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Die Erfindung betrifft einen mobilen Sorptionsspeicher mit einem liegend, auf einem Sattelauflieger angeordneten zylindrischen Speicherbehälter, in welchem innerhalb eines zylindrischen Außenbehälters eine Festbettschüttung aus einem Wärme speichernden Sorptionsmittel aufgenommen ist, wobei die Festbettschüttung über wenigstens einen axialen ersten Leitungsanschluss in einer Stirnseite des Speicherbehälters und wenigstens einen tangentialen zweiten Leitungsanschluss im Bereich des dem ersten Leitungsanschluss abgewandten Endes des Speicherbehälters von einem Fluid, insbesondere Luft, durchströmbar ist.
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Abwärme aus Industrieprozessen wird vielfältig bei hohen Temperaturen und mit großen Leistungen an die Umwelt abgegeben, weil sie am Standort zum aktuellen Zeitpunkt nicht genutzt werden kann. Mobile Sorptionsspeicher sind eine Option, diese thermischen Energien nutzbar zu machen. Die Anmelder führen dazu ein F & E-Projekt (BMWI-Förderung: 0327383 B) in Zusammenarbeit mit der Müllverbrennungsanlage Hamm durch. Als Sorptionsmittel dient eine Zeolith-Festbettschüttung in einem Speicherbehälter. Dieser zylindrische Speicherbehälter ist etwa 8,5 m lang und weist einen Durchmesser von etwa 2,5 m auf, sein Gesamtgewicht liegt bei etwa 25 bis 30 t. Der Speicherbehälter wird auf einem Sattelauflieger transportiert. Beim Ladevorgang (Desorption) wird das ursprünglich feuchte Sorptionsmittel getrocknet, indem bei der Müllverbrennungsanlage Hamm aus vorhandener Abwärme heiße Luft erzeugt und durch die Zeolith-Schüttung im Sorptionsspeicher geblasen wird. Dabei wird Wasser aus dem Zeolith ausgetrieben. Somit wird Energie (ca. 2 MWh je Ladevorgang) vom Zeolith im Speicherbehälter gespeichert.
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Beim Entladen des Sorptionsspeichers wird ein feuchter Luftstrom in den Speicherbehälter geleitet. Dabei wird Wasserdampf aus der Luft am Zeolith absorbiert. Die frei werdende Adsorptionswärme heizt die Luft auf, die aufgeheizte Luft gibt ihre Wärme wiederum an einen nachfolgenden Prozess ab. Die Wärme zum Laden des Speichers wird von der Müllverbrennungsanlage Hamm geliefert und in einer naheliegenden Kunststoffbehandlungsanlage genutzt. Die Standorte sind mit Stationen zum Laden und Entladen des mobilen Sorptionsspeichers ausgerüstet. Dabei sind die Standorte mit lufttechnischen Anlagen, bestehend aus Ventilatoren, Filtern und Wärmetauschern ausgerüstet. Der mobile Sorptionsspeicher mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist in Form einer schriftlichen Präsentation „Mobiler Wärmespeicher“, Stand ITAD, Messe IFAT Energie 7 - 11.2012 veröffentlicht worden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen mobilen Sorptionsspeicher zu schaffen, welcher den praktischen Anforderungen genügt und einen hohen Wirkungsgrad erreicht.
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Diese Aufgabe wird bei einem mobilen Sorptionsspeicher der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Festbettschüttung in einem ringförmigen Innenkörper aufgenommen ist, welcher außenseitig einen fluiddurchlässigen zylindrischen Außenmantel und innenseitig einen fluiddurchlässigen zylindrischen Innenmantel aufweist, wobei der zylindrische Außenmantel unter Ausbildung eines mit dem zweiten Leitungsanschluss in Fluidverbindung stehenden ringförmigen äußeren Strömungskanals im Abstand vom zylindrischen Außenbehälter angeordnet ist, und wobei der zylindrische Innenmantel einen inneren Strömungskanal umschließt, der mit dem ersten Leitungsanschluss in Fluidverbindung steht, wobei der ringförmige Innenkörper in mehrere, in Längsrichtung aneinander gereihte Innenkörpersegmente unterteilt ist, wobei wenigstens einige benachbarte Innenkörpersegmente jeweils über einen ringförmigen Längenkompensator miteinander verbunden sind.
