DE102016110062B3 - Reactor for a storage material which absorbs or releases heat with absorption or desorption of a reaction gas, preferably for a metal hydride, process for its production and use as well as filling device - Google Patents
Reactor for a storage material which absorbs or releases heat with absorption or desorption of a reaction gas, preferably for a metal hydride, process for its production and use as well as filling device Download PDFInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für ein Speichermaterial, umfassend einen insbesondere gelöteten Plattenwärmeübertrager (1), der eine Anzahl von zueinander zumindest im Wesentlichen parallelen Platten (3) aufweist, zwischen denen Spaltkanäle (4) definiert sind, wobei die Spaltkanäle (4) in eine Gruppe primärer Spaltkanäle (4a), die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen einen primären Strömungskanal bilden, und eine Gruppe sekundärer Spaltkanäle (4b), die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen einen sekundären Strömungskanal bilden, unterteilt sind, und wobei die primären Spaltkanäle (4a) und die sekundären Spaltkanäle (4b) miteinander abwechselnd angeordnet sind, und wobei die primären oder die sekundären Spaltkanäle (4a, 4b) zumindest teilweise mit einem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, bevorzugt einem Metallhydrid, befüllt sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reaktors sowie dessen Verwendung und eine Befüllvorrichtung (8).The invention relates to a reactor for a storage material, comprising a particular soldered plate heat exchanger (1) having a number of mutually at least substantially parallel plates (3), between which gap channels (4) are defined, wherein the gap channels (4) in a Group of primary gap channels (4a), which are fluidly connected in parallel and together form a primary flow channel, and a group of secondary split channels (4b), which are fluidly connected in parallel and together form a secondary flow channel, and wherein the primary gap channels (4a ) and the secondary gap channels (4b) are arranged alternately with each other, and wherein the primary or the secondary gap channels (4a, 4b) at least partially with a granular, in particular powdered storage material, which absorbs heat absorption or desorption of a reaction gas, preferably a metal ydrid, are filled. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a reactor and its use and a filling device (8).
Description
Die Erfindung betrifft einen Reaktor für ein Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, bevorzugt für ein Metallhydrid, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reaktors sowie dessen Verwendung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Befüllvorrichtung.The invention relates to a reactor for a storage material which absorbs or releases heat by absorption or desorption of a reaction gas, preferably a metal hydride, a process for producing such a reactor, and the use thereof. Moreover, the invention relates to a filling device.
Die Fahrzeuginnenraumklimatisierung stellt insbesondere im Bereich der Elektromobilität eine große Herausforderung dar. Dabei besteht einerseits die Problematik, dass durch den Einsatz konventionell elektrisch betriebener Klimaanlagen die Reichweite der Fahrzeuge, insbesondere um 35% bis 50%, reduziert werden kann. Zum anderen erfordern die konventionellen Klimaanlagen den Einsatz umweltschädliche und teilweise sogar giftiger Kältemittel. Im Lichte dessen besteht ein Bedarf an alternativen Klimatisierungstechnologien, die vor allem in Elektro- beziehungsweise Hybridfahrzeugen aber beispielsweise auch in Fahrzeugen mit konventionellen Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen können.Vehicle interior air conditioning presents a major challenge, in particular in the field of electromobility. On the one hand, there is the problem that the use of conventionally electrically operated air conditioning systems can reduce the range of the vehicles, in particular by 35% to 50%. On the other hand, the conventional air conditioning systems require the use of environmentally harmful and sometimes even toxic refrigerants. In light of this, there is a need for alternative air conditioning technologies that can be used primarily in electric or hybrid vehicles but also, for example, in vehicles with conventional internal combustion engines.
Die Verwendung von Speichermaterialien, welche unter Absorption beziehungsweise Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnehmen beziehungsweise abgeben, insbesondere die Verwendung von Metallhydriden, stellt einen vielversprechenden Ansatz in diesem Zusammenhang dar. Das Reaktionsgas wird dabei in der Regel in einer exothermen Reaktion reversibel in das Speichermaterial gebunden. Der Klimatisierungseffekt basiert dann auf der endothermen Rückreaktion unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung. Der Antrieb derartiger Systeme erfolgt bei den sogenannten geschlossenen Systemen durch eine Wärmequelle und bei offenen Systemen durch eine Druckdifferenz.The use of storage materials which absorb or release heat by absorption or desorption of a reaction gas, in particular the use of metal hydrides, represents a promising approach in this context. The reaction gas is usually reversibly bound in an exothermic reaction into the storage material. The air conditioning effect is then based on the endothermic reverse reaction with heat absorption from the environment. The drive of such systems takes place in the so-called closed systems by a heat source and in open systems by a pressure difference.
Als Beispiel für solche Speichermaterialien seien Metallhydride genannt, die insbesondere zusammen mit Wasserstoff als Reaktionsgas zum Einsatz kommen, wobei der gasförmige Wasserstoff in exothermer Reaktion reversibel in ein Metall gebunden wird und der Klimatisierungseffekt auf der endothermen Rückreaktion des entstandenen Metallhydrids unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung erfolgt.As an example of such storage materials, metal hydrides may be mentioned which are used in particular together with hydrogen as the reaction gas, wherein the gaseous hydrogen is reversibly bound in a metal in an exothermic reaction and the air conditioning effect on the endothermic back-reaction of the resulting metal hydride takes place while absorbing heat from the environment.
Systeme zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums auf Metallhydrid-Basis sind beispielsweise aus der
Es hat sich jedoch gezeigt, dass einen Kernaspekt der Klimatisierung auf Basis von Speichermaterialien, insbesondere Metallhydriden, die Bereitstellung geeigneter Reaktoren darstellt, die einerseits das Speichermaterial beinhalten, welchem für die Reaktion das Reaktionsgas zuzuführen bzw. von welchem das Reaktionsgas abzuführen ist, und andererseits den Wärmetransport von einem bzw. auf ein Wärmeträgerfluid ermöglichen. Um möglichst hochleistungsfähige und sichere Systeme zu entwickeln, sind bei dem Design der Reaktoren vor allem zwei Aspekte zu berücksichtigen.However, it has been found that a core aspect of air conditioning based on storage materials, in particular metal hydrides, is the provision of suitable reactors, which on the one hand contain the storage material to which the reaction gas is to be supplied for the reaction or from which the reaction gas has to be removed, and on the other hand Allow heat transfer from or to a heat transfer fluid. In order to develop systems that are as efficient and safe as possible, two aspects have to be considered when designing the reactors.
Einerseits haben die Speichermaterialien, insbesondere Metallhydride, eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 W/mK, weshalb in kompakten Systemen mit einer hohen spezifischen Leistung, insbesondere in Hinblick auf den mobilen Einsatz, möglichst kurze Transportwege von dem Speichermaterial-Reaktionsbett auf das Wärmeträgerfluid realisiert werden sollten. Das Speichermaterial, insbesondere Metallhydrid dehnt sich jedoch während der Reaktion, insbesondere Hydrierung aus, was mit diesem Designmerkmal im Zielkonflikt steht. Die Ausdehnung kann dabei im Bereich von 10% bis 35% liegen. Infolgedessen wirken vergleichsweise große Kräfte auf die Reaktorwandung und resultierende Spannungen können zu einer Verformung und gegebenenfalls zu einer Beschädigung des Reaktors beziehungsweise eines diesen umfassenden Gesamtsystems führen. Hiermit kann der Austritt des Reaktionsgases, insbesondere Wasserstoffs und somit eine potenzielle Gefährdung der Umgebung einhergehen.On the one hand, the storage materials, in particular metal hydrides, have a comparatively low thermal conductivity of about 1 W / mK, which is why, in compact systems with a high specific power, in particular with regard to mobile use, the shortest possible transport paths from the storage material reaction bed to the heat transfer fluid are realized should. However, the storage material, in particular metal hydride, expands during the reaction, in particular hydrogenation, which conflicts with this design feature. The extent may be in the range of 10% to 35%. As a result, comparatively large forces act on the reactor wall and resulting stresses can lead to deformation and possibly to damage of the reactor or of an overall system comprising this. This may be accompanied by the exit of the reaction gas, in particular hydrogen and thus a potential hazard to the environment.
Die Ausdehnung von Metallhydriden ist in dem Artikel ”Experimental investigation of the swelling/shrinkage of a hydride bed in a cell during hydrogen absorption/desorption cycles” von B. Charlas, O. Gillia, P. Doremus und D. Imbault, Int. J. Hydrogen Energy, 2012 behandelt.The expansion of metal hydrides is described in the article "Experimental investigation of the swelling / shrinkage of a hydride bed in a cell during hydrogen absorption / desorption cycles" by B. Charlas, O. Gillia, P. Doremus and D. Imbault, Int. J. Hydrogen Energy, 2012 treated.
Mit thermochemischen Kältemaschinen auf Metall-Hydrid-Basis beschäftigt sich der Artikel ”Metal hydride based heating and cooling systems: A review” von P. Muthukumar und M. Groll, Int. J. Hydrogen Energy, 201, welcher auch die Anwendungsmöglichkeit der Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes thematisiert. Dieser Publikation kann entnommen werden, dass vergleichsweise hohe spezifische Leistungen neben den Materialeigenschaften der verwendeten Hydride vor allem durch ein geeignetes Reaktordesign bestimmt sind. Durch geringe Zyklenzeiten können sowohl geringe Abmessungen als auch ein niedriges Gewicht der als Kältemaschine dienenden Reaktoren erzielt werden. Dies ist im Hinblick auf mobile Anwendungen von erheblicher Bedeutung. Aus der Publikation geht u. a. ein Rohrbündelwärmeübertrager mit einem Metall-Hydrid-Bett, durch welches sich das von einem Wärmeträgerfluid zu durchströmende Rohrbündel erstreckt, als Reaktor hervor. An diesen Reaktoren wird jedoch teilweise als nachteilig erachtet, dass Rohrbündelwärmeübertrager vergleichsweise teuer sind. Auch wurde die Technologie nur im Labormaßstab nachgewiesen und demonstriert.The article "Metal hydride based heating and cooling systems: A review" by P. Muthukumar and M. Groll, Int. J. Hydrogen Energy, 201, which also discusses the application of the air conditioning of a vehicle interior. It can be seen from this publication that comparatively high specific powers are determined not only by the material properties of the hydrides used, but above all by a suitable reactor design. Low cycle times, both small dimensions and a low weight of serving as a refrigerator reactors can be achieved. This is of considerable importance with regard to mobile applications. From the publication, inter alia, a shell-and-tube heat exchanger with a metal hydride bed, through which the tube bundle to be flowed through by a heat transfer fluid, emerges as the reactor. At these reactors, however, it is sometimes considered disadvantageous that shell-and-tube heat exchangers are comparatively expensive. Also, the technology was demonstrated and demonstrated only on a laboratory scale.
