DE102015212406A1

DE102015212406A1 - Vorrichtung zur Wärmespeicherung

Info

Publication number: DE102015212406A1
Application number: DE102015212406.1A
Authority: DE
Inventors: Daniel Assenbaum
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-01-05

Abstract

Zur Wärmespeicherung ist ein Reaktor (1) mit einem Stoff (11) vorgesehen, der ein Fluid unter Freisetzung von Wärme aufnimmt und es bei Wärmezufuhr wieder abgibt, ferner ein Vorratsbehälter (2), der das von dem Reaktor (1) abgegebene Fluid aufnimmt, sowie ein Wärmetauscher (4), mit dem die durch die Aufnahme des Fluid durch den Stoff (11) freigesetzte Wärme aus dem Reaktor (1) abgeführt und die Wärme zur Abgabe des von dem Stoff (11) aufgenommenen Fluids dem Reaktor (1) von einer Wärmequelle zugeführt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Wärmespeicherung, insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren.
Herkömmliche Pkws mit stark optimierten Verbrennungsmotoren weisen einen mechanischen Wirkungsgrad von günstigstenfalls ca. 38% auf. Das heißt, dass lediglich 38% der chemisch im Kraftstoff enthaltene Energie in Vortriebsarbeit umgewandelt wird. Die verbleibende Energiemenge (bestenfalls 62%, meist mehr) geht in Form von Wärme (auch über Reibung) verloren und wird als solche fast vollständig (mit Ausnahmeder Wärme, die zur Innenraumklimatisierung genutzt wird) an die Umgebung über das Kühlsystem oder das Abgas abgegeben. In der Gesamtbilanz des eingesetzten Kraftstoffs werden folglich fast 2/3 der chemisch enthaltenen Energie durch die Abgabe der Wärme an die Umgebung nicht genutzt. Fokus aktueller Forschungen ist es, diese Wärme mit Hilfe von Wärmespeichersystemen nutzbar zu machen.
Eine Möglichkeit zur Wiederverwertung gespeicherter Wärme ist das Vorheizen des Motors vor dem Start mit dem Ziel, Reibungs- und Schmierverluste zu minimieren. Diese Methode wird als Warmstart bezeichnet. Im Gegensatz zum Kaltstart, bei dem der an der Umgebungsluft ausgekühlte Motor direkt gestartet und unter Last betrieben wird, weist ein vorgewärmter Motor einen deutlich verminderten CO₂-Ausstoß auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Wärmespeicherung hoher Effizienz insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren bereit zu stellen.
Dies wird erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Reaktor auf, der einen Stoff enthält, der ein Fluid unter Freisetzung von Wärme aufnimmt und das Fluid bei Wärmezufuhr wieder abgibt. Der Stoff wird vorzugsweise durch ein Salz gebildet und das Fluid durch eine polare Flüssigkeit, insbesondere Wasser, die bzw. das sich in das Kristallgitter des Salzes z. B. als Hydrat reversibel einlagert.
Das Salz weist als Kation vorzugsweise ein Metall der ersten oder zweiten Gruppe des Periodensystems oder das Kation eines Übergangsmetalls auf. Das Anion des Salzes kann z. B. Chlorid, Sulfat oder Phosphat sein.
Das heißt, erfindungsgemäß kann der Stoff z. B. ein Salz-Anhydrat sein, das unter Freisetzung von Wärme Wasser aufnimmt, um ein Hydrat zu bilden, das bei Wärmezufuhr das Wasser unter Rückbildung das Anhydrats wieder abgibt.
An den Reaktor ist ein Vorratsbehälter angeschlossen, der das von dem Stoff in dem Reaktor, also z. B. dem Salz-Hydrat bei der Wärmezufuhr abgegebene Fluid, bei einem Hydrat, also Wasser, aufnimmt.
Der Stoff kann zudem nicht nur ein Salz sondern z. B. auch ein organischer Stoff sein, an den sich ein anderer organischer Stoff oder Wasser als Fluid unter Freisetzung von Wärme anlagert und bei Wärmezufuhr wieder verdampft.
In dem Vorratsbehälter wird das Fluid, also z. B. Wasser solange aufbewahrt, bis durch Zufuhr des Fluids aus dem Vorratsbehälter in den Reaktor der Stoff in dem Reaktor durch Aufnahme des Fluids, also z. B. Einlagern des Wasser, Wärme freisetzen soll.
Zur Steuerung der in dem Reaktor freigesetzten Wärme durch die Menge des aus dem Vorratsbehälter dem Stoff in dem Reaktor zugeführten Fluids ist der Vorratsbehälter mit dem Reaktor über ein Absperrorgan, beispielsweise ein Ventil, verbunden.
