DE102016215374A1 - Arrangement, in particular chiller or heat pump - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1), – mit einem als Wärmequelle wirkenden ersten Wärmereservoir (2a) und mit einem als Wärmesenke wirkenden zweiten Wärmereservoir (2b), – mit einem thermisch und fluidisch mit den Wärmereservoirs (2a, 2b) verbindbaren oder verbundenen thermochemischen Reaktor (5), vorzugsweise einer Adsorptionskältemaschine oder einer Adsorptionswärmepumpe, – mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf (3), in welchem ein Wärmeträgerfluid (F) zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs (2a, 2b) und dem thermochemischen Reaktor (5) angeordnet ist, – mit einem im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) angeordneten Wärmezwischenspeicher (100) zum Zwischenspeichern des Wärmeträgerfluids (F), wobei der Wärmezwischenspeicher zur Aufnahme des Wärmeträgerfluids (F) mit zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus (T1, T2) ausgebildet ist und hierzu einen ersten Teilspeicher (101a) mit variablem Speichervolumen (102a) und thermisch und fluidisch getrennt zu diesem einen zweiten Teilspeicher (101b) mit variablem Speichervolumen (102b) aufweist, – mit einem im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) vorhandenen Ventilsystem (9).The invention relates to an arrangement (1), having a first heat reservoir (2a) acting as a heat source and a second heat reservoir (2b) acting as a heat sink, having a thermochemical and thermally and fluidically connectable to the heat reservoirs (2a, 2b) Reactor (5), preferably an adsorption chiller or an adsorption heat pump, - with a heat transfer fluid circuit (3), in which a heat transfer fluid (F) for transporting heat between the two heat reservoirs (2a, 2b) and the thermochemical reactor (5) is arranged, - with a in the heat transfer fluid circuit (3) arranged heat buffer (100) for buffering the heat transfer fluid (F), wherein the intermediate heat storage for receiving the heat transfer fluid (F) with two different temperature levels (T1, T2) is formed and for this purpose a first part of memory (101a) with variable storage volume (102a) and thermally and fluidically ge separates to this a second part of memory (101b) with variable storage volume (102b), - with a in the heat transfer fluid circuit (3) existing valve system (9).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere eine Kältemaschine oder Wärmepumpe, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung.The invention relates to an arrangement, in particular a chiller or heat pump, and a method for operating this arrangement.
Thermisch angetriebene Sorptions-Kälteanlagen besitzen ein hohes Energieeinsparungspotenzial, da als Antriebsenergie kostengünstige Ab- oder Überschusswärme genutzt wird und auf diese Weise teure mechanische Antriebsenergie eingespart werden kann. Bei stationären Anwendungen können die elektrischen Netze besonders in warmen Zeit- und Klimazonen mit hohem Kältebedarf entlastet werden. In der kalten Jahreszeit lassen sich die Anlagen auch als Wärmepumpen nutzen, die mittels Brennerwärme zusätzliche Umweltwärme auf ein für Heizzwecke ausreichendes Temperaturniveau heben.Thermally-driven sorption refrigeration plants have a high energy-saving potential, since cost-effective waste heat or excess heat is used as drive energy and expensive mechanical drive energy can be saved in this way. In stationary applications, the electrical networks can be relieved, especially in warm periods and climates with high refrigeration demand. In the cold season, the systems can also be used as heat pumps, which raise additional ambient heat by means of burner heat to a temperature level sufficient for heating purposes.
Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, bei denen poröse Feststoffe zum Einsatz kommen, die mit einem Arbeitsmittel unter Umsetzung von Wärme reagieren und die keine bewegten und damit störanfälligen Verschleißteile im Arbeitsmittelbereich besitzen.Against this background, devices are known from the prior art, in which porous solids are used, which react with a working fluid under the reaction of heat and have no moving and thus failure-prone wear parts in the working medium area.
Mit Hilfe solcher thermochemischer Reaktoren realisierte Adsorptionswärmepumpen oder Adsorptionskälteanlagen besitzen gegenüber kontinuierlich arbeitenden Absorptionssystemen jedoch den Nachteil, dass die periodischen Temperaturwechsel mit zyklierten thermischen Massen zu Effizienzeinbußen führen, die die von der Adsorptionswärmepumpen bzw. Adsorptionskälteanlage erzielte Leistungsdichte bzw. Leistungseffizienz mindern.However, adsorption heat pumps or adsorption refrigeration systems realized with the aid of such thermochemical reactors have the disadvantage over continuous absorption systems that the periodic temperature changes with cycled thermal masses result in losses in efficiency which reduce the power density or power efficiency achieved by the adsorption heat pumps or adsorption refrigeration system.