Daher besteht trotz der bisherigen Bemühungen weiterhin Bedarf daran, Reaktoren mit verbesserten Eigenschaften bereitzustellen.Therefore, despite efforts to date, there is still a need to provide reactors with improved properties.
Ausgehend von dem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Reaktor der eingangs genannten Art bereitzustellen, der sich durch eine hohe spezifische Leistung sowie eine geringe Zyklenzeit auszeichnet und gleichzeitig vergleichsweise einfach und preiswert herstellen lässt. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Reaktors anzugeben.Starting from the prior art, it is an object of the present invention to provide a reactor of the type mentioned, which is characterized by a high specific power and a low cycle time and at the same time can be produced comparatively simple and inexpensive. In addition, it is an object of the invention to provide a method for producing such a reactor.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Reaktor für ein Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, bevorzugt für ein Metallhydrid, umfassend einen insbesondere gelöteten Plattenwärmeübertrager, der eine Anzahl von zueinander zumindest im Wesentlichen parallelen Platten aufweist, zwischen denen Spaltkanäle definiert sind, wobei die Spaltkanäle in eine Gruppe primärer Spaltkanäle, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen einen primären Strömungskanal bilden, und eine Gruppe sekundärer Spaltkanäle, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen einen sekundären Strömungskanal bilden, unterteilt sind, und wobei die primären Spaltkanäle und die sekundären Spaltkanäle miteinander abwechselnd angeordnet sind, und der primäre Strömungskanal mit einem primären Zu- und einem primären Ablaufanschluss und der sekundären Strömungskanal mit einem sekundären Zu- und einem sekundären Ablaufanschluss verbunden ist, und wobei die primären oder die sekundären Spaltkanäle zumindest teilweise mit einem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, bevorzugt einem Metallhydrid, befüllt sind.This object is achieved by a reactor for a storage material which absorbs or releases heat by absorption or desorption of a reaction gas, preferably for a metal hydride, comprising a particular soldered plate heat exchanger having a number of mutually at least substantially parallel plates, between them Cleavage channels are defined, wherein the gap channels are divided into a group of primary gap channels, which are fluidly connected in parallel and together form a primary flow channel, and a group of secondary gap channels, which are connected in parallel in flow and together form a secondary flow channel, and wherein the primary Gap channels and the secondary gap channels are arranged alternately with each other, and the primary flow channel having a primary inlet and a primary drain port and the secondary flow channel with a secondary supply and a secondary ren drain port is connected, and wherein the primary or the secondary gap channels at least partially filled with a granular, in particular powdery storage material which receives under absorption and desorption of a reactant gas or emits heat, preferably are filled a metal hydride.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht mit anderen Worten darin, einen Plattenwärmeübertrager als Reaktor für ein granulares, insbesondere pulverförmiges Speichermaterial zu verwenden.In other words, the basic idea of the present invention is to use a plate heat exchanger as a reactor for a granular, in particular pulverulent, storage material.
Wärmeübertrager, welcher auch unter der Bezeichnung Wärmetauscher bekannt sind, umfassen einen primären und einem sekundären Strömungskanal, die physisch voneinander getrennt jedoch thermisch miteinander gekoppelt sind. Bei einem Plattenwärmeübertrager werden die beiden Strömungskanäle jeweils durch eine Vielzahl neben- oder übereinanderliegender, strömungstechnisch parallel geschalteter primärer oder sekundärer Spaltkanäle gebildet, wobei sich die primären und sekundären Spaltkanäle abwechseln. Beim üblichen, aus dem Stand der Technik vorbekannten Betrieb werden sowohl die primären als auch die sekundären Spaltkanäle von Wärmeträgerfluid durchströmt und es findet ein effizienter Austausch von thermischer Energie zwischen dem die primären und dem die sekundären Spaltkanäle durchströmenden Fluid statt. Für die Zu- und Abfuhr von Wärmeträgerfluid in den primären und sekundären Strömungskanal ist in der Regel ein primärer und ein sekundärer Zu- sowie Ablaufanschluss vorgesehen und diese sind mit dem jeweiligen Strömungskanal verbunden. Der primäre bzw. sekundäre Zu- und Ablaufanschluss kann insbesondere an gegenüberliegenden Endbereichen des primären bzw. sekundären Strömungskanals angeordnet sein.Heat exchangers, also known as heat exchangers, include a primary and a secondary flow channel which are physically separate but thermally coupled together. In a plate heat exchanger, the two flow channels are each formed by a plurality of side by side or superimposed, flow-parallel connected primary or secondary gap channels, wherein the primary and secondary gap channels alternate. In the conventional operation, which is known from the prior art, heat transfer fluid flows through both the primary and secondary slot channels, and there is an efficient exchange of thermal energy between the fluid flowing through the primary and secondary fluid channels. For the supply and removal of heat transfer fluid in the primary and secondary flow channel usually a primary and a secondary inlet and outlet connection is provided and these are connected to the respective flow channel. The primary or secondary inlet and outlet connection can be arranged in particular at opposite end regions of the primary or secondary flow channel.
Erfindungsgemäß sind im Betrieb nicht alle Spaltkanäle von einem Wärmeträgerfluid zu durchströmen sondern es befindet sich ein Speichermaterial, bei dem es sich bevorzugt um ein Metallhydrid handelt, in einem der beiden Strömungskanäle. Beispielsweise sind insbesondere sämtliche primären Spaltkanäle oder sämtliche sekundären Spaltkanäle des Plattenwärmeübertragers zumindest teilweise mit Speichermaterial befüllt. Beispielsweise werden die primären oder die sekundären Spaltkanäle jeweils zu etwa 90 oder 95% mit dem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial befüllt, das bedeutet, beispielsweise 5 bis 10% des Volumens jedes Spaltkanals bleiben frei von granularem, insbesondere pulverförmigem Speichermaterial. Dabei ist zu beachten, dass die Porosität des Speichermaterials im unkomprimierten Zustand beispielsweise etwa 70% betragen kann, dieses also einen Luftanteil von 70% aufweisen kann, so dass der tatsächliche, resultierende Befüllungsgrad deutlich unterhalb von beispielsweise 90% liegt.According to the invention, not all of the gap channels are to be flowed through by a heat transfer fluid during operation, but there is a storage material, which is preferably a metal hydride, in one of the two flow channels. For example, in particular all primary gap channels or all secondary gap channels of the plate heat exchanger are at least partially filled with storage material. For example, the primary or the secondary gap channels are each filled to about 90 or 95% with the granular, in particular powdered storage material, that is, for example, 5 to 10% of the volume of each gap channel remain free of granular, especially powdered storage material. It should be noted that the porosity of the memory material in the uncompressed state, for example, may be about 70%, so this may have an air content of 70%, so that the actual resulting degree of filling is well below, for example, 90%.
Der andere Strömungskanal hingegen bleibt frei von dem Speichermaterial und ist im Betrieb von einem Wärmeträgerfluid zu durchströmen, insbesondere, während die endotherme Rückreaktion unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebung abläuft, wodurch das Wärmeträgermedium gekühlt wird. Ob das Speichermaterial in dem primären oder dem sekundären Strömungskanal des Plattenwärmeübertragers vorgesehen ist spielt – insbesondere bei einer vollständig symmetrischen Ausgestaltung – keine Rolle.The other flow channel, however, remains free of the storage material and is to flow through during operation of a heat transfer fluid, in particular, while the endothermic back-reaction takes place while absorbing heat from the environment, whereby the heat transfer medium is cooled. Whether the storage material is provided in the primary or the secondary flow channel of the plate heat exchanger plays - especially in a completely symmetrical configuration - not matter.
Da sich das Speichermaterial während der Absorptions-Desorptionszyklen ausdehnt und vergleichsweise hohe Betriebsdrücke von beispielsweise 30 bar auftreten können, kommen erfindungsgemäß bevorzugt gelötete Plattenwärmeübertrager zum Einsatz. Diese bieten neben einer vergleichsweise hohen Festigkeit, durch welche es möglich wird, vergleichsweise große Druckänderungen ohne Beschädigungen zu überstehen, den weiteren Vorteil einer besonders hohen Dichtheit, was bei der Verwendung von Wasserstoff als Reaktionsgas von großer Bedeutung ist.Since the storage material expands during the absorption-desorption cycles and comparatively high operating pressures of, for example, 30 bar can occur, according to the invention soldered plate heat exchangers are preferably used. These offer not only a relatively high strength, by which it is possible comparatively large pressure changes without Damage to survive, the further advantage of a particularly high density, which is in the use of hydrogen as a reaction gas of great importance.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann bevorzugt in einem Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug als thermochemische Kältemaschine der Klimaanlage für den Fahrzeuginnenraum zum Einsatz kommen.The reactor according to the invention can preferably be used in a vehicle, in particular electric or hybrid vehicle, as the thermochemical refrigerating machine of the air conditioning system for the vehicle interior.