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Im Rahmen des vorgenannten F & E-Projektes hat sich herausgestellt, dass ein solcher konstruktiver Aufbau die komplexe Problemstellung löst, Strömungsverhältnisse zu erreichen, die sowohl beim Laden des Speichers (axiale Einströmung der Luft und tangentiale Ausströmung) als auch beim Entladen des Speichers (tangentiale Einströmung der Luft und axiale Ausströmung) zu einer nahezu vollständigen Durchströmung der gesamten Festbettschüttung führt, so dass den Wirkungsgrad reduzierende Totzonen in der Schüttung vermieden werden können.
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Da in dem Sorptionsspeicher ohne weiteres Temperaturen von bis zu 300° C auftreten können (z.B. Zeolith als Sorptionsmittel), treten an den Stahlbauteilen innerhalb des Sorptionsspeichers beträchtliche Längenänderungen auf, welche im Bereich des ringförmigen Innenkörpers durch ringförmige Längenkompensatoren kompensiert werden können, um zu gewährleisten, dass sich das Volumen und insbesondere die Länge des ringförmigen Innenkörpers nicht verändert, damit die Festbettschüttung stabil bleibt und nicht einzelne Partikel sich gegeneinander bewegen können, wodurch die Partikel durch Reibung bzw. Scherung aneinander beeinträchtigt werden können, wodurch der Wirkungsgrad des Sorptionsspeichers verringert werden könnte bzw. das Sorptionsmittel teilweise sogar unbrauchbar werden könnte.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der Innenmantel und/ oder der Außenmantel von Lochblechen gebildet ist. Diese Lochbleche sind einerseits ausreichend luftdurchlässig, andererseits gewährleisten sie aber eine ausreichende Stabilität, um die Festbettschüttung im Innenkörper stabil zu halten.
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Um möglichst optimale Strömungsverhältnisse und eine vollständige Durchströmung der Festbettschüttung zu erreichen, ist bevorzugt vorgesehen, dass im inneren und im äußeren Strömungskanal Strömungsleitelemente vorgesehen sind.
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Dabei ist in ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass im inneren Strömungskanal ein sich über der gesamten Länge des inneren Strömungskanals erstreckendes, zentral angeordnetes konusförmiges Strömungsleitelement vorgesehen ist. Ausgehend vom axialen ersten Leitungsanschluss verringert sich somit die Querschnittsfläche des inneren Strömungskanales über seiner Länge, wobei je nach geometrischen Abmessungen (Länge und Durchmesser) des Speicherbehälters die Änderung der Querschnittsfläche unterschiedlich sein kann, d.h. die Steigung des konusförmigen Strömungsleitelementes kann über seiner Länge unterschiedlich sein.
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Dabei ist in bevorzugter weiterer Ausgestaltung vorgesehen, dass die dem ersten Leitungsanschluss abgewandte Stirnseite des Innenkörpers derart federbeaufschlagt ist, dass die gesamte Länge des Innenkörpers auch bei Temperaturänderungen gleich bleibt. Wenn sich aufgrund der Temperaturerhöhung die Innenkörpersegmente in ihrer Länge ausdehnen, wird eine Gesamtlängenausdehnung des Innenkörpers durch die Federbeaufschlagung der Stirnseite des Innenkörpers verhindert, die federbeaufschlagte Stirnseite drückt dann bei einer Längenausdehnung die Innenkörpersegmente in die ringförmigen Längenkompensatoren derart zusammen, dass sich die Gesamtlänge des ringförmigen Innenkörpers nicht verändert, d.h. das Innenvolumen des Innenkörpers bleibt gleich und die Partikel des Sorptionsmittels verbleiben im Wesentlichen stationär.
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Um die Federbeaufschlagung der Stirnseite des Innenkörpers zur realisieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Federbeaufschlagung mehrere Druckfedern vorgesehen sind, die an der stirnseitigen Außenseite des Außenbehälters angeordnet und an dieser abgestützt sind. Die Druckfedern sind somit außenseitig am Außenbehälter angeordnet und werden dadurch im Wesentlichen nicht durch eine Temperaturerhöhung im ringförmigen Innenkörper beeinflusst. Sie sind darüber hinaus durch diese Anordnung an der Außenseite des Außenbehälters für etwaige Wartungs- oder Einstellarbeiten zugänglich.
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Dabei ist die Vorspannung der Druckfedern vorzugsweise einstellbar ausgebildet, um den Sorptionsspeicher an unterschiedliche Einsatzzwecke sowie an die Längenänderung des zylindrischen Außenmantels anpassen zu können.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
- 1 einen Längsschnitt durch einen mobilen Sorptionsspeicher,
- 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in 1,
- 3 einen Schnitt gemäß der Linie III-III in 1,
- 4 eine perspektivische Ansicht des zylindrischen Außenbehälters des Sorptionsspeichers,
- 5 eine Seitenansicht des ringförmigen Innenkörpers des Sorptionsspeichers,
- 6 den Innenkörper nach 5 in perspektivischer Ansicht,
- 7 ein vergrößertes Detail VII in 1 in einer ersten Druckfederlage und
- 8 das vergrößerte Detail nach 7 in einer zweiten Druckfederlage.