In diesem Zusammenhang offenbart die
Dieser erlaubt eine zeitlich versetzte Abspeicherung und Wiederverwendung von sensibler und latenter Wärme beim Adsorptionszyklus. Solche Schichtwärmespeicher sind aufgrund ihres großen Volumens jedoch nicht überall einsetzbar.This allows a staggered storage and reuse of sensible and latent heat in the adsorption cycle. However, such layer heat storage can not be used everywhere due to their large volume.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Sorptionswärmepumpen bzw. Sorptionskälteanlagen, insbesondere mit verbesserter Effizienz, neue Wege aufzuzeigen.It is an object of the present invention to discover new ways in the development of sorption heat pumps or sorption refrigeration systems, in particular with improved efficiency.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Anordnung mit einer Adsorptionswärmepumpe oder einer Adsorptionskältemaschine mit einem Sorptionsmodul – vorliegend einheitlich als „Thermochemischer Reaktor” bezeichnet – mit einem Wärmezwischenspeicher auszustatten, welcher zwei Teilspeicher zur Aufnahme eines Wärmeträgerfluids mit zwei verschiedenen Temperaturniveaus aufweist. Dieser Wärmezwischenspeicher dient dazu, beim thermischen Zyklieren des thermochemischen Reaktors und beim damit verbundenen Umschalten des thermochemischen Reaktors zwischen zwei verschiedenen Temperaturniveaus in dem Wärmeträgerfluid enthaltene Wärme zwischen zu speichern. Unter dem Begriff „thermochemischer Reaktor” wird verallgemeinernd ein Behälter mit mindestens einem Arbeitsmittel und einer integrierten Wärmeübertragungsstruktur verstanden, mit der mindestens abhängig von einer Temperaturrandbedingung unter Wärmeab- bzw. -zufuhr eine exotherme oder endotherme Reaktion oder Phasenumwandlung zum Ablauf gebracht werden kann. Es kann sich also um einen Sorptionsreaktor oder um einen Phasenwechsler, insbesondere um einen Kondensator und/oder Verdampfer handeln. Derartige speziellere Ausführungsformen, Komponenten bzw. Subkomponenten sind auch unter den Begriffen „Sorber”, „Sorptionsreaktor”, „Thermochemischer Speicher” bzw. „Phasenwechsler” bekannt.The basic idea of the invention is accordingly to provide an arrangement with an adsorption heat pump or an adsorption refrigeration machine with a sorption module-here uniformly referred to as a "thermochemical reactor" -with a heat buffer which has two partial reservoirs for receiving a heat transfer fluid having two different temperature levels. This heat buffer is used to store in thermal thermal cycling of the thermochemical reactor and the associated switching of the thermochemical reactor between two different temperature levels in the heat transfer fluid between heat. The term "thermochemical reactor" is generally understood to mean a container having at least one working medium and an integrated heat transfer structure with which an exothermic or endothermic reaction or phase transformation can be brought to a conclusion at least as a function of a temperature boundary condition under heat removal or supply. It may therefore be a sorption reactor or a phase changer, in particular a capacitor and / or evaporator. Such more specific embodiments, components or subcomponents are also known by the terms "sorber", "sorption reactor", "thermochemical storage" or "phase changer".
Der vorliegend verwendete, erfindungswesentliche Wärmezwischenspeicher erlaubt die Zwischenspeicherung des Wärmeträgerfluids mit dem Temperaturniveau einer Wärmequelle der Anordnung im ersten Teilspeicher und die simultane Zwischenspeicherung des Wärmeträgerfluids mit dem Temperaturniveau einer Wärmesenke der Anordnung im zweiten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers.The presently used, essential to the invention heat buffer allows the intermediate storage of the heat transfer fluid with the temperature level of a heat source of the arrangement in the first part of memory and the simultaneous intermediate storage of the heat transfer fluid with the temperature level of a heat sink of the arrangement in the second part of the heat storage buffer store.