Als Speichermaterial kann ein Metallhydrid, beispielsweise Hydralloy C5 (eine TiMn-Legierung) oder eine LaNi-Legierung (beispielsweise LaNi4.75Al0.25) zum Einsatz kommen, wobei als Reaktionstyp die Dehydrierung des Metallhydrids insbesondere zur Kühlung eines den anderen Strömungskanal des Wärmeübertrager durchströmenden Wärmeträgerfluids herangezogen wird. Neben Metallhydriden können auch andere Speichermaterialien zum Einsatz kommen. Erfindungsgemäß kann insbesondere jede Art von Gas-Feststoff-Reaktion genutzt werden, bei welcher kurze Be- bzw. Entladezeiten und somit bevorzugt geringe Spaltdicken gewünscht sind. Neben der Dehydrierung von Metallhydriden mit einer Beispielreaktion von MgH2 ⇌ Mg + H2 und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 200–400°C seien rein beispielhaft als weitere mögliche Reaktionstypen die Dehydratation von Metallhydroxiden mit einer Beispielreaktion von Mg(OH)2 ⇌ MgO + H2O und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 250–300°C, die Decarboxilierung von Metallcarbonaten mit einer Beispielreaktion von MgCO3 ⇌ MgO + CO2 und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 350–450°C, Reformingprozesse mit einer Beispielreaktion von CH4 + H2O ⇌ CO + 3H2 und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 700–1000°C, Gasdissoziationen (katalytisch) mit einer Beispielreaktion von 2SO3 ⇌ 2SO2 + O2 und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 500–900°C, die Desoxigenerierung von Metalloxiden mit einer Beispielreaktion von BaO2 ⇌ BaO + 0,5O2 und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 750–850°C oder die Dehydratation von Salzhydraten mit einer Beispielreaktion von SrBr2·1H2O ⇌ SrBr2 + 1H2O und einem Temperaturbereich der angezeigten Reaktion von 150–300°C genannt.A metal hydride, for example Hydralloy C5 (a TiMn alloy) or a LaNi alloy (for example LaNi4.75Al0.25) can be used as the storage material, the dehydrogenation of the metal hydride as a reaction type, in particular for cooling a heat transfer fluid flowing through the other flow channel of the heat exchanger is used. In addition to metal hydrides, other storage materials can be used. According to the invention, it is possible in particular to use any type of gas-solid reaction in which short loading or unloading times and thus preferably low gap thicknesses are desired. In addition to the dehydrogenation of metal hydrides with an example reaction of MgH 2 ⇌ Mg + H 2 and a temperature range of the indicated reaction of 200-400 ° C are purely exemplary of other possible types of reactions, the dehydration of metal hydroxides with an example reaction of Mg (OH) 2 ⇌ MgO + H 2 O and a temperature range of the indicated reaction of 250-300 ° C, the decarboxylation of metal carbonates with an example reaction of MgCO 3 ⇌ MgO + CO 2 and a temperature range of the indicated reaction of 350-450 ° C, reforming processes with an example reaction of CH 4 + H 2 O ⇌ CO + 3H 2 and a temperature range of the indicated reaction of 700-1000 ° C, gas dissociation (catalytic) with an example reaction of 2SO 3 ⇌ 2SO 2 + O 2 and a temperature range of the indicated reaction of 500-900 ° C, the deoxygenation of metal oxides with an example reaction of BaO 2 ⇌ BaO + 0.5O 2 and a temperature range of the indicated Reak tion of 750-850 ° C or the dehydration of salt hydrates with a sample reaction of SrBr 2 · 1H 2 O ⇌ SrBr 2 + 1H 2 O and a temperature range of the displayed response of 150-300 ° C mentioned.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Plattenwärmeübertragers als Reaktor für ein Speichermaterial, insbesondere als Metallhydrid-Reaktor, bietet zahlreiche Vorteile. Einerseits sind Plattenwärmeübertrager vergleichsweise günstig, insbesondere innerhalb gleicher Leistungsklassen erheblich günstiger als beispielsweise Rohrbündelwärmeübertrager, wobei sie gleichzeitig eine hohe spezifische/volumetrische Leistungsdichte aufweisen. Darüber hinaus zeichnen sich Plattenwärmeübertrager durch einen deutlich geringeren Druckverlust auf Seiten des Wärmeträgerfluids aus. Hierdurch wird es möglich, bei gleicher Pumpleistung den Wärmeübergang fluidseitig zu verbessern und die spezifische bzw. volumetrische Leistung zu erhöhen, insbesondere, wenn ein Plattenwärmeübertrager zum Einsatz kommt, dessen Platten nicht eben ausgebildet sind, sondern ein wellenförmiges Profil aufweisen, wodurch die Turbulenz des Wärmeträgerfluids erhöht wird, wenn es den primären oder sekundären Strömungskanal durchströmt und der Wärmeübertrag verbessert wird. Auch besitzt diese Bauart von Wärmeübertragern, bei welchen die Dicke der Spaltkanäle beispielsweise in der Größenordnung einiger Millimeter, beispielsweise 1,5 bis 2 mm liegen kann, während die Plattenlänge bzw. Plattenbreite beispielsweise in der Größenordnung von einigen zehn bzw. einigen Zentimetern, beispielsweise 10 bis 15 cm bzw. 5 bis 10 cm liegen kann, volumenbezogen die höchste wärmeübertragende Fläche.The use according to the invention of a plate heat exchanger as a reactor for a storage material, in particular as a metal hydride reactor, offers numerous advantages. On the one hand, plate heat exchangers are comparatively inexpensive, in particular within the same power classes, considerably cheaper than tube bundle heat exchangers, for example, while at the same time having a high specific / volumetric power density. In addition, plate heat exchangers are characterized by a significantly lower pressure loss on the part of the heat transfer fluid. This makes it possible, with the same pump power to improve the heat transfer fluid side and to increase the specific or volumetric performance, especially if a plate heat exchanger is used, the plates are not flat, but have a wave-shaped profile, whereby the turbulence of the heat transfer fluid is increased when it flows through the primary or secondary flow channel and the heat transfer is improved. Also, this type of heat exchangers, in which the thickness of the gap channels, for example, in the order of a few millimeters, for example 1.5 to 2 mm may be, while the plate length or plate width, for example, in the order of a few tens or a few centimeters, for example 10th can be up to 15 cm or 5 to 10 cm, volume-related, the highest heat-transmitting surface.
Bei Versuchen der Anmelderin hat sich gezeigt, dass unter erfindungsgemäßer Verwendung gelöteter Plattenwärmeübertrager als Metallhydrid-Reaktoren – je nach Randbedingungen-Zyklenzeiten von 60 Sekunden und spezifische Leistungen von 1300 W/kgMetallhydrid erzielt werden können. Dies verdeutlicht die hervorragende Eignung vergleichsweise kostengünstiger Plattenwärmeübertrager als Reaktoren für die Metallhydrid-basierte Klimatisierung.In tests of the Applicant has been found that under the inventive use soldered plate heat exchangers as metal hydride reactors - depending on the boundary conditions - cycle times of 60 seconds and specific power of 1300 W / kg metal hydride can be achieved. This illustrates the excellent suitability of relatively inexpensive plate heat exchangers as reactors for the metal hydride-based air conditioning.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktors zeichnet sich dadurch aus, dass die Platten dieselben äußeren Dimensionen aufweisen, wobei in jeder Platte vier insbesondere runde Löcher vorgesehen sind, die in allen Platten an identischen Stellen angeordnet sind, so dass die Löcher korrespondierender Stellen fluchten und einen sich quer durch die Platten und die Spaltkanäle erstreckenden, insbesondere zylinderförmigen, primären Zu- oder Ablaufkanal bzw. sekundären Zu- oder Ablaufkanal definieren. Die Löcher können insbesondere im Randbereich der Platten vorgesehen sein, Weisen die Platten eine quadratische oder rechteckige Form auf, sind die Löcher bevorzugt nahe der vier Ecken jeder Platte vorgesehen.An embodiment of the reactor according to the invention is characterized in that the plates have the same outer dimensions, wherein in each plate four, in particular round holes are provided, which are arranged in identical positions in all plates, so that the holes of corresponding locations are aligned and transversely define by the plates and the gap channels extending, in particular cylindrical, primary inlet or outlet channel or secondary inlet or outlet channel. In particular, the holes may be provided in the edge region of the plates. If the plates have a square or rectangular shape, the holes are preferably provided near the four corners of each plate.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem Zu- oder Ablaufkanal eine Zylinderrohr-förmige Filterkerze angeordnet ist, die insbesondere derart dimensioniert ist, dass sie formschlüssig in dem Zu- oder Ablaufkanal sitzt und die bevorzugt aus einem Sintermetall gefertigt ist. Die Filterkerze verhindert zum einen, dass das in den primären oder den sekundären Spaltkanälen vorgesehene granulare, insbesondere pulverförmige Speichermaterial aus den Spaltkanälen in den primären oder sekundären Zu- oder Ablaufkanal wandert und zum anderen wird über die für das reaktionsgas durchlässige Filterkerze ein ausreichender Stofftransport des Reaktionsgases in die jeweiligen Spaltkanäle realisiert. Die Filterkerze sitzt, um die Materialwanderung aus den Spaltkanälen Ablaufkanal zuverlässig zu verhindern, zweckmäßiger Weise formschlüssig in dem primären oder sekundären Zu- oder Ablaufkanal. Die bevorzugt aus einem Sintermetall gefertigte Filterkerze kann ferner zur Fixierung mit dem Plattenwärmeübertrager, beispielsweise mit einer der Platten oder einem Zu- oder Ablaufanschluss, verschweißt sein.Furthermore, it can be provided that in at least one inflow or outflow channel a cylindrical tube-shaped filter cartridge is arranged, which is dimensioned in particular such that it sits positively in the inlet or outlet channel and which is preferably made of a sintered metal. On the one hand, the filter candle prevents the granular, in particular pulverulent, storage material provided in the primary or secondary gap channels from migrating from the gap channels into the primary or secondary inlet or outlet channel and, secondly, sufficient mass transport of the reaction gas through the filter gas-permeable filter candle realized in the respective gap channels. The Filter cartridge is seated to reliably prevent the material migration from the gap channels drainage channel, expediently form fit in the primary or secondary inlet or outlet channel. The filter candle preferably made of a sintered metal can also be welded to the plate heat exchanger, for example with one of the plates or an inlet or outlet connection, for fixing.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass in wenigsten einem Zu- oder Ablaufkanal eine Mehrzahl von übereinanderliegenden, insbesondere aus Teflon bestehenden, Füllscheiben angeordnet ist, deren Außenkontur der Innenkontur der Löcher in den Platten und deren Dicke insbesondere der Summe der Dicke zweier Spaltkanäle und zweier Platten entspricht. Die in dem Zu- oder Ablaufkanal sitzenden Füllscheiben sind insbesondere im Rahmens eines spaltkanalweisen Befüllvorgangs des primären oder sekundären Strömungskanals mit granularem, insbesondere pulverförmigem Speichermaterial nach und nach eingesetzt worden, wobei sie jeweils einen befüllten Spaltkanal verschlossen haben, und verhindern im fertigen Zustand des Reaktors – analog zu einer Filterkerze – bei zweckmäßiger Weise formschlüssigem Sitz in dem Zu- oder Ablaufkanal den Austritt des Speichermaterials aus den Spaltkanälen. Die Dicke der Füllscheiben entspricht dabei insbesondere der Summe der Dicke zweier Spaltkanäle und zweier Platten, da bei dem Befüllvorgang jeweils ein Spaltkanal mit Speichermaterial befüllt und anschließend im Bereich desjenigen Zu- oder Ablaufkanals, über welchen die Befüllung erfolgte, verschlossen wurde, indem ein Füllscheibe korrespondierender Dicke in den Zu- bzw. Ablaufkanal eingesetzt wurde. Neben dem Verschließen des zuletzt befüllten Spaltkanals sorgen die Fällscheiben während des spaltweisen Befüllungsvorganges zweckmäßiger Weise auch dafür, dass der darüber liegende Bereich des betreffenden Zu- oder Abführkanals bis zu dem nächsten zu befüllenden Spaltkanal, dessen Dicker der Summe aus dem dazwischenliegenden Spaltkanal und einer Platte entspricht, überbrückt wird. Entsprechend weisen sie in vorteilhafter Ausgestaltung eine Dicke auf, welche der Summe der Dicken zweier Spaltkanäle und zweier Platten entspricht.A further embodiment is characterized in that in at least one inlet or outlet channel a plurality of superimposed, in particular made of Teflon, Füllscheiben is arranged, the outer contour of the inner contour of the holes in the plates and their thickness in particular the sum of the thickness of two gap channels and corresponds to two plates. The filling disks seated in the inflow or outflow channel have been gradually used in particular in the context of a gap-channel-wise filling process of the primary or secondary flow channel with granular, in particular powdered, storage material, whereby they each have closed a filled gap channel and prevent the finished state of the reactor. analogous to a filter cartridge - in an expedient manner positive fit in the inlet or outlet channel the outlet of the storage material from the gap channels. In this case, the thickness of the filling disks corresponds in particular to the sum of the thickness of two gap channels and two plates, since in the filling process a gap channel in each case filled with storage material and then in the region of that inflow or outflow channel, via which the filling was made, by a Füllscheibe korrespondierender Thickness in the inlet and outlet channel was used. In addition to the closing of the last-filled gap channel, the precipitation discs during the gap-filling process expediently also ensure that the overlying area of the respective inlet or discharge channel up to the next to be filled gap channel whose thickness corresponds to the sum of the intermediate gap channel and a plate , is bypassed. Accordingly, in an advantageous embodiment, they have a thickness which corresponds to the sum of the thicknesses of two gap channels and two plates.
