DE102016215381A1

DE102016215381A1 - Anordnung, insbesondere Kältemaschine oder Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102016215381A1
Application number: DE102016215381.1A
Authority: DE
Inventors: Roland Burk
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-22
Also published as: WO2018033244A1; US20190212071A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1), – mit einem ersten zweiten Wärmereservoir (2a, 2b), – mit einem thermisch und fluidisch mit den Wärmereservoirs (2a, 2b) verbundenen thermochemischen Reaktor (5), – 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), welches wenigstens eine verstellbare Ventileinrichtung (10a, 10b) umfasst, mittels welchem der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs (2a, 2b), dem thermochemischen Reaktor (5) und dem Wärmezwischenspeicher (100) durch das Wärmeübertragungsfluid (F) steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, insbesondere eine Kältemaschine oder Wärmepumpe, sowie ein Verfahren zum Betreiben dieser Anordnung.
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.
Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, bei denen poröse Feststoffe zum Einsatz kommen, mit einem Arbeitsmittel unter Umsetzung von Wärme reagieren und die keine bewegten und damit störanfälligen Verschleißteile im Arbeitsmittelbereich besitzen.
Mit Hilfe solcher thermochemische 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 erzielte Leistungsdichte bzw. Leistungseffizienz mindern.
In diesem Zusammenhang offenbart die DE 10 2006 043 715 A1 eine Adsorptionswärmepumpe, bei welcher ein Schichtwärmespeicher zum Einsatz kommt. Dies 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.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Sorptionswärmepumpen bzw. Sorptionskälteanlagen, insbesondere mit verbesserter Effizienz, neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine auf zyklisch zu betreibenden thermochemischen Reaktoren basierende Anordnung einer Adsorptionswärmepumpe oder einer Adsorptionskältemaschine 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.
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.
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.
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 wenigstens 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.
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.
Wenigstens eine, vorzugsweise zwei, im Wärmeträgerfluidkreislauf vorhandene Fördereinrichtung der erfindungsgemäßen Anordnung dient zum Antreiben des Wärmeträgerfluids im Wärmeträgerfluidkreislauf. Weiterhin umfasst die Anordnung ein im Wärmeträgerfluidkreislauf vorhandenes Ventilsystem, welches wenigstens eine verstellbare Ventileinrichtung umfasst. Mittels dieser wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung ist der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs, dem thermochemischen Reaktor und dem Wärmezwischenspeicher durch das Wärmeübertragungsfluid steuerbar. Zur Steuerung besagten Ventilsystems umfasst die erfindungsgemäße Anordnung schließlich eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei thermochemische Reaktoren vorgesehen, die jeweils ein separates Behältnis mit einer Wärmeübertragungsstruktur mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass aufweisen. Die wenigstens zwei thermochemischen Reaktoren sind dabei in einer fluidischen Parallelschaltung zueinander angeordnet, d. h. die Fluideinlässe und die Fluidauslässe der wenigstens zwei thermochemischen Reaktoren sind mittels des Ventilsystems fluidisch miteinander verbindbar oder verbunden. Die Bereitstellung zweier oder einer größeren Anzahl an separaten thermochemischen Reaktoren erlaubt ein zeitversetztes Umschalten der vorhandenen thermochemischen Reaktoren von einem Zustand mit hoher Temperatur T₁ in einen Zustand mit relativ zur Temperatur T₁ geringeren Temperatur T₂. Das zeitversetzte Umschalten der einzelnen thermochemischen Reaktoren führt in Verbindung mit dem Wärmezwischenspeicher zu einem besonders geringen Energieverlust beim Temperaturwechsel.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Ventilsystem für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor eine erste verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluideinlass des jeweiligen thermochemischen Speichers wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir verbindbar ist. Bei dieser Variante umfasst das Ventilsystem für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor eine zweite verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluidauslass des jeweiligen thermochemischen Reaktoren wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir verbindbar ist. Diese Maßnahme erlaubt eine vorteilhafte Steuerung des zeitversetzten Umschaltprozesses zwischen den auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufenden exothermen oder endothermen Teilprozessen.
