch mit mehr als zwei Speicherboxen 15, 16 turmartig ausgebildet werden. Jede als Speicherwagen ausgebildete Speicherbox 1 kann dezentral gelagert und flexibel nach den tageszyklischen oder saisonalen Erfordernissen eingesetzt werden.
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Zur Trocknung der in den beiden Speicherboxen 15, 16 eines Speichermoduls 1 angeordneten Adsorbenzien, bevorzugt Silikagel, werden mittels des nicht dargestellten elektronischen Steuersystems die Ventile 14 und 10 in der oberen Zufuhrleitung 12 für Trocknungsluft bzw. in der unteren Abfuhrleitung 9 für Trocknungsluft geöffnet und die Speicherboxen 15, 16 werden direkt vom Wärmeträger Trocknungsluft, erwärmt, insbesondere durch Sonnenkollektoren, zur Speicherung von Wärme von oben nach unten durchströmt und dadurch das Silikagel getrocknet. Anschließend werden die beiden Ventile 14, 10 wieder geschlossen und der Speichermodul 1 kann an beliebiger Stelle gelagert werden.
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Zum Heizen wird feuchte Umgebungsluft oder befeuchtete Luft aus einem zu heizenden Innenraum abgeführt und nach Öffnung der beiden Ventile 10’, 14’ in der unteren Zufuhrleitung 8 für Feuchtluft bzw. der oberen Abfuhrleitung 13 für Heizluft durch das getrocknete Silikagel von unten nach oben geströmt, dabei getrocknet und erwärmt. Die aus der oberen Abfuhrleitung 13 für Heizluft ausströmende Luft wird direkt zum Heizen verwendet. Anschließend werden die beiden Ventile 10’ und 14’ wieder geschlossen.
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Als Adsorbenzien in den Speicherboxen 15, 16 werden bevorzugt Silikagele oder auch Zeolithe verwendet. Umfangreiche Tests sowohl zur Leistungsfähigkeit als auch zur Zyklenfestigkeit zeigen, dass hier ein großes Potenzial für Leistungssteigerungen vorliegt und die Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann. Zusätzlich ist ein erfindungsgemäßes Luftführungs- und Steuerungssystem vorgesehen, das in der Lage ist, mehrere Kollektoren und mehrere Speichermodule im Rahmen eines solarthermischen Niedertemperatur-Gebäudekonzepts in verschiedenen Betriebsszenarien zu betreiben. Die Sorptionsspeicherheizung ist portabel und kann abgebaut und an anderer Stelle wieder aufgebaut und betrieben werden.
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Das Speichermaterial besteht aus granularen Silikagelen oder Zeolithen. Diese werden durch heiße Luft getrocknet und in getrocknetem Zustand ohne Verluste beliebig lange gelagert. Die Heizung, insbesondere durch Solarenergie, erfolgt, indem der Speichermodul von unten von feuchter, kühler Luft durchströmt wird, wobei sich im Material Wasser anlagert und dabei die durchströmende Luft erwärmt. Dieser Effekt ist im Prinzip als Adsorption und Desorption bekannt.
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Die erfindungsgemäße Sorptionsspeicherheizung erreicht die Heizung und Trocknung der Adsorbenzien durch eine Luftführung in mehreren Ebenen. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird das Silikagel direkt vom Wärmeträger Luft durchströmt (ohne Wärmetauscher und poröse Metallstruktur) und dadurch getrocknet. Die dabei entstehende Feuchtigkeit wird mit der Luft an die Umgebung abgeführt.
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Eine Langzeitheizung wird durch die vertikale Durchströmung, die relativ langsam durch die Silikagelschüttung strömt, erreicht.
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Eine Kurzzeitheizung wird erreicht, indem die Gitter 17 horizontal unterströmt werden. Die Strömung verläuft dabei jeweils durch die untere Luftbox 7 und den mittleren Luftraum 20 unterhalb der Silikagelschicht. Die Luft wird dabei durch vertikale (nicht dargestellt) Bypassrohre, die in bzw. an den senkrechten Seitenwänden des Gehäuses 2 untergebracht sind, in die jeweilige untere Luftbox 7 und den mittleren Luftraum 20 geführt und mit ebensolchen Bypässen auf der anderen Seite wieder abgeführt. Bei dieser Strömungsführung erfolgt eine deutlich schnellere Wärmeübetragung durch die Oberfläche an der Unterseite der Silikagelschicht 18. Für die Trocknung wird nur die vertikale Durchströmung verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Speichermodul
- 2
- Gehäuse
- 3
- Rad
- 4
- Waage
- 5
- Senke
- 6
- Boden
- 7
- untere Luftbox
- 8
- Zufuhrleitung für Feuchtluft
- 9
- Abfuhrleitung für Trocknungsluft
- 10, 10’
- Ventil
- 11
- obere Luftbox
- 12
- Zufuhrleitung für Trocknungsluft
- 13
- Abfuhrleitung für Heizluft
- 14, 14’
- Ventil
- 15
- untere Speicherbox
- 16
- obere Speicherbox
- 17
- Gitter
- 18
- Silikagelfüllung
- 19
- Auflager
- 20
- mittlerer Luftraum
- 21
- oberer Luftraum
- 22
- Auskleidung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19811302 C2 [0007, 0034]
- EP 1004001 B1 [0007, 0034]