In Weiterbildung weist der Plattenwärmeübertrager ferner eine sich zumindest im Wesentlichen parallel zu den Platten erstreckende Oberseite auf, in welcher vier Löcher vorgesehen sind, die mit den Löchern in den Platten fluchten, und es sind insbesondere vier von der Oberseite abragende zylinderförmige, jeweils ein Loch umgreifende Anschlussstutzen vorgesehen, die jeweils den primären oder sekundären Zu- oder Ablaufanschluss bilden und bevorzugt mit einem Außengewinde versehen sind, wobei insbesondere die Löcher in den Platten und die Löcher in der Oberseite den gleichen Durchmesser aufweisen.In a further development, the plate heat exchanger further comprises an at least substantially parallel to the plates extending top in which four holes are provided which are aligned with the holes in the plates, and in particular four projecting from the top cylindrical, each embracing a hole Provided connecting pieces, which each form the primary or secondary inlet or outlet port and are preferably provided with an external thread, in particular, the holes in the plates and the holes in the top have the same diameter.
In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung sind ferner die Platten des Plattenwärmeübertragers vertikal ausgerichtet und/oder ist dem Plattenwärmeübertrager eine Magneteinrichtung zugeordnet, mittels derer der Plattenwärmeübertrager mit einem Magnetfeld beaufschlagbar oder beaufschlagt ist. Dabei ist die Magneteinrichtung zweckmäßiger Weise derart ausgebildet und angeordnet, dass der Plattenwärmeübertrager derart mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird, dass die aus dem Magnetfeld resultierende Lorentzkraft auf die Speichermaterial-, insbesondere Metallhydrid-Partikel orthogonal zu den Platten gerichtet ist, so dass die Partikel gegen eine der den jeweiligen Spaltkanal definierenden Platten ”gedrückt” und ein verrutschen der Partikel verhindert wird. Alternativ kann der Plattenwärmeübertrager derart mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden, dass die resultierende Lorentzkraft parallel zu den Platten und entgegengesetzt zu der Wasserstoffzufuhr bei der Absorption und der Wasserstoffabfuhr bei der Desorption gerichtet ist, wobei in diesem Falle die Orientierung des Magnetfeldes bei Wechsel von der Absorption auf die Desorption entsprechend invertiert werden müsste.In a particularly advantageous embodiment, the plates of the plate heat exchanger are further aligned vertically and / or the plate heat exchanger associated with a magnetic device by means of which the plate heat exchanger is acted upon or acted upon by a magnetic field. The magnetic device is expediently designed and arranged such that the plate heat exchanger is acted upon by a magnetic field such that the magnetic field resulting Lorentz force is directed to the memory material, in particular metal hydride particles orthogonal to the plates, so that the particles against a the plates defining the respective gap channel are "pressed" and slipping of the particles is prevented. Alternatively, the plate heat exchanger can be subjected to a magnetic field such that the resulting Lorentz force is directed parallel to the plates and opposite to the hydrogen supply in the absorption and the hydrogen removal during desorption, in which case the orientation of the magnetic field when changing from absorption to the desorption would have to be inverted accordingly.
In Kombination mit einer vertikalen Ausrichtung der Platten hat sich eine Zufuhr des Reaktionsgases von unten als besonders zweckmäßig erwiesen. Diese erfolgt bevorzugt über einen der Zu- oder Ablaufanschlüsse, die beispielsweise durch mit einem Außengewinde versehene Anschlussstutzen gegeben sind. Beispielsweise kann der Plattenwärmeübertrager quaderförmig ausgebildet sein mit rechteckigen, vertikal ausgerichteten Platten und es sind an einer ebenfalls vertikal ausgerichteten Vorderseite vier Anschlussstutzen vorgesehen, die den Zu- und Ablaufanschluss zum primären und sekundären Strömungskanal bilden. Die Zufuhr des Reaktionsgase erfolgt dann bevorzugt über den unteren Anschlussstutzen des mit Speichermaterial befüllten Strömungskanals.In combination with a vertical orientation of the plates, a supply of the reaction gas from below has proved to be particularly useful. This is preferably done via one of the inlet or outlet connections, which are given for example by provided with an external thread connecting piece. For example, the plate heat exchanger may be cuboid with rectangular, vertically aligned plates and there are provided on a likewise vertically oriented front four connecting pieces, which form the inlet and outlet connection to the primary and secondary flow channel. The supply of the reaction gases is then preferably via the lower connection piece of the filled with storage material flow channel.
Sind die Platten und damit die durch diese definierten Spaltkanäle vertikal orientiert und erfolgt die Reaktionsgaszufuhr von unten, wird durch die zyklische Wasserstoffzufuhr während der Absorption und die dem Wasserstoffdruck entgegengesetzt wirkende Gewichtskraft eine stetige Neuvermischung des Speichermaterials, insbesondere Metallhydrids, erreicht bzw. einer potentiellen Materialanhäufung entgegengewirkt.Are the plates and thus defined by these gap channels vertically oriented and the reaction gas is supplied from below, is achieved by the cyclic hydrogen supply during absorption and the hydrogen pressure counteracting gravitational force a steady remixing of the storage material, in particular metal hydride, or counteracted a potential accumulation of material ,
Alternativ oder zusätzlich zu einer vertikal Ausrichtung der Platten und somit Spaltkanäle kann der Plattenwärmeübertrager auch über eine diesem zugeordnete Magneteinrichtung mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden. Hierdurch kann einerseits einer Materialagglomeration, insbesondere im Klimaanlagenbetrieb, entgegengewirkt werden und andererseits wird eine homogene Verteilung des Speichermaterials, insbesondere Metallhydrids, an der Plattenoberfläche eines Spaltkanals erzielt. Eine homogene Verteilung gewährleistet wiederum einen optimalen Wärmeübergang von dem Speichermaterial auf das die Spaltkanäle des anderen Strömungskanals durchströmende Wärmeträgerfluid und somit eine maximale spezifische Leistung. Die aus dem beaufschlagten Magnetfeld resultierende Lorentzkraft sollte zweckmäßiger Weise größer sein als die Gewichts- bzw. Druckkraft.Alternatively or in addition to a vertical orientation of the plates and thus gap channels, the plate heat exchanger can also be acted upon by a magnetic field associated therewith a magnetic device. This can on the one hand a material agglomeration, in particular in the air conditioning operation, counteracted and on the other hand, a homogeneous distribution of the storage material, in particular metal hydride, is achieved at the plate surface of a gap channel. In turn, a homogeneous distribution ensures optimum heat transfer from the storage material to the heat transfer fluid flowing through the gap channels of the other flow channel and thus to a maximum specific output. The Lorentz force resulting from the applied magnetic field should expediently be greater than the weight or pressure force.
Wird der Plattenwärmeübertrager mit einem geeigneten Magnetfeld beaufschlagt, kann auf eine vertikale Orientierung der Platten verzichtet werden. Da das Speichermaterial in diesem Falle magnetisch in den Spaltkanälen gehalten wird, kann ferner auch auf Füllscheiben in dem Zu- oder Ablaufkanal des mit dem Speichermaterial befüllten Strömungskanals verzichtet werden.If the plate heat exchanger subjected to a suitable magnetic field, can be dispensed with a vertical orientation of the plates. Since the storage material is held magnetically in the gap channels in this case, can also be dispensed with filling discs in the inlet or outlet channel of the filled with the storage material flow channel.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Platten ein gewelltes Profil aufweisen, wodurch die Turbulenz des Wärmeträgerfluids erhöht wird, wenn es die durch die Platten definierten Spaltkanäle durchströmt. Dies verbessert wiederum den Wärmeübergang vom Speichermaterial auf das Wärmeträgerfluid bzw. umgekehrt.Furthermore, it can be provided that the plates have a corrugated profile, whereby the turbulence of the heat transfer fluid is increased when it flows through the gap channels defined by the plates. This in turn improves the heat transfer from the storage material to the heat transfer fluid or vice versa.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Reaktors als thermochemische Kältemaschine, insbesondere für die Klimatisierung des Innenraums eines Fahrzeugs, bevorzugt Elektro- oder Hybridfahrzeugs.Another object of the invention is the use of a reactor according to the invention as a thermochemical refrigerator, in particular for the air conditioning of the interior of a vehicle, preferably electric or hybrid vehicle.
Die vorstehend zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Reaktors für ein Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, insbesondere für ein Metallhydrid, bevorzugt zur Herstellung eines Reaktors nach der vorliegenden Erfindung, umfassend die Schritte
- – ein Wärmeübertrager, der einen primären Strömungskanal, welcher mit einem primären Zu- und einem primären Ablaufanschluss verbunden ist, und einen sekundären Strömungskanal, welcher mit einem sekundären Zu- und einem sekundären Ablaufanschluss verbunden ist, aufweist, wird bereitgestellt,
- – ein granulares, insbesondere pulverförmiges Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, insbesondere ein Metallhydrid, wird bereitgestellt, und
- – der primäre oder der sekundäre Strömungskanal des Wärmeübertragers wird zumindest teilweise mit dem Speichermaterial befüllt, indem das Speichermaterial über den primären Zu- oder Ablaufanschluss bzw. den sekundären Zu- oder Ablaufanschluss in den primären bzw. sekundären Strömungskanal eingebracht wird, während an demjenigen Anschluss, über welchen die Einbringung erfolgt, ein Überdruck angelegt wird, insbesondere durch Zufuhr eines unter Druck stehenden Inertgases, und/oder während an dem anderen Anschluss des Strömungskanals, der mit dem Speichermaterial befüllt wird, ein Unterdruck angelegt wird, insbesondere unter Verwendung einer Vakuumpumpe.