Besonders bevorzugt ist die Steuerungs-/Regelungseinrichtung zum zeitversetzen Verstellen der einzelnen ersten Ventileinrichtungen und zum zeitversetzen Verstellen der einzelnen zweiten Ventileinrichtungen eingerichtet/programmiert. Dies bedeutet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung die ersten und zweiten Ventileinrichtungen über geeignete Steuerleitungen einzeln, also unabhängig voneinander zu verstellen vermag. Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung kann eine Steuerungseinheit sowie eine Speichereinheit umfassen. In Letzterer kann ein Computerprogrammcode abgelegt sein, welcher von der Steuerungseinheit zur Durchführung des zeitversetzten Umschaltvorgangs der einzelnen ersten und zweiten Ventileinrichtungen abgearbeitet wird. In besagtem Computerprogrammcode ist dabei der Algorithmus zum zeitversetzten Umschalten der ersten und zweiten Ventileinrichtungen codiert.
Zweckmäßig ist der Wärmezwischenspeicher fluidisch parallel zu den zweiten Ventileinrichtungen 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.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfassen die erste Ventileinrichtung und die zweite Ventileinrichtung jeweils ein 3/2-Wege-Umschaltventil. Dies erlaubt eine einfache Realisierung einer wahlweisen fluidischen Verbindung des wenigstens einen thermochemischen Reaktors entweder mit dem ersten Wärmereservoir mit Temperaturniveau T₁ oder dem zweiten Wärmereservoir mit Temperaturniveau T₂.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist im Wärmefluidkreislauf ein Ausgleichbehältnis zur Aufnahme des Wärmeträgerfluids angeordnet.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Wärmezwischenspeicher zur simultanen Aufnahme und Abgabe einer ersten und einer zweiten Fluidmasse des Wärmeträgerfluids ausgebildet, wobei die beiden Fluidmassen zwischen den beiden Temperaturgrenzen T₁ und T₂ unterschiedliche Temperaturschichtungen aufweisen können. Dies erlaubt es, im Wärmezwischenspeicher gleichzeitig Fluidmasse zur Durchführung eines energieeffizienten Temperaturwechsels zwischen den Temperaturniveaus der Wärmesenke und der Wärmequelle zwischen zu speichern.
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 von Wärmeträgerfluid nahe der Temperatur T₁ aus einem abzukühlenden thermochemischen Reaktor in den Wärmezwischenspeicher. Ebenso erlaubt diese Maßnahme eine einfache Zuführung von Wärmeträgerfluid nahe der Temperatur T₂ aus einem aufzuheizenden thermochemischen Reaktor in den Wärmezwischenspeicher.
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. Weiterhin ist im Gehäuse ein zweiter Durchlass zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids in den bzw. aus dem zweiten Teilspeicher vorgesehen.
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.
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.
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.
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 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 eine Temperaturschichtung in der Nähe des Temperaturniveaus der Wärmequelle besitzt.
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.
Bevorzugt weist in diesem Betriebszustand der zweite Teilspeicher ein maximales Volumen auf und der zweite Teilspeicher ein minimales Volumen auf. Dies bedeutet, dass der zweite Teilspeicher mit dem Wärmeträgerfluid gefüllt ist, welches eine Temperaturschichtung in der Nähe des Temperaturniveaus der Wärmesenke besitzt.
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 das erste Wärmereservoir transportiert wird. Gleichzeitig wird Wärmeträgerfluid vom ersten Wärmereservoir in den thermochemischen Reaktor transportiert und Wärmeträgerfluid vom thermochemischen Reaktor in den zweiten Teilspeicher transportiert. Auf diese Weise kann dem thermoelektrischen Reaktor besonders effektiv Wärme zugeführt und dabei die sensible Wärme niedriger Temperatur für einen späteren Abkühlprozess gespeichert werden.
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 mittels des Wärmeträgerfluids Wärme vom zweiten Teilspeicher in das zweite Wärmereservoir transportiert wird. Gleichzeitig wird mittels des Wärmeträgerfluids Wärme vom zweiten Wärmereservoir in den thermochemischen Reaktor und vom thermochemischen Reaktor in den ersten Teilspeicher transportiert. Auf diese Weise kann aus dem thermoelektrischen Reaktor besonders effektiv Wärme abgeführt und dabei die sensible Wärme höherer Temperatur für einen späteren Aufheizprozess gespeichert werden.