Damit kann die Menge des Fluids (z. B. Wasser), das dem Stoff (z. B. Salz-Anhydrat) in dem Reaktor zugeführt wird, und somit die in dem Reaktor z. B. durch die Hydrat-Bildung freigesetzte Wärme gesteuert werden.
Falls das Fluid bei seiner Abgabe aus dem Stoff im gasförmigem Zustand vorliegt, wird das Gas vorzugsweise abgekühlt und verflüssigt, so dass es in dem Vorratsbehälter als Flüssigkeit vorliegt.
Die Wärme, die dem Stoff, also z. B. dem Hydrat, zugeführt wird, damit er das Fluid, also z. B. das Wasser, abgibt, wird von einer Wärmequelle zugeführt, während die Wärme, die in dem Reaktor freigesetzt wird, wenn der Stoff in dem Reaktor mit dem Fluid, also z. B. das Anhydrat mit Wasser zu dem Salz-Hydrat umgesetzt wird, mit einem Wärmetauscher abgeführt wird.
Der Wärmetauscher ist vorzugsweise in dem Reaktor angeordnet und dazu vorteilhaft vollständig von dem Stoff umgeben, der das Fluid unter Freisetzung von Wärme aufnimmt und es bei Wärmezufuhr wieder abgibt, also z. B. dem Anhydrat bzw. Hydrat eines Salzes.
Vorzugsweise ist beispielsweise oberhalb des Wärmetauschers in dem Reaktor ein freies Volumen zum Ausgleich der Volumenvergrößerung vorgesehen, die durch Aufnahme des Fluids durch den Stoff, also z. B. des Wasser durch das Salz-Anhydrat entsteht.
Der Vorratsbehälter ist vorzugsweise oberhalb des Reaktors angeordnet, so dass das in dem Vorratsbehälter enthaltene Fluid beim Öffnen des Absperrorgans durch Schwerkraft in den darunter befindlichen Reaktor fließen kann.
Der Wärmetauscher weist vorzugsweise zwei Anschlüsse auf, die aus dem Reaktor herausführen. Durch den einen Anschluss kann ein kaltes Wärmetauschermedium, vorzugsweise eine Flüssigkeit, z. B. durch Pumpen zugeführt werden, das in dem Wärmetauscher durch die mit dem Stoff durch Aufnahme des Fluids im Reaktor freigesetzte Wärme erwärmt wird. Mit dem zweiten Anschluss wird das erwärmte Wärmetauschermediums einem Abnehmer zugeführt.
Stattdessen kann mit dem einen Anschluss ein erwärmtes Wärmetauschermedium von einer Wärmequelle zugeführt werden, um den Stoff in dem Reaktor die erforderliche Wärme zuzuführen, dass er das Fluid wieder abgibt, also z. B. aus einem Salz-Hydrat das Anhydrat unter Wasserabspaltung zurück gebildet wird, wobei das abgekühlte Wärmetauschermedium dann über den zweiten Anschluss abgeführt wird.
Das Wärmetauschermedium wird vorzugsweise durch Motoröl gebildet, und zwar durch das Motoröl eines Verbrennungsmotors, insbesondere des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, der die Wärmequelle bildet, damit der Stoff das Fluid (z. B. Wasser) abgibt.
Die Wärme, die durch die Aufnahme des Fluids (z. B. Wasser) durch den Stoff in dem Reaktor freigesetzt wird, kann insbesondere zum Vorheizen des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges eingesetzt werden.
Das kalte Motoröl wird dem Verbrennungsmotor beispielsweise über den einen Anschluss des Wärmetauschers zugeführt und über den zweiten Anschluss das erwärmte Motoröl dem Verbrennungsmotor.
Bei einem ölgekühlten Vorbrennungsmotor wird deshalb ein Stoff (z. B. Salz-Hydrat) verwendet, welches das Fluid (z. B. Wasser) bei einer Temperatur abgibt, die höchstens der Betriebstemperatur des Motors entspricht.
Aufgrund der erhöhten Temperatur des Öls wird die Schmierung des Motors wesentlich verbessert und die Reibung entsprechend deutlich herabgesetzt. Gleichzeitig wird Wärme von dem Motoröl an den kalten Motor abgegeben, wodurch sich dieser schneller erwärmt. Diese Effekte vermindern erheblich den Kraftstoffverbrauch. Die Zufuhr von Motoröl zu dem Wärmetauscher wird abgeschalten, sobald die zur Motorölerwärmung erforderliche Wärme mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgebracht worden ist.