- A heat exchanger having a primary flow channel connected to a primary inlet and a primary drain port and a secondary flow channel connected to a secondary inlet and a secondary drain port is provided,
- A granular, in particular powdery, storage material which absorbs or gives off heat by absorption or desorption of a reaction gas, in particular a metal hydride, is provided, and
- The primary or the secondary flow channel of the heat exchanger is at least partially filled with the storage material by the storage material is introduced into the primary or secondary flow channel via the primary inlet or outlet port or the secondary inlet or outlet port, while at that terminal, via which the introduction takes place, an overpressure is applied, in particular by supplying a pressurized inert gas, and / or at the other terminal of the flow channel, which is filled with the storage material, a negative pressure is applied, in particular using a vacuum pump.
Es hat sich gezeigt, dass ein granulares, insbesondere pulverförmiges Speichermaterial, bevorzugt ein Metallhydrid, auf besonders effiziente und gleichzeitig vergleichsweise einfache Weise in den Strömungskanal eines bereits fertig hergestellten Wärmeübertragers eingebracht werden kann, indem das Speichermaterial dem Strömungskanal zugeführt wird, während ein Druckgradient in diesem vorherrscht. Über den Druckgradienten wird das Speichermaterial in den ggf. engen oder auch komplex geformten Strömungskanal, zuverlässig und besonders gleichmäßig eingebracht und ein Zusetzen des Strömungskanals während des Befüllungsvorganges wird zuverlässig vermieden.
Auch wird verhindert, dass sich Materialanhäufungen bilden, welche im Betrieb zu Beschädigungen des Reaktors führen können.It has been found that a granular, in particular powdery, storage material, preferably a metal hydride, can be introduced into the flow channel of an already manufactured heat exchanger in a particularly efficient and at the same time comparatively simple manner by supplying the storage material to the flow channel, while a pressure gradient in this prevails. About the pressure gradient, the storage material in the possibly narrow or complex shaped flow channel, reliably and particularly evenly introduced and clogging of the flow channel during the filling process is reliably avoided.
It also prevents the formation of material accumulations, which can lead to damage to the reactor during operation.
Unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es insbesondere möglich, die Spaltkanäle eines Plattenwärmeübertragers trotz der in der Regel geringen Spaltdicken von beispielsweise einigen Millimetern und der Agglomerationsneigung der granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterialien mit diesen zu befüllen. Im Ergebnis wird es möglich, Plattenwärmeübertrager als Reaktoren für ein Speichermaterial, wie etwa Metallhydrid, zu nutzen.By carrying out the method according to the invention, it is possible, in particular, to fill the gap channels of a plate heat exchanger with them, despite the generally small gap thicknesses of, for example, a few millimeters and the agglomeration tendency of the granular, in particular pulverulent, storage materials. As a result, it becomes possible to use plate heat exchangers as reactors for a storage material such as metal hydride.
Für die Erzeugung des Druckgradienten wird erfindungsgemäß insbesondere an demjenigen Anschluss des Strömungskanals, über den diesem das Speichermaterial zugeführt wird, ein Überdruck angelegt. Der Überdruck wird in vorteilhafter Ausgestaltung dadurch erhalten, dass dem Anschluss, über welchen die Einbringung des Speichermaterials erfolgt, ein unter Druck stehendes Inertgas zugeführt wird. Dies kann beispielsweise realisiert werden, indem dieser Anschluss direkt oder indirekt mit einer mit dem Inertgas gefüllten Druckgasflasche verbunden wird.For the generation of the pressure gradient, an overpressure is applied according to the invention, in particular at that connection of the flow channel via which the storage material is supplied thereto. The overpressure is obtained in an advantageous embodiment in that the connection, via which the introduction of the storage material takes place, a pressurized inert gas is supplied. This can be realized, for example, by connecting this connection directly or indirectly with a compressed gas cylinder filled with the inert gas.
Alternativ oder zusätzlich kann an dem anderen Anschluss des Strömungskanals ein Unterdruck angelegt werden. Ein Unterdruck kann beispielsweise unter Verwendung einer Vakuumpumpe erhalten werden, die mit dem anderen Anschluss verbunden ist.Alternatively or additionally, a negative pressure can be applied to the other connection of the flow channel. A negative pressure may be obtained using, for example, a vacuum pump which is connected to the other port.
Beispielsweise kann das Speichermaterial über den primären Zulaufanschluss in den primären Strömungskanal eingebracht werden, während der Zulaufanschluss mit einer ein Inertgas enthaltenen Druckgasflasche verbunden ist und/oder während der primäre Ablaufanschluss mit einer in Betrieb befindlichen Vakuumpumpe verbunden ist.For example, the storage material can be introduced into the primary flow channel via the primary feed connection, while the feed connection is connected to a compressed gas cylinder containing an inert gas and / or while the primary discharge connection is connected to an operating vacuum pump.
Kann beispielsweise ein ausreichend hoher Überdruck erzielt werden, kann auf die Erzeugung eines Unterdruckes auch verzichtet werden.If, for example, a sufficiently high overpressure can be achieved, the generation of a negative pressure can also be dispensed with.
Wird beispielsweise ein Metallhydrid als Speichermaterial verwendet, ist die Verwendung eines Inertgases besonders zweckmäßig, da sich unter Reaktion mit Luft eine dauerhafte Oxidschicht auf dem Metallhydrid bilden kann, welche die Reaktion mit Wasserstoff hemmt.For example, if a metal hydride is used as a storage material, the use of an inert gas is particularly useful, since under reaction with air can form a permanent oxide layer on the metal hydride, which inhibits the reaction with hydrogen.
In zweckmäßiger Ausgestaltung erfolgen die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Reaktors vollständig unter Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise in einer abgeschlossenen Kammer.In an expedient embodiment, the steps of the process according to the invention for producing a reactor are carried out completely under an inert gas atmosphere, for example in a closed chamber.
Die Einbringung des Speichermaterials in einen der Strömungskanäle des Wärmeübertragers kann bevorzugt unter Verwendung einer geeigneten Befüllvorrichtung erfolgen, die beispielsweise ein Zuführrohr oder dergleichen aufweist, über welches das granulare, insbesondere pulverförmige Speichermaterial in den primären oder sekundären Strömungskanal eingeführt werden kann. Wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Plattenwärmeübertrager bereitgestellt, erfolgt die Einbringung der Speichermaterials in die primären oder sekundären Spaltkanäle insbesondere unter Verwendung einer Befüllvorrichtung mit einem Zuführrohr, welches für die spaltkanalweise Speichermaterialzufuhr in einen sich quer durch die Platten und Spaltkanäle erstreckenden Zu- oder Ablaufkanal eingeführt werden kann.The introduction of the storage material into one of the flow channels of the heat exchanger can preferably be carried out using a suitable filling device having, for example, a feed tube or the like, via which the granular, in particular pulverulent storage material can be introduced into the primary or secondary flow channel. If a plate heat exchanger is provided in the context of the inventive method, the storage material is introduced into the primary or secondary gap channels, in particular using a filling device with a feed tube, which is introduced for the gap channel-wise storage material supply in an inflow or outflow channel extending transversely through the plates and gap channels can be.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Speichermaterial, bevor es in den primären oder sekundären Strömungskanal des Wärmeübertragers eingebracht wird vorzykliert wird, indem es mehreren Absorptions-Desorptions-Zyklen unterzogen wird, insbesondere 20 bis 30 Absorptions-Desorptions-Zyklen. Die Vorzyklierung, also Durchführung mehrerer Absorptions-Desorptions-Zyklen vor der Einbringung in den Wärmeübertrager kann dabei insbesondere in wenigstens einem zu diesem Zwecke bereitgestellten Vorzyklier-Reaktor erfolgen.According to a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention, it is provided that the storage material, before it is introduced into the primary or secondary flow channel of the heat exchanger, is pre-cycled by undergoing several absorption-desorption cycles, in particular 20 to 30 absorption-desorption cycles , The pre-cycling, ie carrying out several absorption-desorption cycles before introduction into the heat exchanger, can take place in particular in at least one pre-cycling reactor provided for this purpose.
Speichermaterialschüttungen, insbesondere Metallhydrid-Schüttungen dehnen sich bei in jedem Absorptionszyklus aus und fallen bei der Desorption wieder zusammen. Dabei ist die Ausdehnung während der Absorption im ersten Zyklus am stärksten und nimmt dann mit weiteren Zyklen nach und nach ab. Bei einer Titan-Mangan-Legierung beispielsweise beträgt die Volumenänderung bei der Aktivierung, also dem ersten Zyklus, wobei die vorhandenen Oxidschicht aufgebrochen wird, bis zu 20%. Dabei wirken erhebliche Kräfte auf die Wandung desjenigen Behälters, in welchem die Aktivierung erfolgt, welche durch den Partikelzerfall des Metallhydrids während des Aktvierungsvorganges hervorgerufen werden. Findet die Aktivierung erst statt, nachdem das Speichermaterial bereits auf die erfindungsgemäße Weise in den Wärmeübertrager eingebracht wurde, kann es schlimmstenfalls zu Beschädigungen des Wärmeübertragers kommen. Da die Volumenänderung durch die abnehmende Partikelneuanordnung mit steigernder Zyklenzahl sinkt, und sich einem asymptotischen Wert annähert, wird daher in besonders bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Speichermaterial, insbesondere Metallhydrid einer Mehrzahl von Absorptions-Desoptions-Zyklen unterzogen, bevor es in den Wärmeübertrager eingebracht wird. Auf diese Weise wird erreicht, dass die in dem Wärmeübertrager erfolgenden Volumenänderungen reduziert werden und somit Beschädigungen des Wärmeübertragers zuverlässig vorgebeugt werden kann.Storage material beds, in particular metal hydride beds, expand in each absorption cycle and fall together again upon desorption. The expansion during the absorption in the first cycle is the strongest and then gradually decreases with further cycles. For example, in a titanium-manganese alloy, the volume change upon activation, ie, the first cycle, breaking up the existing oxide layer is up to 20%. In this case, considerable forces act on the wall of the container in which the activation takes place, which are caused by the particle decomposition of the metal hydride during the activation process. If the activation takes place only after the storage material has already been introduced into the heat exchanger in the manner according to the invention, damage to the heat exchanger can occur in the worst case. Therefore, in a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, since the volume change decreases as the number of cycles increases with increasing number of cycles, and approaches an asymptotic value, the storage material, in particular metal hydride, undergoes a plurality of absorption-disoption cycles before it is introduced into the heat exchanger , In this way it is achieved that the volume changes occurring in the heat exchanger are reduced and thus damage to the heat exchanger can be reliably prevented.