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Ein mobiler Sorptionsspeicher ist in 1 allgemein mit 1 bezeichnet. Dieser mobile Sorptionsspeicher 1 weist einen zylindrischen Speicherbehälter 2 auf, der im Wesentlichen von einem zylindrischen Außenbehälter 3 und einem ringförmigen Innenkörper 4 gebildet ist. Der zylindrische Außenbehälter 3 ist von einer nicht näher dargestellten zylindrischen Wärmeisolierschicht umgeben.
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Der ringförmige Innenkörper 4 und der zylindrischen Außenbehälter 3 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Dabei ist die umlaufende Wandung des zylindrischen Außenbehälters 3 fluiddicht geschlossen, während der ringförmige Innenkörper 4 außenseitig einen fluiddurchlässigen zylindrischen Außenmantel 5 und innenseitig einen fluiddurchlässigen zylindrischen Innenmantel 6 aufweist. Dabei sind vorzugsweise der Außenmantel 5 und der Innenmantel 6 von einer Vielzahl von miteinander verbundenen Lochblechen gebildet. Der zylindrische Außenmantel 5 des ringförmigen Innenkörpers 4 ist im Abstand zum zylindrischen Außenbehälter 3 unter Ausbildung eines ringförmigen äußeren Strömungskanales 7 angeordnet, während der zylindrische Innenmantel 6 des ringförmigen Innenkörpers 4 einen inneren rohrförmigen Strömungskanal 8 umschließt.
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In einer Stirnseite 9 des Innenkörpers 4 ist ein axialer erster Leitungsanschluss 10 vorgesehen, der mit dem inneren Strömungskanal 8 in Fluidverbindung steht.
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Dieser erste Leitungsanschluss 10 ist mit einem Flanschdeckel 11 oder dgl. dicht verschließbar.
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Im Bereich des dem ersten Leitungsanschluss 10 abgewandten Endes ist im zylindrischen Außenbehälter 3 wenigstens ein tangentialer zweiter Leitungsanschluss 12 vorgesehen, welcher mit dem äußeren Strömungskanal 7 in Fluidverbindung steht und mit einem Deckel, insbesondere einem Flanschdeckel 13, verschließbar ist. Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, weist beim Ausführungsbeispiel der mobile Sorptionsspeicher 2 verschließbare tangentiale zweite Leitungsanschlüsse 12 auf.
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Im ringförmigen Innenraum 14 des ringförmigen Innenkörpers 4 ist eine nicht dargestellte Festbettschüttung aus eine Wärme speichernden Sorptionsmittel, vorzugsweise ein Zeolith aufgenommen. Dabei ist der gesamte Innenraum 14 des Innenkörpers 4 mit dem Zeolith ausgefüllt.
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Sowohl im inneren Strömungskanal 8 als auch im äußeren Strömungskanal 7 sind Strömungsleitelemente angeordnet. Im inneren Strömungskanal 8 ist ein sich im Wesentlichen über der gesamten Länge des inneren Strömungskanales 8 erstreckendes, zentral angeordnetes konusförmiges Strömungsleitelement 15 vorgesehen. Durch dieses Strömungsleitelement 15 wird gewährleistet, dass beim Beladen des Sorptionsspeichers 1 mit trockener heißer Luft, welche durch den ersten Leitungsanschluss 10 zugeführt wird, die Luft gleichmäßig die gesamte Zeolith-Festbettschüttung innerhalb des ringförmigen Innenkörpers 4 durchströmt und anschließend in den äußeren Strömungskanal 7 gelangt und durch den zweiten Leitungsanschluss 12 als feuchte Luft austritt. Entlang der Länge des konusförmigen Strömungsleitelementes 15 verändert sich dessen Steigung, um eine gleichmäßige Durchströmung der Schüttung zu erreichen.
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Zusätzlich sind am Beginn des inneren Strömungskanales 8 angrenzend an den Leitungsanschluss 10 auf dem konusförmigen Strömungsleitelement 15 noch zwei oder mehr ringförmige Strömungsleitelemente 16 angeordnet.