Mit einer Volumenzunahme des ersten Teilspeichers geht beim erfindungswesentlichen Wärmezwischenspeicher eine Volumenabnahme des zweiten Teilspeichers einher und umgekehrt. Da die beiden volumen-variablen Teilspeicher das gleiche Gesamtvolumen aufweisen, erleichtert ein Einbringen des Wärmeträgerfluids mit dem Temperaturniveau der Wärmequelle in den ersten Teilraum ein Abführen des Wärmeträgerfluids mit dem zweiten Temperaturniveau aus dem zweiten Teilspeicher und umgekehrt. Auf diese Weise können unerwünschte Energieverluste des thermochemischen Reaktors beim thermischen Zyklieren, also beim Umschalten zwischen den beiden Temperaturniveaus von Wärmequelle und Wärmesenke, minimiert werden. Im Ergebnis führt dies zu einer verbesserten Effizienz der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber herkömmlichen Anordnungen.With an increase in volume of the first partial memory, a volume decrease of the second partial accumulator is accompanied by the heat accumulator essential to the invention, and vice versa. Since the two volume-variable partial storage have the same total volume, introducing the heat transfer fluid with the temperature level of the heat source in the first subspace facilitates removal of the heat transfer fluid with the second temperature level from the second partial storage and vice versa. In this way, unwanted energy losses of the thermochemical reactor during thermal cycling, ie when switching between the two temperature levels of heat source and heat sink, can be minimized. As a result, this leads to an improved efficiency of the arrangement according to the invention over conventional arrangements.
Eine erfindungsgemäße Anordnung, insbesondere eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe, umfasst ein erstes Wärmereservoir, welches als Wärmequelle wirkt, sowie ein zweites Wärmereservoir, welches als Wärmesenke wirkt. Die Anordnung umfasst weiterhin einen thermisch und fluidisch mit den Wärmereservoirs verbindbaren oder verbundenen thermochemischen Reaktor. Bevorzugt ist der thermochemische Reaktor eine Adsorptionskältemaschine oder eine Adsorptionswärmepumpe oder ist wesentliche funktionale Komponente davon.An arrangement according to the invention, in particular a chiller or a heat pump, comprises a first heat reservoir, which acts as a heat source, and a second heat reservoir Heat reservoir, which acts as a heat sink. The arrangement further comprises a thermochemically and fluidically connectable or connected to the heat reservoir thermochemical reactor. Preferably, the thermochemical reactor is an adsorption chiller or an adsorption heat pump or is an essential functional component thereof.
Weiterhin umfasst die Anordnung einen Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem ein Wärmeträgerfluid zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs und dem thermochemischen Reaktor angeordnet ist. In dem Wärmeträgerfluidkreislauf ist ein Wärmezwischenspeicher zum Zwischenspeichern des Wärmeträgerfluids vorgesehen. Erfindungsgemäß weist der Wärmezwischenspeicher einen ersten Teilspeicher mit variablem Speichervolumen auf. Weiterhin weist der Wärmezwischenspeicher thermisch und fluidisch getrennt zum ersten Teilspeicher einen zweiten Teilspeicher mit variablem Speichervolumen auf.Furthermore, the arrangement comprises a heat transfer fluid circuit, in which a heat transfer fluid for transporting heat between the two heat reservoirs and the thermochemical reactor is arranged. In the heat transfer fluid circuit, a heat buffer for temporarily storing the heat transfer fluid is provided. According to the invention, the heat buffer has a first partial storage with a variable storage volume. Furthermore, the heat buffer has thermally and fluidly separated from the first part of a second storage partial memory with variable storage volume.
Eine im Wärmeträgerfluidkreislauf vorhandene Fördereinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung dient zum Antreiben des Wärmeträgerfluids im Wärmeträgerfluidkreislauf. Weiterhin umfasst die Anordnung ein im Wärmeträgerfluidkreislauf vorhandenes Ventilsystem, das vier verstellbare Ventileinrichtungen umfasst.An existing in the heat transfer fluid circuit conveyor of the inventive arrangement is used to drive the heat transfer fluid in the heat transfer fluid circuit. Furthermore, the arrangement comprises a present in the heat transfer fluid circuit valve system comprising four adjustable valve devices.
Mittels einer ersten Ventileinrichtung ist der Fluideinlass des thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem Fluidauslass des ersten oder zweiten Wärmereservoirs verbindbar. Mittels einer zweiten Ventileinrichtung ist ein Fluidauslass des thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem Fluideinlass des ersten oder zweiten Wärmereservoirs verbindbar. Mittels einer dritten Ventileinrichtung ist der erste Teilspeicher wahlweise über das erste Wärmereservoir oder direkt mit der ersten Ventileinrichtung verbindbar. Mittels einer vierten Ventileinrichtung ist der zweite Teilspeicher wahlweise über das erste Wärmereservoir oder direkt mit der ersten Ventileinrichtung verbindbar. Wenigstens ein Teil dieser vier Ventileinrichtungen sind mittels einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung steuerbar und verstellbar.By means of a first valve device, the fluid inlet of the thermochemical reactor can optionally be connected to the fluid outlet of the first or second heat reservoir. By means of a second valve device, a fluid outlet of the thermochemical reactor can optionally be connected to the fluid inlet of the first or second heat reservoir. By means of a third valve device, the first partial storage can be connected either via the first heat reservoir or directly to the first valve device. By means of a fourth valve device, the second partial storage can be connected either via the first heat reservoir or directly to the first valve device. At least a portion of these four valve devices are controllable and adjustable by means of a control / regulating device.