Die Vorzyklierung gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsformbietet dabei noch einen weiteren Vorteil. Durch das vorangehende Zyklieren zerfallen die anfänglich vergleichsweise großen Partikel des Speichermaterials, insbesondere Metallhydrids, – die beispielsweise anfänglich Durchmesser von bis zu 20 mm aufweisen können – in Partikel mit geringeren Abmessungen, die erheblich einfacher, bzw. überhaupt, in den Strömungskanal eines Wärmeübertragers gefüllt werden können. Insbesondere für den Fall, dass es sich bei dem Wärmeübertrager um einen Plattenwärmeübertrager handelt, dessen Spaltkanäle Dicken im Bereich nur einiger Millimeter, z. B. 15 mm, aufweisen können, bietet die Vorzyklierung einen erheblichen Vorteil für den anschließenden Befüllvorgang.The pre-cycling according to this particularly preferred embodiment offers yet another advantage. As a result of the preceding cycling, the initially comparatively large particles of the storage material, in particular metal hydride, which may for example initially have diameters of up to 20 mm, disintegrate into particles of smaller dimensions, which are filled considerably more easily, if at all, into the flow channel of a heat exchanger can. In particular, in the event that it is the heat exchanger to a plate heat exchanger, the gap channels thicknesses in the range of only a few millimeters, z. B. 15 mm, the pre-cycling offers a significant advantage for the subsequent filling.
Da die Volumenänderung während der ersten Zyklen am größten ist, findet die Vorzyklierung des Speichermaterials zweckmäßiger Weise in einem dafür vorgesehenen Vorzyklier-Reaktor statt, der sich durch eine Festigkeit auszeichnet, welche diejenige des Wärmeübertragers des erfindungsgemäßen Reaktors übersteigt.Since the volume change is greatest during the first cycles, the pre-cycling of the storage material conveniently takes place in a dedicated pre-cyclic reactor characterized by a strength which exceeds that of the heat exchanger of the reactor according to the invention.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Wärmeübertrager ein insbesondere gelöteter Plattenwärmeübertrager bereitgestellt, der eine Anzahl von zueinander zumindest im Wesentlichen parallelen Platten umfasst, zwischen denen Spaltkanäle definiert sind, wobei die Spaltkanäle in eine Gruppe primärer Spaltkanäle, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen den primären Strömungskanal bilden, und eine Gruppe sekundärer Spaltkanäle, die strömungsmäßig parallel geschaltet sind und zusammen den sekundären Strömungskanal bilden, unterteilt sind, und wobei die primären Spaltkanäle und die sekundären Spaltkanäle miteinander abwechselnd angeordnet sind, wobei insbesondere das Speichermaterial nacheinander in die primären Spaltkanäle oder nacheinander in die sekundären Spaltkanäle eingebracht wird.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention is a particular brazed as a heat exchanger A plate heat exchanger provided comprising a number of mutually at least substantially parallel plates, between which gap channels are defined, wherein the gap channels in a group of primary gap channels, which are connected in parallel in fluid and form the primary flow channel, and a group of secondary gap channels, the flow are connected in parallel and together form the secondary flow channel, are divided, and wherein the primary gap channels and the secondary gap channels are arranged alternately with each other, in particular the memory material is successively introduced into the primary gap channels or successively in the secondary gap channels.
Die Platten des bereitgestellten Wärmeübertragers weisen dann insbesondere dieselben äußeren Dimensionen auf, wobei in jeder Platte vier insbesondere runde Löcher vorgesehen sind, die in allen Platten an identischen Stellen angeordnet sind, so dass die Löcher korrespondierender Stellen fluchten und einen sich quer durch die Platten und die Spaltkanäle erstreckenden, insbesondere zylinderförmigen primären Zu- oder Ablaufkanal bzw. sekundären Zu- oder Ablaufkanal definieren.The plates of the heat exchanger provided have then in particular the same outer dimensions, wherein in each plate four, in particular round holes are provided, which are arranged in identical positions in all plates, so that the holes of corresponding locations are aligned and a transversely through the plates and the Define gap channels extending, in particular cylindrical primary inlet or outlet channel or secondary inlet or outlet channel.
Das Speichermaterial wird bevorzugt mittels einer Befüllvorrichtung insbesondere nacheinander in die primären oder sekundären Spaltkanäle eingebracht, die ein Zuführrohr umfasst, dessen Außendurchmesser an den Innendurchmesser fluchtender Löcher in den Platten und der Oberseite angepasst ist, wobei das Zuführrohr für den Befüllvorgang durch den primären oder sekundären Zu- oder Ablaufanschluss in den primären oder sekundären Zu- oder Ablaufkanal eingeführt wird.The storage material is preferably introduced by means of a filling device, in particular successively in the primary or secondary gap channels comprising a feed tube whose outer diameter is adapted to the inner diameter of aligned holes in the plates and the top, wherein the feed tube for the filling operation by the primary or secondary Zu - or drain port is introduced into the primary or secondary inlet or outlet channel.
In besonders vorteilhafter Weiterbildung wird eine Befüllvorrichtung mit einem Zuführrohr verwendet, von dessen einer Stirnseite wenigstens ein Abstandssteg in axialer Richtung abragt, bevorzugt wenigstens zwei Abstandsstege in axialer Richtung abragen, wobei die Ausdehnung des Abtandsstegs bzw. der Abstandsstege in axialer Richtung der Dicke eines Spaltkanals entspricht, und wobei folgende Schritte durchgeführt werden:
- – das Zuführrohr wird zur Befüllung des untersten Spaltkanals, welcher von der Oberseite am weitesten entfernt liegt, soweit in den primären oder sekundären Zu- oder Ablaufkanal eingeführt, bis der wenigstens eine Abstandssteg an der der Unterseite des Plattenwärmeübertragers zugewandten Stirnseite des Zu- oder Abführkanals in Anlage kommt,
- – in diesem Zustand wird eine vorgegebene Menge Speichermaterial über das Zuführrohr in den untersten Spaltkanal eingebracht,
- – anschließend wird das Zuführrohr aus dem für den Befüllvorgang verwendeten Zu- oder Ablaufkanal entfernt,
- – in denjenigen Abschnitt des für den Befüllvorgang verwendeten Zu- oder Ablaufkanals, welcher sich im Bereich des untersten Spaltkanals erstreckt, wird eine insbesondere aus Teflon bestehende Füllscheibe, deren Außenkontur der Innenkontur der Löcher in den Platten und deren Dicke insbesondere der Summe der Dicke zweier Spaltkanäle und zweier Platten entspricht, eingesetzt,
- – anschließend wird das Zuführrohr erneut in den für den Befüllvorgang verwendeten Zu- oder Ablaufkanal eingeführt und zwar so weit, bis der wenigstens eine Abstandssteg an der Oberseite des Füllkörpers in Anlage kommt,
- – in diesem Zustand wird eine vorgegebene Menge Speichermaterial über das Zuführrohr in den drittuntersten Spaltkanal eingebracht,
- – anschließend wird das Zuführrohr aus dem für den Befüllvorgang verwendeten Zu- oder Ablaufkanal entfernt,
- – in denjenigen Abschnitt des für den Befüllvorgang verwendeten Zu- oder Ablaufkanals, der sich im Bereich des drittuntersten Spaltkanal erstreckt, wird eine weitere insbesondere aus Teflon bestehende Füllscheibe, deren Außenkontur der Innenkontur der Löcher in den Platten und deren Dicke insbesondere der Summe der Dicke zweier Spaltkanäle und zweier Platten entspricht, eingesetzt, und
- – die vorgenannten Schritte werden gegebenenfalls noch so oft wiederholt bis sämtliche primären oder sämtliche sekundären Spaltkanäle mit einer vorgegebenen Menge Speichermaterial befüllt sind.
- - The feed tube is to fill the lowest gap channel, which is furthest away from the top, as far as introduced into the primary or secondary inlet or outlet channel until the at least one spacer bar on the underside of the Plattenwärmeübertragers facing end of the supply or discharge channel in Plant comes
- - In this state, a predetermined amount of memory material is introduced via the feed tube in the lowest gap channel,
- Subsequently the feed tube is removed from the inlet or outlet channel used for the filling process,
- - In that section of the inflow or outflow channel used for the filling, which extends in the region of the lowest gap channel, a particular Teflon existing filling disk whose outer contour of the inner contour of the holes in the plates and their thickness, in particular the sum of the thickness of two gap channels and two plates, when inserted,
- - Subsequently, the feed tube is again introduced into the inlet or outlet channel used for the filling and that until the at least one spacer bar comes into contact at the top of the packing,
- - In this state, a predetermined amount of memory material is introduced via the feed tube in the third lowest gap channel,
- Subsequently the feed tube is removed from the inlet or outlet channel used for the filling process,
- In the section of the inflow or outflow channel used for the filling process, which extends in the region of the third lowermost split channel, a further filling plate, in particular made of Teflon, whose outer contour of the inner contour of the holes in the plates and their thickness, in particular the sum of the thickness of two Splitting channels and two plates corresponds, used, and
- - The above steps are optionally repeated until all primary or all secondary gap channels are filled with a predetermined amount of storage material.
Dabei wird insbesondere eine erfindungsgemäße, im Folgenden beschriebene Befüllvorrichtung verwendet.In particular, an inventive filling device described below is used.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Befüllvorrichtung zum Befüllen der Spaltkanäle eines insbesondere gelöteten Plattenwärmeübertragers mit einem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial, welches unter Absorption bzw. Desorption eines Reaktionsgases Wärme aufnimmt bzw. abgibt, bevorzugt mit einem Metallhydrid, umfassend
- – einen Rohr-förmigen, bevorzugt Zylinderrohr-förmigen Grundkörper,
- – ein in dem Grundkörper angeordnetes Zuführrohr, dessen Außenkontur an die Innenkontur des Grundkörpers angepasst ist und welches in dem Grundkörper in axialer Richtung derart bewegbar ist, dass es in eine Position gebracht werden kann, in welcher es aus dem einen Ende des Rohr-förmigen Grundkörpers herausragt,
- – einen sich an dem anderen Ende des Rohr-förmigen Grundkörpers in axialer Richtung anschließenden Düsenkörper, der einen Düseninnenraum mit einem sich in Richtung des Grundkörpers kegelförmig verjüngenden Abschnitt und einem Verbindungskanalabschnitt, welcher den sich verjüngenden Abschnitt mit dem Innenraum des Grundkörpers verbindet, umfasst, und der wenigstens eine seitliche, in den Düseninnenraum mündende Zuführöffnung für ein Inertgas aufweist, und
- – einen Trichterkörper, der sich an der von dem Grundkörper abgewandten Seite in axialer Richtung an den Düsenkörper anschließt und einen Trichterinnenraum umfasst, der einen mit dem Düseninnenraum verbundenen, sich in Richtung des Düsenkörpers verjüngenden Abschnitt aufweist.