Nachdem der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird das aus dem Motor austretende warme Motoröl wieder durch den Wärmetauscher gepumpt. Auf diese Weise wird aus dem Stoff das Fluid z. B. aus dem Salz-Hydrat das Wasser ausgetrieben und das Salz getrocknet. Dabei geht das Fluid bzw. Wasser in den gasförmigen Zustand über und entweicht über das offene Absperrorgan in den Vorratsbehälter. Im Vorratsbehälter kühlt sich das Fluid bzw. Wasser an der Wandung ab und kondensiert. Anschließend wird das Ventil geschlossen und das Motoröl nicht weiter durch den Wärmetauscher gepumpt.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass beispielsweise das Salz nicht vollständig getrocknet werden muss. Ein nur teilweise getrocknetes Salz führt zwar im Folgestart zu einer geringeren Vorerwärmung, jedoch kann die Vorrichtung damit bereits bei kurzen Fahrstrecken wirksam eingesetzt werden, das heißt, auch bei kurzen Fahrten mit dem Kraftfahrzeug wird eine wesentliche Reduktion des Kraftstoffverbrauchs erzielt.
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher über eine Bypass-Leitung an die Ölkühlung des Verbrennungsmotors angeschlossen.
Wird eine Wärmetauscherflüssigkeit eingesetzt, kann die Wärme aus dem Reaktor auch an andere Abnehmer in dem Fahrzeug verteilt werden. So ist es beispielsweise möglich die Wärme über einen Flüssigkeit-Luftwärmetauscher an das System zur Vorheizung des Fahrgastraumes abzugeben. Auf diese Weise ist eine energieneutrale (keine Verwendung von Batterie/Strom/Standheizung sondern lediglich aus der gespeicherten Abwärme der vorangegangenen Fahrt!) Vorheizung des Fahrgastinnenraumes vor dem eigentlichen Motorstart möglich.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Effizienz des genutzten Kraftstoffs wesentlich erhöht und das Kaltstartverhalten deutlich verbessert.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
Danach weist die Vorrichtung einen Reaktor 1, einen Vorratsbehälter 2, der mit dem Reaktor 1 durch ein Absperrorgan 3, z. B. ein Ventil, verbunden ist und einen Wärmetauscher 4 mit zwei Anschlüssen 5 und 6 mit z. B. als Ventil ausgebildeten Absperrorganen 7 und 8 auf, wobei an den Anschluss 5 eine Zufuhrleitung 9 für das Motoröl des nicht dargestellten Verbrennungsmotors und an den Anschluss 6 die Rückführleitung 10 für das Motoröl zu dem Verbrennungsmotor angeschlossen sind.
Der Reaktor 1 ist mit einem Stoff 11, beispielsweise einem Salz-Anhydrat, befüllt, der ein Fluid, beispielsweise Wasser, unter Freisetzung von Wärme aufnimmt. Der Wärmetauscher 4 ist vollständig von dem Stoff 11 bzw. Salz umgeben.
Zum Ausgleich der Volumenänderung des Stoffs 11 durch die Fluid- bzw. Wasseraufnahme ist in dem Reaktor 1 oberhalb des Wärmetauschers 4 ein Freiraum 12 vorgesehen.
Der Vorratsbehälter 2 ist oberhalb des Reaktors 1 angeordnet, so dass sich das darin befindliche Fluid bzw. Wasser bei Öffnen des Absperrorgans 3 allein durch die Schwerkraft in den darunter befindlichen Reaktor 1 fließen kann.
Das heißt, wenn der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur erreicht, wird z. B. über die Leitung 9 und den Anschluss 5 das warme Motoröl dem Wärmetauscher 4 zugeführt. Falls der Stoff 11 in dem Reaktor ein Salz-Hydrat ist, gibt er durch die zugeführte Wärme unter Bildung des Anhydrats Waser ab, das bei geöffnetem Ventil 3 von dem Vorratsbehälter 2 aufgenommen wird. Das abgekühlte Motoröl strömt über den Anschluss 6 und die Leitung 10 zur Ölkühlung des Motors zurück. Das Ventil 3 wird anschließend geschlossen.
Bei einem Kaltstart wird das Ventil 3 geöffnet, wodurch das Wasser in dem Vorratsbehälter 2 mit dem als Anhydrat vorliegenden Stoff 11 zum Hydrat umgesetzt wird. Die dadurch freigesetzte Wärme wird dem kalten Motor über den Wärmetauscher 4, den Anschluss 6 und die Leitung 10 zum Vorheizen zugeführt.
Der Reaktor 1 ist vorzugsweise mit einem wärmeisolierenden Material ummantelt und so in Nähe des Motors eingebaut, dass die Leitungslängen zwischen Reaktor 1 und Motor möglichst kurz sind. Durch die erwähnte Bypass-Leitung wird erreicht, dass bei Nichtverwendung die Vorrichtung diese nicht mit dem Wärmetauschermedium bzw. Motoröl durchströmt werden muss, so dass die Pumpenleistung entsprechend geringer ausfällt.