Mittels dieser vier verstellbaren Ventileinrichtungen ist der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs, dem thermochemischen Reaktor und dem Wärmezwischenspeicher durch das Wärmeübertragungsfluid steuerbar.By means of these four adjustable valve devices, the heat transfer between the two heat reservoirs, the thermochemical reactor and the heat buffer is controllable by the heat transfer fluid.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmezwischenspeicher zur simultanen Aufnahme und Abgabe einer ersten und einer zweiten Fluidmasse des Wärmeträgerfluids ausgebildet, wobei die beiden Fluidmassen unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Dies erlaubt es, im Wärmezwischenspeicher gleichzeitig Fluidmasse im Temperaturbereich der Wärmequelle und Fluidmasse im Temperaturbereich der Wärmesenke in temperaturgeschichteter Form zwischen zu speichern.In a preferred embodiment, the heat buffer is designed for simultaneously receiving and emitting a first and a second fluid mass of the heat transfer fluid, the two fluid masses having different temperature levels. This makes it possible to simultaneously store in the intermediate heat storage fluid mass in the temperature range of the heat source and fluid mass in the temperature range of the heat sink in temperature-layered form between.
Besonders bevorzugt ist der erste Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers fluidisch mit dem ersten Wärmereservoir verbunden und der zweite Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers fluidisch mit dem zweiten Wärmereservoir verbunden. Diese Maßnahme erlaubt eine einfache Zuführung gespeicherten heißen Wärmeträgerfluids aus dem Wärmezwischenspeicher in das erste Wärmereservoir der auf hohem Temperaturniveau liegenden Wärmequelle. Ebenso erlaubt diese Maßnahme eine einfache Zuführung gespeicherten kühleren Wärmeträgerfluids aus dem Wärmezwischenspeicher in das zweite Wärmereservoir der auf niedrigerem Temperaturniveau liegenden Wärmesenke. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmezwischenspeicher als Behältnis realisiert. Bei dieser Variante umfasst das Behältnis ein Gehäuse, in dessen Innenraum beweglich ein Trennelement angeordnet ist, welches den Innenraum in einen volumen-variablen ersten Teilspeicher und einen thermisch vom ersten Teilspeicher isolierten, ebenfalls volumen-variablen zweiten Teilspeicher unterteilt. Im Gehäuse ist ein erster Durchlass zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids in den bzw. aus dem ersten Teilspeicher vorgesehen.Particularly preferably, the first partial storage of the heat buffer is fluidly connected to the first heat reservoir and the second partial storage of the intermediate heat storage fluidly connected to the second heat reservoir. This measure allows a simple supply of stored hot heat transfer fluid from the heat buffer into the first heat reservoir of the heat source lying at a high temperature level. Likewise, this measure allows a simple supply of stored cooler heat transfer fluid from the heat buffer into the second heat reservoir of the lower temperature level heat sink. According to a particularly preferred embodiment, the heat buffer is realized as a container. In this variant, the container comprises a housing, in the interior of which a separating element is movably arranged, which subdivides the interior into a volume-variable first partial storage and a thermally isolated from the first partial storage, also volume-variable second partial storage. In the housing, a first passage for introducing and removing the heat transfer fluid is provided in or from the first part of memory.
Weiterhin ist im Gehäuse ein zweiter Durchlass zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids in den bzw. aus dem zweiten Teilspeicher vorgesehen.Furthermore, a second passage is provided in the housing for introducing and removing the heat transfer fluid into or out of the second partial storage.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Gehäuse länglich ausgebildet. Dabei ist der erste Durchlass an einem ersten Längsende und der zweite Durchlass an einem dem ersten Längsende gegenüberliegenden, zweiten Längsende angeordnet. Das mit einer länglichen Ausbildung des Gehäuses einhergehende, große Längen-/Querschnittsverhältnis dient dem Zweck, dass eine Temperaturschichtung der ein- bzw. ausströmenden Fluidmasse weitgehend erhalten bleibt und sich während der erforderlichen Speicherzeit nicht nennenswert vermischt.In an advantageous embodiment, the housing is elongated. In this case, the first passage is arranged at a first longitudinal end and the second passage at a second longitudinal end opposite the first longitudinal end. The associated with an elongated configuration of the housing, large length / cross-sectional area serves the purpose that a temperature stratification of the incoming or outflowing fluid mass is largely retained and does not mix appreciably during the required storage time.