- A tube-shaped, preferably cylindrical tube-shaped basic body,
- - A arranged in the body feed pipe whose outer contour is adapted to the inner contour of the base body and which is movable in the base body in the axial direction such that it can be brought into a position in which it from the one end of the tube-shaped base body protrudes,
- - One at the other end of the tube-shaped body in the axial direction adjoining nozzle body having a nozzle interior with a conically tapering in the direction of the body portion and a connecting channel portion which connects the tapered portion with the interior of the body, and having at least one lateral, opening into the nozzle interior feed opening for an inert gas, and
- - A funnel body, which adjoins the side facing away from the base body in the axial direction of the nozzle body and comprises a funnel interior having a nozzle connected to the interior, tapering in the direction of the nozzle body portion.
Es hat sich gezeigt, dass eine auf die erfindungsmäße Weise gestaltete Befüllvorrichtung besonders geeignet ist, um die Spaltkanäle eines Plattenwärmeübertragers zumindest teilweise mit einem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial zu befüllen.It has been shown that a filling device designed in the manner according to the invention is particularly suitable for filling the gap channels of a plate heat exchanger at least partially with a granular, in particular pulverulent, storage material.
Hierfür wird zweckmäßiger Weise die Befüllvorrichtung, bevorzugt deren Grundkörper, mit einem der vier Anschlussstutzen eines zu befüllenden Plattenwärmeübertragers verbunden und das in dem Grundkörper beweglich gehaltene Zuführrohr wird in denjenigen Zu- oder Ablaufkanal, der sich unterhalb des betreffenden Anschlussstutzen erstreckt und zumindest im Wesentlichen quer zu den Platten und somit Spaltkanälen verläuft, eingeführt. Speichermaterial, welches insbesondere von oben in den Trichterkörper der Befüllvorrichtung eingebracht, beispielsweise in diesen geschüttet wird, gelangt durch den Düsenkörper, den Grundkörper und das Zuführrohr zu dem zu befüllenden primären oder sekundären Spaltkanal, in einem ersten Schritt insbesondere zu dem untersten der primären oder sekundären Spaltkanäle, welcher von dem Anschlussstutzen am weitesten entfernt liegt. Ist der unterste primäre oder sekundäre Spaltkanal befüll worden, wird erfindungsgemäß eine Füllscheibe in den betreffenden Kanal eingesetzt und anschließend kann der nächste, über dem untersten primären bzw. sekundären Spaltkanal liegende primäre bzw. sekundäre Spaltkanal befüllt werden. Da jeweils zwischen zwei primären Spaltkanälen ein – nicht zu befüllender – sekundärer liegt, der zu überspringen ist, bzw. umgekehrt, folgt auf die Befüllung des untersten Spaltkanals die des drittuntersten, dann des fünftuntersten und so weiter, bis man beim Obersten bzw. je nachdem, ob eine gerade oder ungerade Anzahl von Spaltkanälen vorhanden ist, beim zweiten Spaltkanal von oben angekommen ist und alle primären oder allen sekundären Spaltkanäle mit Speichermaterial befüllt sind.For this purpose, the filling device, preferably the base body, is advantageously connected to one of the four connecting pieces of a plate heat exchanger to be filled and the supply tube movably held in the base body is moved into those inflow or outflow channel which extends below the relevant connecting piece and at least substantially transversely the plates and thus gap channels runs, introduced. Storage material, which is introduced into the funnel body of the filling device, in particular from above, is poured through the nozzle body, the base body and the feed tube to the primary or secondary gap channel to be filled, in a first step in particular to the lowest of the primary or secondary Split channels, which is furthest away from the connecting piece. If the lowest primary or secondary gap channel has been filled, a filling disc is used according to the invention in the respective channel and then the next, lying on the lowest primary or secondary gap channel primary or secondary gap channel can be filled. Since each between two primary slit channels is a - not to be filled - secondary, which is to be skipped, or vice versa, following the filling of the lowest gap channel that of the third lowest, then the fifth lowest and so on, until the colonel or ever whether an even or odd number of gap channels is present, the second gap channel has arrived from above and all primary or all secondary gap channels are filled with storage material.
Die in dem Düsenkörper vorgesehene Zuführöffnung für ein Inertgas ist während eines Befüllungsvorgangs zweckmäßiger Weise mit einer Inertgas-Druckflasche verbunden, wodurch erfindungsgemäß ein Druckgradient in dem durch die Spaltkanäle gebildeten Strömungskanal erhalten wird.The supply opening for an inert gas provided in the nozzle body is expediently connected to an inert gas pressure bottle during a filling operation, whereby according to the invention a pressure gradient is obtained in the flow channel formed by the gap channels.
Mit Hilfe der Druckdifferenz wird dabei zuverlässig verhindert, dass sich der Spaltkanal während des Befüllvorganges zusetzt.With the help of the pressure difference is thereby reliably prevented that the gap channel becomes clogged during the filling process.
Das Zuführrohr der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung hat in zweckmäßiger Ausgestaltung eine Länge im Bereich von 5 bis 50 cm, insbesondere 10 bis 30 cm, bevorzugt 10 bis 20 cm. Diese Abmessungen ermöglichen es insbesondere, sämtliche Spaltkanäle eines Plattenwärmeübertragers mit einer Gesamtdicke in diesem Bereich zu erreichen, wenn das Zuführrohr für eine spaltkanalweisen Befüllung in einen sich quer zu den Platten erstreckenden Zu- oder Ablaufkanal, welcher bevorzugt durch fluchtende Löcher in den Platten definiert ist, eingeführt wird.The feed tube of the filling device according to the invention has, in an expedient embodiment, a length in the range of 5 to 50 cm, in particular 10 to 30 cm, preferably 10 to 20 cm. These dimensions make it possible, in particular, to achieve all of the gap channels of a plate heat exchanger having a total thickness in this range, if the feed tube for a gap channel filling in a transverse to the plates extending inlet or outlet channel, which is preferably defined by aligned holes in the plates is introduced.
In Weiterbildung der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung ist vorgesehen, dass an dem von dem Düsenkörper abgewandten Ende des Zuführrohres wenigstens ein in axialer Richtung von dem Zuführrohr abragender Abstandssteg vorgesehen ist, insbesondere zwei in axialer Richtung von dem Zuführrohr abragende Abstandsstege vorgesehen sind, deren axiale Ausdehnung insbesondere 0,5 bis 5 mm, bevorzugt 1 bis 2,5 mm beträgt.In a further development of the filling device according to the invention it is provided that at least one in the axial direction of the feed tube projecting spacer web is provided at the end remote from the nozzle body, in particular two projecting in the axial direction of the feed tube spacer webs are provided whose axial extent in particular 0, 5 to 5 mm, preferably 1 to 2.5 mm.
Durch die Verwendung des Zuführrohres mit wenigstens einem, bevorzugt zwei Abstandsstegen kann eine gezielte Befüllung von jeweils nur einem Spaltkanal mit einer definierten, vorgegeben Menge an Metallhydrid erfolgen. Sind zwei insbesondere einander gegenüberliegende Abstandssteg vorgesehen, ergeben sich in radialer Richtung zwei insbesondere gleichgroße Öffnungen, über welche die definierte Befüllung genau eines Spaltkanals erfolgen kann. Die darüber liegenden Spaltkanäle sind dabei durch das Zuführrohr verschlossen und werden nicht gleichzeitig auch mit Speichermaterial befüllt.By using the feed tube with at least one, preferably two spacer webs, a targeted filling of only one gap channel with a defined, predefined amount of metal hydride can take place. If two, in particular, opposing spacer webs are provided, two openings, in particular of equal size, are produced in the radial direction, via which the defined filling of exactly one gap channel can take place. The overlying gap channels are closed by the feed tube and are not filled at the same time with storage material.
Weiterhin können Mittel vorgesehen sein, um den Verbindungskanalabschnitt zu verschließen, die insbesondere eine in dem Düsenkörper vorgesehene, in den Verbindungskanalabschnitt mündende radiale Gewindebohrung und einen in die Gewindebohrung eingeschraubten bzw. einschraubbaren Gewindestift oder eine in die Gewindebohrung eingeschraubte bzw. einschraubbare Gewindeschraube umfassen. So wird erreicht, dass Speichermaterial, welches über den Trichterköper in die Befüllvorrichtung eingelassen, insbesondere eingeschüttet wurde, zunächst nicht in den Grundkörper und das Zuführrohr gelangt sondern in dem Düsenkörper verbleibt. In diesem Zustand kann dann ein Überdruck – insbesondere über die in dem Düsenkörper vorgesehene Einlassöffnung für ein Inertgas – angelegt werden und das Speichermaterial nach Öffnen des Verbindungskanalabschnittes durch den Grundkörper und das Zuführrohr gezielt in einen Spaltkanal des Plattenwärmeübertragers eingebracht werden.Furthermore, means may be provided for closing the connecting channel section, which in particular comprise a radial threaded bore opening into the connecting channel section and a threaded pin screwed or screwed into the threaded bore or a threaded screw screwed or screwed into the threaded bore. It is thus achieved that storage material, which was introduced into the filling device via the funnel body, in particular was poured in, initially does not enter the base body and the feed tube but remains in the nozzle body. In this state, an overpressure can then be applied, in particular via the inlet opening provided for an inert gas in the nozzle body, and the storage material can be opened by opening the connecting channel section Body and the feed tube are selectively introduced into a gap channel of the plate heat exchanger.
Der Trichterkörper und der Düsenkörper sind in vorteilhafter Ausgestaltung über einen Rohr-förmigen, insbesondere Zylinderrohr-förmigen Verbindungskörper miteinander verbunden, in welchem eine Armatur, insbesondere ein Kugelhahn vorgesehen ist. Der Kugelhahn dient dem Zweck, den Innenraum des Düsenkörpers – vor der Anlegung des Überdrucks – gegenüber der Umgebung abdichten zu können, nachdem eine vorgegebene Menge an Speichermaterial über den Trichterkörper in die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung eingelassen wurde.The funnel body and the nozzle body are connected to each other in an advantageous embodiment via a pipe-shaped, in particular cylinder tube-shaped connecting body, in which a fitting, in particular a ball valve is provided. The ball valve serves the purpose of being able to seal the interior of the nozzle body against the environment before the overpressure is applied, after a predetermined amount of storage material has been introduced into the filling device according to the invention via the funnel body.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Rohr-förmige Grundkörper an seinem freien Endbereich mit einem Innengewinde versehen. Diese Ausgestaltung macht es möglich, die Befüllvorrichtung auf besonders einfache Weise für einen Befüllvorgang mit einem Plattenwärmeübertrager zu verbinden. Diese Weisen in der Regel für den primären und den sekundären Strömungskanal jeweils zwei Anschlussstutzen auf, die mit dem einem Außengwinde versehen sind, um Anschlussleitungen für die Zufuhr eines Wärmeträgerfluids auf diese aufzuschrauben. Ist der Grundkörper mit einem Innengewinde versehen, welches zu dem Außengewinde der Anschlussstutzen korrespondierend ausgebildet ist, kann dieser bequem auf einen Anschlussstutzen des Plattenwärmeübertragers aufgeschraubt werden, um das Speichermaterial mittels dieser in die Spaltkanäle einzubringen.According to a further embodiment, the tube-shaped base body is provided at its free end portion with an internal thread. This embodiment makes it possible to connect the filling device in a particularly simple manner for a filling process with a plate heat exchanger. These wise usually for the primary and the secondary flow channel in each case two connecting pieces, which are provided with the one Außengwinde to unscrew connecting lines for the supply of a heat transfer fluid to this. If the base body is provided with an internal thread which is designed to correspond to the external thread of the connecting piece, it can be screwed onto a connecting piece of the plate heat exchanger in a convenient manner, in order to introduce the storage material into the gap channels by means of this.