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Um auch eine einwandfreie Durchströmung der Festbett-Zeolith-Schüttung in Gegenrichtung bei der Einleitung von feuchter Luft durch den zweiten Leitungsanschluss 12 zu gewährleisten, sind auch im äußeren Strömungskanal 7 Strömungsleitelemente angeordnet, die dafür sorgen, dass die axial durch den Strömungskanal fließende Luft gleichmäßig radial nach innen in die Festbettschüttung geleitet wird. Dabei sind angrenzend an den zweiten Leitungsanschluss 12 ringförmige bzw. konusförmige Strömungsleitelemente 17 beabstandet voneinander am Außenmantel 5 des ringförmigen Innenkörpers 4 angeordnet. Angrenzend daran in Richtung zum ersten Leitungsanschluss 10 sind am Innenumfang des zylindrischen Außenbehälters 3 teilzylinderförmige Strömungsleitelemente 18 vorgesehen. Ferner sind an der Stirnseite 9 innenseitig umlaufend Leitelemente 19 angeordnet. Durch diese Gestaltung strömt feuchte Luft, die durch den zweiten Leitungsanschluss 12 tangential in den Sorptionsspeicher 1 eingeleitet wird, zunächst in den äußeren Strömungskanal 7 und über die verschiedenen Leitelemente 17, 18, 19 durch die Zeolith-Festbettschüttung in den inneren Strömungskanal 8 und durch den ersten Leitungsanschluss 10 wieder als heiße trockene Luft aus dem mobilen Sorptionsspeicher 1 heraus.
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Bei Betrieb des mobilen Sorptionsspeichers mit Zeolithen als Sorptionsmittel können im Sorptionsspeicher 1 Temperaturen von durchaus bis zu 300° C entstehen, was zu beträchtlichen Längenänderungen der Stahlmaterialien des Außenbehälters 3 und insbesondere auch des Innenkörpers 4 führt. Diese Längenänderungen erfolgen im Wesentlichen in axialer Richtung und würden dazu führen, dass sich das Volumen des Innenraumes 14 des ringförmigen Innenkörpers 4 vergrößern würde, so dass sich die Partikel der Zeolith-Schüttung gegeneinander bewegen könnten, was zur Beeinträchtigung derselben durch Scherung oder Reibung oder dgl. führen könnte. Da dies zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Sorptionsspeichers 1 führen könnte, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass auch bei einer Temperaturänderung sich die Gesamtlänge des ringförmigen Innenkörpers 4 nicht verändert. Dazu ist der ringförmige Innenkörper 4 beim Ausführungsbeispiel in fünf Innenkörpersegmente 4a, 4b, 4c, 4d, 4e unterteilt. Die einzelnen, jeweils benachbarten Innenkörpersegmente 4a bis 4e sind über spinnennetzartige Stabilisierungsringe 20 miteinander verbunden, die zur Zentrierung des Innenkörpers 4 im Außenbehälter 3 umlaufend mit Abstandhaltern 35 versehen sind. Angrenzend an den Stabilisierungsring 20 zwischen den Innenkörpersegmenten 4a und 4b ist jeweils ein ringfederartiger Längenkompensator 21 angeordnet, genauso wie zwischen den beiden Innenkörpersegmenten 4c und 4d. Schließlich ist zwischen dem Innenkörpersegment 4d und dem Innenkörpersegment 4e ein weiterer einzelner ringfederartiger Längenkompensator 21 angeordnet. Wenn sich nun aufgrund der Temperaturerhöhung jedes Innenkörpersegment 4a bis 4e in Längsrichtung ausdehnt, kann bei feststehender Stirnseite 9 und in nachfolgend näher beschriebener Weise feststehend in gleichbleibendem Abstand zur Stirnseite 9 gehaltener zweiter Stirnseite 22 des Innenkörpers 4 die axiale Verlängerung der Innenkörpersegmente 4a bis 4e durch den jeweils zugeordneten Längenkompensator 22 aufgenommen werden (die Längenkompensatoren 22 werden also axial zusammengedrückt), d.h. die Gesamtlänge des Innenkörpers 4 verändert sich nicht, so dass auch das Volumen des die Festbettschüttung aufnehmenden Innenraumes 14 unverändert bleibt.
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Um die Stirnseite 22 des Innenkörpers 4 ortsfest zu halten, ist die dem ersten Leitungsanschluss 10 abgewandte Stirnseite 22 des Innenkörpers 4 federbeaufschlagt. Dazu sind mehrere Druckfedern 23 vorgesehen, die an der stirnseitigen Außenseite 24 des Außenbehälters 3 angeordnet und an dieser abgestützt sind, wie am besten in den 7 und 8 zu erkennen ist.