Zweckmäßig kann das Gehäuse als Rohrkörper ausgebildet sein, der sich entlang einer axialen Richtung im Wesentlichen geradlinig erstreckt. Bei dieser Variante liegt das Trennelement zur Ausbildung der beiden volumen-variablen Teilspeicher entlang der axialen Richtung bewegbar an der Innenseite einer Umfangswand des Rohrkörpers an. Eine derartige Konstruktion ist technisch einfach herzustellen und somit mit geringen Herstellungskosten verbunden.Suitably, the housing may be formed as a tubular body which extends along an axial direction substantially rectilinear. In this variant, the separating element for forming the two volume-variable partial storage along the axial direction is movable against the inside of a peripheral wall of the tubular body. Such a construction is technically easy to manufacture and thus associated with low production costs.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist am ersten Durchlass ein erstes Sensorelement vorgesehen, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement in einer ersten Endposition befindet, in welcher das Trennelement einen zum ersten Durchlass minimalen Abstand besitzt. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser Variante am zweiten Durchlass ein zweites Sensorelement vorgesehen sein, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement in einer zweiten Endposition befindet, in welcher das Trennelement einen zum zweiten Durchlass minimalen Abstand besitzt. Auf diese Weise kann bei der thermischen Zyklierung des thermochemischen Reaktors festgestellt werden, wann das Wärmeträgerfluid vollständig aus einem der beiden Teilspeicher entnommen wurde; denn in diesem Fall befindet sich das Trennelement in minimalem Abstand zum ersten oder zweiten Durchlass.In a further advantageous development, a first sensor element is provided on the first passage, by means of which it is possible to determine whether or not the separating element is in a first end position, in which the separating element has a minimum distance to the first passage. Alternatively or additionally, in this variant, a second sensor element may be provided on the second passage, by means of which it is possible to determine whether the separating element is in a second end position, in which the separating element has a minimum distance to the second passage. In this way, it can be determined in the thermal cycling of the thermochemical reactor, when the heat transfer fluid was completely removed from one of the two partial storage; because in this case, the separating element is at a minimum distance from the first or second passage.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung des Ventilsystems ein Betriebszustand einstellbar, in welchem der Wärmeträgerfluidkreislauf einen ersten Teilkreislauf ausbildet. In dem ersten Teilkreislauf zirkuliert das Wärmeträgerfluid zwischen dem thermochemischen Reaktor und dem zweiten Wärmereservoir, und zwar derart, dass Wärme vom thermochemischen Reaktor in das zweite Wärmereservoir, also in die Wärmesenke, übertragen wird. Auf diese Weise kann vom thermochemischen Reaktor auf besonders effektive Weise Wärme abgeführt werden. Bevorzugt verbinden in diesem Betriebszustand die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung jeweils das zweite Wärmereservoir fluidisch mit dem thermochemischen Reaktor. In diesem Betriebszustand ist die Stellung der dritten und vierten Ventileinrichtung irrelevant, da eine Durchströmung des Wärmezwischenspeichers nicht möglich ist.In a preferred embodiment of the arrangement, an operating state in which the heat carrier fluid circuit forms a first partial circuit can be set by the control / regulation device in the at least one adjustable valve device of the valve system. In the first partial circuit, the heat transfer fluid circulates between the thermochemical reactor and the second heat reservoir, in such a way that heat from the thermochemical reactor in the second heat reservoir, ie in the heat sink, is transmitted. In this way, heat can be dissipated from the thermochemical reactor in a particularly effective manner. In this operating state, the first valve device and the second valve device preferably each fluidically connect the second heat reservoir with the thermochemical reactor. In this operating state, the position of the third and fourth valve device is irrelevant, since a flow through the heat buffer is not possible.