Schließlich kann sich die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung dadurch auszeichnen, dass der Düsenkörper an seinem dem Grundkörper zugewandten Ende einen Vorsprung aufweist, dessen Außenkontur an die Innenkontur des Rohr-förmigen Grundkörpers angepasst ist und auf welchen der Grundkörper aufgesteckt ist.Finally, the filling device according to the invention can be characterized in that the nozzle body at its end facing the base body has a projection whose outer contour is adapted to the inner contour of the pipe-shaped base body and on which the base body is attached.
Wird ein Plattenwärmeübertrager unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Verwendung einer erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung mit einem Speichermaterial befüllt, kann alternativ dazu, dass der gesamte Befüllvorgang unter einer Inertgasatmosphäre, beispielsweise in einer verschlossenen Kammer durchgeführt wird, das insbesondere vorzyklierte Speichermaterial auch in mehreren, der Anzahl der zu befüllenden Spaltkanäle entsprechenden separaten Behältern bereitgestellt werden, die jeweils gerade die Menge an Speichermaterial enthalten, die für einen Spaltkanäle vorgesehen ist. Dann kann für die Befüllung jedes Spaltkanals einer der Behälter mit der Befüllvorrichtung, insbesondere dem Trichterkörper, verbunden werden, und über die Anlegung des Überdrucks mit einem unter Druck stehenden Inertgas wird eine Inertgasatmosphäre nur in dem das Speichermaterial enthaltenen Behälter, in der Befüllvorrichtung und in dem Plattenwärmeübertrager erzeugt.If a plate heat exchanger is filled with a storage material while carrying out the method according to the invention and using a filling device according to the invention, the entire filling process can be carried out under an inert gas atmosphere, for example in a sealed chamber, which in particular pre-cycled storage material in several, the number of filling gap channels corresponding separate containers are provided, each containing just the amount of storage material, which is provided for a gap channels. Then, for the filling of each gap channel, one of the containers can be connected to the filling device, in particular the funnel body, and via the application of the overpressure with a pressurized inert gas, an inert gas atmosphere is created only in the container containing the storage material, in the filling device and in the Plate heat exchanger generated.
Damit in diesem Falle die Behälter mit dem Speichermaterial ohne Einwirkung von Fremdgas ausgetauscht und die Füllscheiben nach der Befüllung jedes Spaltkanals in einen der Zu- oder Ablaufkanäle des Plattenwärmeübertragers ebenfalls ohne Einwirkung von Fremdgas eingesetzt werden können, ist zweckmäßiger Weise eine Schleuse mit zwei Ventilen zwischen den Behältern und der Befüllvorrichtung vorgesehen.Thus, in this case, the containers with the storage material exchanged without the action of foreign gas and the filling discs can be used after filling each gap channel in one of the inlet or outlet channels of Plattenwärmeübertragers also without the action of foreign gas, a lock with two valves between the Containers and the filling provided.
Werden mehrere Behälter bereitgestellt, die jeweils die für einen Spaltkanal vorgesehen Menge an Speichermaterial enthalten, kann es sich bei den Behältern insbesondere um Vorzyklier-Reaktoren handeln, in welchen die Vorzyklierung des Speichermaterials durchgeführt wurde.If a plurality of containers is provided, each of which contains the amount of storage material provided for a gap channel, the containers may in particular be pre-cycled reactors in which the pre-cyclization of the storage material has been carried out.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die den primären oder die den sekundären Strömungskanal bildenden primären oder sekundären Spaltkanäle eines insbesondere gelöteten Plattenwärmeübertragers unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Verwendung einer erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung mit dem granularen, insbesondere pulverförmigen Speichermaterial befüllt werden. Hierdurch wird erreicht, dass trotz der vergleichsweise geringen Spaltdicken eine besonders effiziente und schnelle Befüllung mit dem Speichermaterial erfolgen kann, wobei gleichzeitig eine besonders gleichmäßige und dauerhafte Materialverteilung in jedem der Spaltkanäle erzielt wird, wodurch wiederum einer Materialanhäufung und einer daraus potentiell resultierenden Beschädigung des Reaktors entgegengewirkt wird.It has proven to be particularly advantageous if the primary or the secondary flow channel forming primary or secondary gap channels of a particular soldered Plattenwärmeübertragers are performed by carrying out the inventive method and use of a filling device according to the invention with the granular, in particular powdered storage material. This ensures that, despite the comparatively small gap thicknesses, a particularly efficient and rapid filling with the storage material can take place, at the same time achieving particularly uniform and permanent material distribution in each of the gap channels, which in turn counteracts material accumulation and potentially damaging the reactor becomes.
In besonders zweckmäßiger Ausgestaltung wird ferner ein erfindungsgemäßer Reaktor mit einem bevorzugt gelöteten Plattenwärmeübertrager, dessen primären oder sekundären Spaltkanäle unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Verwendung der erfindungsgemäßen Befüllvorrichtung mit einem insbesondere vorzyklierten Speichermaterial befüllt wurden, im Betrieb derart ausgerichtet, dass die Platten vertikal orientiert sind und/oder der Plattenwärmeübertrager wird über eine diesem zugeordnete Magneteinrichtung mit einem Magnetfeld beaufschlagt.In a particularly advantageous embodiment, a reactor according to the invention with a preferably soldered plate heat exchanger, the primary or secondary gap channels were filled while carrying out the method and use of the filling device according to the invention with a particular pre-cycled storage material, aligned in operation so that the plates are oriented vertically and / or the plate heat exchanger is acted upon via a magnetic device associated therewith with a magnetic field.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen Reaktor umfasst. Dieser dient dann bevorzugt als thermochemische Kältemaschine für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums.Another object of the invention is a vehicle, in particular electric or hybrid vehicle, which comprises a reactor according to the invention. This then preferably serves as a thermochemical refrigeration machine for the air conditioning of the vehicle interior.
In der Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht. Es zeigen in rein schematischer Darstellung: In the drawing, the invention with reference to an embodiment is illustrated in more detail. In a purely schematic representation:
Die
Der Plattenwärmeübertrager
Die Spaltkanäle
Der durch die Mehrzahl von primären Spaltkanälen
In jeder Platte
Wie der
In der Oberseite
Sowohl die Löcher
Während mit dem primären Zulaufkanal und dem primären Ablaufkanal nur die primären Spaltkanäle
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der in den
Für den Befüllvorgang wird der Plattenwärmeübertrager
Die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung
An das dem freien Ende gegenüberliegende Ende des zylinderrohrförmigen Grundkörpers
Der Düsenkörperteil
In den Düsenkörper
Die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung
Wie bereits erwähnt, werden bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die den primären Strömungskanal bildenden primären Spaltkanäle
Dabei wird erfindungsgemäß ein pulverförmiges Metallhydrid bereitgestellt, welches vorzykliert wurde, indem es in einem zu diesem Zwecke bereitgestellten, in den Figuren nicht dargestellten Vorzyklier-Reaktor mehreren Absorptions-Desorptions-Zyklen unterzogen wurde. Konkret wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Metallhydrid bereitgestellt und in die primären Spaltkanäle
Das vorzyklierte Metallhydrid wird über den primären Zulaufanschluss P1 mittels der Befüllvorrichtung
Die spaltweise Befüllung der primären Spaltkanäle
Für die Befüllung des untersten primären Spaltkanals
In diesem Zustand wird – bei geöffnetem Zustand des Kugelhahns und verschlossenen Zustand des Verbindungskanalabschnitts
Ist die vorgegebene Menge Metallhydrid-Pulver auf diese erfindungsgemäße Weise in den untersten primären Spaltkanal
Nachdem die Füllscheibe
Anschließend wird das Zuführrohr
Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis alle primäre Spaltkanäle
Abschließend wird die erfindungsgemäße Befüllvorrichtung
Die Vakuumpumpe
Unter Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein erfindungsgemäßer Reaktor erhalten, welcher einen gelöteten Plattenwärmetauscher
Der erhaltene erfindungsgemäße Reaktor zeichnet sich durch eine besonders hohe spezifische/volumetrische Leistungsdichte aus und ist gleichzeitig erheblich günstiger als beispielsweise ein Reaktor, welcher einen Rohrbündelwärmeübertrager umfasst. Der Druckverlust auf Seiten des Wärmeträgerfluids ist bei dem erfindungsgemäßen Reaktor demgegenüber auch deutlich geringer.The resulting reactor according to the invention is characterized by a particularly high specific / volumetric power density and, at the same time, is considerably cheaper than, for example, a reactor comprising a shell-and-tube heat exchanger. The pressure loss on the part of the heat transfer fluid is in contrast significantly lower in the reactor according to the invention.
Im Betrieb wird der erfindungsgemäße Reaktor vorteilhafter Weise derart ausgerichtet, dass die Platten
Alternativ zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann dem Plattenwärmeübertrager
Wird der Plattenwärmeübertrager
Da das Speichermaterial in diesem Falle magnetisch in den Spaltkanälen
Insbesondere in diesem Falle kann sowohl der primäre Zulaufanschluss P1 als auch der primäre Ablaufanschluss P2 für die Wasserstoffzufuhr herangezogen werden, wodurch der Stofftransport weiter verbessert werden kann.In particular, in this case, both the primary inlet port P1 and the primary outlet port P2 can be used for the hydrogen supply, whereby the mass transfer can be further improved.
Der erfindungsgemäße Reaktor kann insbesondere in einem Fahrzeug, bevorzugt einem Elektro- oder Hybridfahrzeug, als thermochemische Kältemaschine der Klimaanlage für den Fahrzeuginnenraum zum Einsatz kommen.The reactor according to the invention can be used in particular in a vehicle, preferably an electric or hybrid vehicle, as a thermochemical refrigerating machine for the vehicle interior of the air conditioning system.
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DE102016110062.5A DE102016110062B3 (en) | 2016-05-31 | 2016-05-31 | Reactor for a storage material which absorbs or releases heat with absorption or desorption of a reaction gas, preferably for a metal hydride, process for its production and use as well as filling device |
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ID=58639906
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