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.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer, vorzugsweise vorangehend vorgestellten, Anordnung mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem wenigstens ein thermochemischer Reaktor, zwei Wärmereservoirs unterschiedlicher Temperatur und ein Wärmezwischenspeicher angeordnet und mittels eines Wärmeträgerfluidkreislaufs fluidisch miteinander verbunden sind.
Der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogene Wärmezwischenspeicher weist zwei thermisch und fluidisch getrennte Teilspeicher auf, in welchen eine im Wärmeträgerfluidkreislauf zirkulierendes Wärmeträgerfluid thermisch und fluidisch getrennt voneinander aufnehmbar und abgebbar sind. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Zuführung von Wärme aus dem ersten Wärmereservoir in den thermochemischen Reaktor mittels des Wärmeträgerfluids in dem ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers zwischengespeichertes Wärmeträgerfluid entnommen und dem ersten Wärmereservoir zugeführt. Gleichzeitig wird Wärmeträgerfluid aus dem thermochemischen Reaktor abgeführt und in den zweiten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers eingebracht.
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 der Wärmesenke zugeführt. Gleichzeitig wird anfangs warmes, aber zunehmend kühleres Wärmeträgerfluid aus dem thermochemischen Reaktor abgeführt und in den ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers eingebracht. Zur Durchführung eines Temperaturwechsels des thermochemischen Reaktors von einem niedrigen auf ein höheres Temperaturniveau wird in dem ersten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers zwischengespeichertes zunehmend wärmeres Wärmeträgerfluid entnommen und der Wärmequelle zugeführt. Gleichzeitig wird anfangs kühles aber zunehmend wärmeres Wärmeträgerfluid aus dem thermochemischen Reaktor abgeführt und in den zweiten Teilspeicher des Wärmezwischenspeichers thermisch geschichtet eingebracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind wenigstens zwei thermochemische Reaktoren vorhanden, die jeweils ein separates Gehäuse sowie einen Fluideinlass und einen Fluidauslass aufweisen. Bei dieser Variante sind die wenigstens zwei thermochemischen Reaktoren fluidisch parallel zueinander geschaltet. Dabei umfasst das Ventilsystem für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor eine erste verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluideinlass des jeweiligen thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir verbindbar ist. Das Ventilsystem umfasst für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor eine zweite verstellbare Ventileinrichtung, mittels welcher der Fluidauslass des jeweiligen thermochemischen Reaktors wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir verbindbar ist. Das Umschalten der vorhandenen ersten Ventileinrichtungen zum Verbinden der thermochemischen Reaktoren mit dem ersten oder zweiten Wärmereservoir erfolgt zeitversetzt. Auch das Umschalten der vorhandenen zweiten Ventileinrichtungen zum Verbinden der thermochemischen Reaktoren mit dem ersten oder zweiten Wärmereservoir erfolgt zeitversetzt. Das zeitversetzte Umschalten der einzelnen thermochemischen Reaktoren ermöglicht in Verbindung mit dem Wärmezwischenspeicher eine zeitversetzte Regeneration sensibler Wärme und führt damit zu einem besonders geringen Energieverlust beim Temperaturwechsel.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 bis 4 eine erfindungsgemäße Anordnung in verschiedenen Betriebszuständen,
5 den Aufbau des erfindungswesentlichen Wärmezwischenspeicher der Anordnung der 1 bis 4 in einer Detaildarstellung,
6 eine erste Variante des Wärmezwischenspeichers der 5,
7 eine zweite Variante des Wärmezwischenspeichers der 5,
8–11 eine Variante der Anordnung der 1 bis 4 mit mehreren thermochemischen Reaktoren, die zeitversetzt zueinander umschaltbar sind.