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Dazu ist die jeweilige Druckfeder 23 zwischen Platten 25, 26 eingeklemmt, welche über Zuganker 27 im Abstand zueinander verstellbar miteinander verbunden bzw. verspannt sind. Durch Verstellen von auf den Zugankern 27 angeordneten Stellmuttern 28 ist es möglich, den Abstand der Platten 25 und 26 von der entspannten Lage gemäß 7 in eine gespannte Lage der Druckfedern 23 gemäß 8 zu verändern. Die Zuganker 27 sind am anderen Ende fest mit der stirnseitigen Außenseite 24 des Außenbehälters 3 verbunden. Die beiden Druckplatten 25, 26 weisen in Richtung zur jeweiligen Druckfeder 23 jeweils einen rohrförmigen Ansatz 25a, 26a auf, die das jeweilige Federende aufnehmen. Die innere Druckplatte 25 liegt jeweils an einem Druckbolzen 29 an, der in Längsrichtung verschiebbar in einer Ausnehmung 30 der stirnseitigen Außenseite 24 des Außenbehälters 3 geführt ist und mit der Stirnseite 22 des Innenkörpers 4 verbunden ist. Am Umfang des Innenkörpers 4 sind eine Mehrzahl solcher Druckbolzen 29 mit Druckfedern 23 vorzugsweise symmetrisch verteilt angeordnet. Durch Einstellung des Federweges der Druckfedern 23 über die Zuganker 27 ist es somit möglich, eine Druckkraft einzustellen, die dafür sorgt, dass bei einer Längenänderung der Innenkörpersegmente 4a bis 4b diese entsprechend in die Längenkompensatoren 21 gedrückt werden, so dass sich die Gesamtlänge des Innenkörpers 4 nicht verändert.
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Die jeweilige Druckfeder 23 mit Zugankern 27 und Druckplatten 25, 26 ist außenseitig von einem hülsenförmigen Gehäuse 31 umgeben, das von der Außenseite des Sorptionsspeichers 1 abgenommen werden kann, so dass jede Druckfeder 23 von außen zugänglich ist und ggf. bei veränderten Bedingungen in ihrer Vorspannung nachgestellt werden kann. Ferner ist durch die Anordnung der Druckfedern 23 an der Außenseite gewährleistet, dass diese kaum Temperaturschwankungen unterworfen sind.
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Zum Transport des mobilen Sorptionsspeichers ist dieser, wie in 1 dargestellt, auf einem Sattelauflieger 32 angeordnet. Zur Befestigung an dem Sattelauflieger 32 weist der Sorptionsspeicher 1 (siehe 4) unterseitig einen Fußbereich 33 sowie Füße 34 auf. Der Fußbereich 33 wird fest mit dem Sattelauflieger 32 verbunden, die Füße 34 sind auf dem Sattelauflieger 32 nur geführt, um Längenänderungen aufgrund von Temperaturerhöhungen im Sorptionsspeicher 1 gegenüber dem Sattelauflieger ausgleichen zu können, denn, wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, ist eine Längenkompensation beim zylindrischen Außenbehälter 3 nicht vorgesehen und auch nicht notwendig, d.h. dieser dehnt sich in Längsrichtung bei Temperaturerhöhung aus.
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Natürlich ist die Erfindung nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Weiterer Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Grundgedanken zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mobiler Sorptionsspeicher
- 2
- zylindrischer Speicherbehälter
- 3
- zylindrischer Außenbehälter
- 4
- ringförmiger Innenkörper
- 4a bis 4e
- Innenkörpersegmente
- 5
- fluiddurchlässiger zylindrischer Außenmantel
- 6
- fluiddurchlässiger zylindrischer Innenmantel
- 7
- ringförmiger äußerer Strömungskanal
- 8
- innerer Strömungskanal
- 9,22
- Stirnseiten
- 10
- axialer erster Leitungsanschluss
- 11, 13
- Flanschdeckel
- 12
- tangentialer zweiter Leitungsanschluss
- 14
- Innenraum
- 15
- konusförmiges Strömungsleitelement
- 16 bis 19
- Strömungsleitelemente
- 20
- Stabilisierungsrahmen
- 21
- Längenkompensator
- 23
- Druckfeder
- 24
- stirnseitige Außenseite
- 25, 26
- Platte
- 25a, 26a
- rohrförmiger Ansatz
- 27
- Zuganker
- 28
- Stellmuttern
- 29
- Druckbolzen
- 30
- Ausnehmung
- 31
- hülsenförmiges Gehäuse
- 32
- Sattelauflieger
- 33
- Fußbereich
- 34
- Füße
- 35
- Abstandhalter