Bevorzugt weist in diesem Betriebszustand der erste Teilspeicher ein maximales Volumen und der zweite Teilspeicher ein minimales Volumen auf. Dies bedeutet, dass der erste Teilspeicher mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt ist, welches im Wesentlichen das Temperaturniveau der Wärmequelle besitzt.In this operating state, the first partial store preferably has a maximum volume and the second partial store has a minimum volume. This means that the first part storage is filled with the heat transfer fluid, which has substantially the temperature level of the heat source.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung des Ventilsystems ein Betriebszustand einstellbar, in welchem der Wärmeträgerfluidkreislauf einen zweiten Teilkreislauf ausbildet. In diesem zweiten Teilkreislauf zirkuliert das Wärmeträgerfluid zwischen dem thermochemischen Reaktor und dem ersten Wärmereservoir, so dass Wärme vom ersten Wärmereservoir, also von der Wärmequelle, in den thermochemischen Reaktor übertragen wird.In a further preferred embodiment of the arrangement, an operating state in which the heat carrier fluid circuit forms a second partial circuit can be set by the control / regulation device in the at least one adjustable valve device of the valve system. In this second partial circuit, the heat transfer fluid circulates between the thermochemical reactor and the first heat reservoir, so that heat is transferred from the first heat reservoir, that is from the heat source, into the thermochemical reactor.
Bevorzugt verbinden in diesem Betriebszustand die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung jeweils das erste Wärmereservoir fluidisch mit dem thermochemischen Reaktor. In diesem Betriebszustand ist die Stellung der dritten und vierten Ventileinrichtung irrelevant, da eine Durchströmung des Wärmezwischenspeichers nicht möglich ist.Preferably, in this operating state, the first valve device and the second valve device each fluidically connect the first heat reservoir with the thermochemical reactor. In this operating state, the position of the third and fourth valve device is irrelevant, since a flow through the heat buffer is not possible.
Bevorzugt weist in diesem Betriebszustand der zweite Teilspeicher ein maximales Volumen und der erste Teilspeicher ein minimales Volumen auf. Dies bedeutet, dass der zweite Teilspeicher mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt ist, welches im Wesentlichen das Temperaturniveau der Wärmesenke besitzt.In this operating state, the second partial store preferably has a maximum volume and the first partial store has a minimal volume. This means that the second partial storage is filled with the heat transfer fluid, which essentially has the temperature level of the heat sink.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung des Ventilsystems ein Betriebszustand einstellbar, bei welchem Wärmeträgerfluid vom ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers in den thermochemischen Reaktor transportiert wird. Gleichzeitig wird Wärmeträgerfluid vom thermochemischen Reaktor in den zweiten Teilspeicher transportiert. Auf diese Weise kann dem thermoelektrischen Reaktor besonders effektiv zu einem früheren Zeitpunkt gespeicherte Wärme zugeführt werden. Bevorzugt verbinden in diesem Betriebszustand die erste Ventileinrichtung und die dritte Ventileinrichtung den thermochemischen Reaktor unter Umgehung des ersten Wärmereservoirs fluidisch direkt mit dem ersten Teilspeicher. Die zweite und die vierte Ventileinrichtung verbinden in diesem Betriebszustand den thermochemischen Reaktor fluidisch mit dem zweiten Teilspeicher.In a further preferred embodiment of the arrangement, an operating state can be set by the control / regulation device in the at least one adjustable valve device of the valve system, in which heat carrier fluid is transported from the first partial store of the heat intermediate store into the thermochemical reactor. At the same time, heat transfer fluid is transported from the thermochemical reactor into the second partial storage. In this way, the thermoelectric reactor can be supplied with heat stored in a particularly effective manner at an earlier point in time. In this operating state, the first valve device and the third valve device preferably connect the thermochemical reactor, bypassing the first heat reservoir, fluidically directly to the first partial reservoir. The second and the fourth valve device connect in this operating state, the thermochemical reactor fluidly with the second part of memory.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Anordnung ist von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung des Ventilsystems ein Betriebszustand einstellbar, bei welchem Wärmeträgerfluid unter Umgehung des zweiten Wärmereservoirs in den thermochemischen Reaktor transportiert wird. Gleichzeitig wird Wärmeträgerfluid unter Umgehung des ersten Wärmereservoirs vom thermochemischen Reaktor in den ersten Teilspeicher transportiert. Bevorzugt verbinden in diesem Betriebszustand die erste Ventileinrichtung und die vierte Ventileinrichtung den thermochemischen Reaktor unter Umgehung des zweiten Wärmereservoirs fluidisch direkt mit dem zweiten Teilspeicher. Die zweite Ventileinrichtung und die dritte Ventileinrichtung verbinden den thermochemischen Speicher fluidisch direkt mit dem ersten Teilspeicher.In a further preferred embodiment of the arrangement, an operating state is adjustable by the control / regulating device in the at least one adjustable valve device of the valve system, in which heat carrier fluid is transported into the thermochemical reactor while bypassing the second heat reservoir. At the same heat transfer fluid is transported bypassing the first heat reservoir from the thermochemical reactor in the first part of storage. In this operating state, the first valve device and the fourth valve device preferably connect the thermochemical reactor, bypassing the second heat reservoir, fluidically directly to the second partial reservoir. The second valve device and the third valve device connect the thermochemical storage fluidically directly to the first partial storage.