1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 1, insbesondere einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe. Die Anordnung 1 umfasst ein erstes Wärmereservoir 2a mit einer ersten Temperatur T₁ und ein zweites Wärmereservoir 2b mit einer zweiten Temperatur T₂. Weiterhin umfasst die Anordnung 1 einen thermochemischen Reaktor 5, der thermisch und fluidisch mit den beiden Wärmereservoirs 2a, 2b verbindbar oder verbunden ist. Hierzu umfasst die Anordnung 1 einen Wärmeträgerfluidkreislauf 3, in welchem ein Wärmeträgerfluid F zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs 2a, 2b und dem thermochemischen Reaktor 5 angeordnet ist.
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 5 kann ein in den Figuren nur schematisch dargestelltes Behältnis 15, in welchem thermochemische Reaktionen ablaufen, mit einer Wärmeübertragungsstruktur zur Zu- und Abfuhr der Reaktionswärmen umfassen. Die erste Temperatur T₁ weist einen größeren Wert auf als die zweite Temperatur T₂, d. h. das erste Wärmereservoir 2a wirkt als Wärmequelle, von welchem mittels des Wärmeträgerfluids F Wärme an den thermochemischen Reaktor 5 übertragen werden kann. Das zweite Wärmereservoir 2b wirkt hingegen als Wärmesenke, an welche mittels des Wärmeträgerfluids F Wärme vom thermochemischen Reaktor 5 übertragen werden kann.
Weiterhin ist im Wärmeträgerfluidkreislauf 3 ein Wärmezwischenspeicher 100 zum Zwischenspeichern des Wärmeträgerfluids F vorhanden. Der Wärmezwischenspeicher 100 ermöglicht einen Temperaturwechsel des thermochemischen Reaktors 5 von der Temperatur T₁ auf die Temperatur T₂ und umgekehrt mit sehr geringen Energieverlusten.
Der Aufbau des Wärmezwischenspeichers 100 ist in 5 in einer schematischen Detaildarstellung gezeigt. Gemäß 4 weist der Wärmezwischenspeicher 100 einen ersten Teilspeicher 101a mit variablem Speichervolumen 102a und thermisch und fluidisch getrennt zu diesem einen zweiten Teilspeicher 101b mit variablem Speichervolumen 102b auf. Der volumen-variable erste Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 ist komplementär zum volumen-variablen zweiten Teilspeicher 101b ausgebildet, so dass von den beiden Teilspeichern 101a, 101b gebildete Gesamtvolumen stets konstant ist.
Der Wärmezwischenspeicher 100 kann auch als sensibler Kurzzeit-Wärmespeicher, Regenerator oder Temperaturwechsler bezeichnet werden und stellt eine erfindungswesentliche Komponente der Anordnung 1 dar, welche einen Temperaturwechsel im thermochemischen Reaktor 5 mit geringen Energieverlusten überhaupt erst möglich macht.
Der Wärmezwischenspeicher 100 ist zur simultanen Aufnahme und Abgabe einer ersten und einer zweiten Fluidmasse des Wärmeträgerfluids F mit unterschiedlich geschichteten Temperaturprofilen ausgebildet. Der Wärmezwischenspeicher 100 ist ferner zur simultanen Aufnahme und Abgabe der ersten und zweiten Fluidmasse des Wärmeträgerfluids F ausgebildet ist, wobei die beiden Fluidmassen unterschiedliche Temperaturschichtungen aufweisen, die qualitativ mit unterschiedlichen Grau-Abstufungen gekennzeichnet sind. Je dunkler die Graustufe, desto höher ist das lokal vorliegende Temperaturniveau.
Die 6 zeigt eine Weiterbildung des Behältnisses 103 der 5. Beim Behältnis 103 der 2 ist im Innenraum 107 des Gehäuses 104 eine wendelartige Struktur 113 angeordnet. Diese wendelartige Struktur 113 verleiht dem Innenraum 107 die Geometrie eines Fluidkanals 114 mit wendelartiger Geometrie. Der Fluidkanal 114 wird dabei von der wendelartigen Struktur 113 und vom Gehäuse 104, insbesondere von dessen Umfangswand 111 begrenzt. Die wendelartige Struktur 103 kann als in dem Innenraum angeordneter Einsatz 115 ausgebildet sein. Die wendelartige Struktur 113 kann wenigstens zehn Windungen 116, bevorzugt sogar wenigstens 20 Windungen umfassen. Das Trennelement 106 ist entlang des wendelartigen Fluidkanals 114 verstellbar ausgebildet. Das heißt, die geometrische Formgebung des Trennelements 106 ist derart gewählt, dass es im Innenraum 107 entlang des Fluidkanals 114, der durch die Umfangswand 111 und die wendelartige Struktur 113 begrenzt ist, verstellbar ist.