Claims

Vorrichtung zur Wärmespeicherung, gekennzeichnet durch einen Reaktor (1), der einen Stoff (11) enthält, der ein Fluid unter Freisetzung von Wärme aufnimmt und das Fluid bei Wärmezufuhr wieder abgibt, einen Vorratsbehälter (2) zur Aufnahme des von dem Stoff in dem Reaktor (1) bei Wärmezufuhr abgegebenen Fluids, und einen Wärmetauscher (4), mit dem die durch die Aufnahme des Fluids durch den Stoff (11) freigesetzte Wärme aus dem Reaktor (1) abgeführt und die Wärme zur Abgabe des von dem Stoff (11) aufgenommenen Fluids dem Reaktor (1) von einer Wärmequelle zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid bei Abgabe im gasförmigem Zustand von dem Reaktor (1) in dem Vorratsbehälter (2) abgekühlt wird und verflüssigt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der in dem Reaktor (1) freigesetzten Wärme durch die Menge des aus dem Vorratsbehälter dem Stoff (11) in den Reaktor (1) zugeführten Fluids der Vorratsbehälter (2) mit dem Reaktor (1) über ein Absperrorgan (3) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) in dem Reaktor (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle, von der die Wärme dem Reaktor (1) zur Abgabe des Fluids in den Vorratsbehälter (2) zugeführt wird, durch einen Verbrennungsmotor gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Aufnahme des Fluids durch den Stoff (11) freigesetzte Wärme mit dem Wärmetauscher (4) an den Verbrennungsmotor zum Vorheizen zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungsmedium des Wärmetauschers (4) durch das Motoröl des Verbrennungsmotors gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) über eine Bypass-Leitung an die Ölkühlung des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff (11), der das Fluid unter Freisetzung von Wärme aufnimmt, durch ein Salz gebildet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid durch Wasser gebildet wird.