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weisen das erste und das zweite Wärmereservoir sowie der thermochemische Reaktor zum Einleiten und Ausleiten des Wärmeträgerfluids jeweils einen Fluideinlass bzw. einen Fluidauslass auf. Bei dieser Variante umfasst der Wärmeträgerfluidkreislauf eine erste verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluideinlass des thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem Fluidauslass des ersten oder zweiten Wärmereservoirs verbindbar ist. Ebenso umfasst der Wärmeträgerfluidkreislauf eine zweite verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluidauslass des thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem Fluideinlass des ersten oder zweiten Wärmereservoirs verbindbar ist.In an advantageous development, the first and the second heat reservoir and the thermochemical reactor for introducing and discharging the heat transfer fluid each have a fluid inlet or a fluid outlet. At this Variant, the heat transfer fluid circuit comprises a first adjustable valve means, by means of which the fluid inlet of the thermochemical reactor is selectively connectable to the fluid outlet of the first or second heat reservoir. Likewise, the heat transfer fluid circuit comprises a second adjustable valve device, by means of which the fluid outlet of the thermochemical reactor is optionally connectable to the fluid inlet of the first or second heat reservoir.
Zweckmäßig ist der Wärmezwischenspeicher fluidisch parallel zur zweiten Ventileinrichtung geschaltet, so dass der Fluideinlass des ersten Wärmereservoirs fluidisch mit dem ersten Teilspeicher kommuniziert und der Fluideinlass des zweiten Wärmereservoirs fluidisch mit dem zweiten Teilspeicher kommuniziert.Suitably, the heat buffer is fluidly connected in parallel to the second valve device, so that the fluid inlet of the first heat reservoir communicates fluidically with the first part of memory and the fluid inlet of the second heat reservoir fluidly communicates with the second part of memory.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung jeweils ein 3/2-Wege-Umschaltventil. Besonders vorteilhaft sind auch die dritte und die vierte Ventileinrichtung als 3/2-Wege-Umschaltventile ausgebildet.In an advantageous development, the first valve device and the second valve device each comprise a 3/2-way switching valve. Particularly advantageously, the third and the fourth valve device are designed as 3/2-way switching valves.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind das dritte und das vierte 3/2-Wegeventil jeweils als selbstschaltende Ventile ausgebildet, die aufgrund der anliegenden Druckdifferenzen oder Durchströmungsrichtungen in die richtige Position gestellt werden. Diese Maßnahme macht eine funktionale Kopplung mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung überflüssig und vereinfacht somit den technischen Aufbau der Anordnung.In a further advantageous development, the third and the fourth 3/2-way valve are each designed as self-switching valves, which are placed in the correct position due to the applied pressure differences or flow directions. This measure makes a functional coupling with the control / regulating device superfluous and thus simplifies the technical structure of the arrangement.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer, vorzugsweise vorangehend vorgestellten, Anordnung mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem ein thermochemischer Reaktor, zwei Wärmereservoirs unterschiedlicher Temperatur und ein Wärmezwischenspeicher angeordnet und mittels eines Wärmeträgerfluidkreislaufs fluidisch miteinander verbunden sind.The invention further relates to a method for operating a, preferably previously presented, arrangement with a heat transfer fluid circuit in which a thermochemical reactor, two heat reservoirs of different temperature and a heat buffer are arranged and fluidly connected to each other by means of a heat transfer fluid circuit.
Der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogene Wärmezwischenspeicher weist zwei thermische und fluidisch getrennte Teilspeicher auf, in welchen ein im Wärmeträgerfluidkreislauf zirkulierendes Wärmeträgerfluid thermisch und fluidisch getrennt voneinander aufnehmbar ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Durchführung eines Temperaturwechsels des thermochemischen Reaktor von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau in dem ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers zwischengespeichertes zunehmend wärmeres Wärmeträgerfluid entnommen und unter Umgehung des ersten Wärmereservoirs dem thermochemischen Reaktor zugeführt, wodurch dieser aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird anfangs kühles, aber zunehmend wärmeres Wärmeträgerfluid aus dem thermochemischen Reaktor abgeführt und in den zweiten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers eingebracht.The heat buffer used for carrying out the method according to the invention has two thermal and fluidly separate partial reservoirs, in which a heat carrier fluid circulating in the heat carrier fluid circuit can be received thermally and fluidically separated from one another. According to the method according to the invention is carried out for carrying out a temperature change of the thermochemical reactor from a low to a higher temperature level in the first part of the heat storage buffer intermediately stored heat transfer fluid and fed bypassing the first heat reservoir to the thermochemical reactor, whereby this is heated. At the same time initially cool, but increasingly warmer heat transfer fluid is removed from the thermochemical reactor and introduced into the second partial storage of the intermediate heat storage.
Zur Durchführung eines Temperaturwechsels des thermochemischen Reaktors von einem hohen auf ein niedrigeres Temperaturniveau wird in dem zweiten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers zwischengespeichertes zunehmend kühleres Wärmeträgerfluid entnommen und unter Umgehung des zweiten Wärmereservoirs dem thermochemischen Reaktor zugeführt, wodurch dieser abgekühlt wird. Gleichzeitig wird anfangs warmes aber zunehmend kühleres Wärmeträgerfluid aus dem thermochemischen Reaktor abgeführt und in den ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers eingebracht.In order to carry out a temperature change of the thermochemical reactor from a high to a lower temperature level, temporarily stored, increasingly cool, heat carrier fluid is withdrawn from the second partial store of the intermediate heat store and fed to the thermochemical reactor, bypassing the second heat reservoir, whereby it is cooled. At the same time initially warm but increasingly cooler heat transfer fluid is removed from the thermochemical reactor and introduced into the first part of the heat accumulator memory.
Beim oben erläuterten Verfahren kann ein hoher Anteil der beim Temperaturwechsel umgesetzten Wärmen zwischengespeichert und zurückgewonnen werden.In the method explained above, a high proportion of the heat converted during the temperature change can be temporarily stored and recovered.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawing and from the associated description of the figures with reference to the drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:
Unter „thermochemischer Reaktor” wird vorliegend eine Vorrichtung verstanden, in welcher Umwandlungsprozesse durch Zu- und Abfuhr von Wärme – dem Fachmann als Reaktionswärme, Sorptionswärmen oder Phasenwechselwärme bekannt – bei unterschiedlichen Temperaturen T1, T2 zum Ablauf gebracht werden. Der thermochemische Reaktor
Weiterhin ist im Wärmeträgerfluidkreislauf
Der Aufbau des Wärmezwischenspeichers
Der Wärmezwischenspeicher
Der Wärmezwischenspeicher
Das Funktionsprinzip des Wärmezwischenspeichers
Im Beispielszenario der
Wie die Figuren erkennen lassen, besitzen der thermochemische Reaktor
Wie
Das Gehäuse
Am ersten Durchlass des Wärmezwischenspeichers ist ein erstes Sensorelement
Wie in
Durch die Temperaturprofile der in den Teilspeichern des Wärmezwischenspeichers abgelegten Flüssigkeitssäulen des Wärmeübertragungsfluifs F wird bewirkt, dass bei einem Ausschieben der temperaturgeschichteten Flüssigkeitssäule aus dem zweiten Teilspeicher zunächst warmes, dann aber immer kühler werdendes Wärmeträgerfluid ausgeschoben wird. Damit kann dieser Teilspeicher zur gleitenden Abkühlung eines thermochemischen Reaktors
Komplementär dazu wird bei einem Ausschieben der temperaturgeschichteten Flüssigkeitssäule aus dem ersten Teilspeicher zunächst kühles, dann aber immer wärmer werdendes Wärmeträgerfluid ausgeschoben. Damit kann dieser Teilspeicher zur gleitenden Aufheizung eines thermochemischen Reaktors
Betrachtet man nun wieder
Im Wärmeträgerfluidkreislauf
Das erste und das zweite Wärmereservoir
Mittels der ersten verstellbaren Ventileinrichtung
Wie
Wie
Die vier Ventileinrichtungen
Im Folgenden wird nun ein vollständiger thermischer Zyklus des thermochemischen Reaktors
Von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung
Im Zuge der thermischen Zyklierung wird der thermochemische Reaktor
Hierzu verbinden die erste Ventileinrichtung
In diesem Betriebszustand wird das temperaturgeschichtete Wärmeträgerfluid F des ersten Teilspeichers
Sobald das im ersten Teilspeicher
Der in
Anschließend werden die beiden Ventileinrichtungen
In dem in
Hierzu verbinden die erste Ventileinrichtung
In diesem Betriebszustand wird Reaktionswärme nahe der Temperatur T1 vom ersten Wärmereservoir
In dem in
Sobald das im zweiten Teilspeicher
Die
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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