Die 7 zeigt eine weitere Variante des Beispiels der 5, bei welcher das Behältnis 103 als schlauchartig ausgebildeter Körper 117 realisiert ist, der sich entlang einer Erstreckungsrichtung E zumindest abschnittsweise nicht-geradlinig erstreckt. Bei dieser Variante liegt das Trennelement 106 zur Ausbildung der beiden volumen-variablen Teilspeicher 101a, 101b entlang der Erstreckungsrichtung E bewegbar an der Innenseite 112 der Umfangswand 111 des schlauchartigen Körpers 117 an. Diese Variante erlaubt eine räumlich besonders kompakte Anordnung des Behältnisses 103. Bevorzugt beträgt eine entlang der Erstreckungsrichtung E gemessene Länge des Gehäuses 104 bzw. des schlauchartigen Körpers 117 wenigstens das Zehnfache, vorzugsweise wenigstens das Zwanzigfache einer quer zur Erstreckungsrichtung E gemessenen Querrichtung Q.
Wie 1 anschaulich belegt, ist der erste Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 fluidisch mit dem ersten Wärmereservoir 2a verbunden. Der zweite Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 ist hingegen fluidisch mit dem zweitem Wärmereservoir 2b verbunden.
Das Funktionsprinzip des Wärmezwischenspeichers 100 basiert auf einem thermisch isolierten Fluidbehälter mit endseitigen Öffnungen und großem Längen-/Querschnittsverhältnis innerhalb dessen ein isolierender verschiebbarer Trennkörper angeordnet ist, wie dies in 5 schematisch dargestellt ist.
Im Beispielszenario der 5 ist der Wärmezwischenspeicher 100 als Behältnis 103 realisiert. Dieses Behältnis 103 umfasst ein Gehäuse 104. Das Gehäuse 104 begrenzt einen Innenraum 107, in welchem beweglich ein Trennelement 106 angeordnet ist, welches die beiden Teilspeicher 101a, 101b thermisch und fluidisch voneinander isoliert. Das Trennelement 106 unterteilt den Innenraum 107 in einen volumen-variablen ersten Teilspeicher 101a und einen thermisch und fluidisch vom ersten Teilspeicher 101a isolierten, ebenfalls volumen-variablen zweiten Teilspeicher 101b. Vorteilhafterweise ist das Trennelement 106 des Wärmezwischenspeichers 100 so ausgebildet, dass es durch Druckdifferenzen zwischen den beiden Teilspeichern möglichst fluiddicht leicht in Längs- bzw. Erstreckungsrichtung verschiebbar ist.
Wie die Figuren erkennen lassen, besitzen der thermochemische Reaktor 5 und der Wärmzwischenspeicher 100 jeweils separate Behältnisse 15 bzw. 103.
Wie 5 erkennen lässt, ist im Gehäuse 104 ein erster Durchlass 108a zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids F mit der Temperatur T₁ in den ersten Teilspeicher 101a bzw. aus dem ersten Teilspeicher 101a vorhanden. Weiterhin ist im Gehäuse 104 ein zweiter Durchlass 108b zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids F mit der Temperatur T₂ in den zweiten Teilspeicher 101b bzw. aus dem zweiten Teilspeicher 101b vorhanden.
Das Gehäuse 104 ist als Rohrkörper 105 ausgebildet, der sich entlang einer axialen Richtung A geradlinig erstreckt. Das Trennelement 106 liegt zur Ausbildung der beiden volumen-variablen Teilspeicher 101a, 101b entlang der axialen Richtung A bewegbar an der Innenseite 112 einer Umfangswand 111 des Rohrkörpers 105 an. Der erste Durchlass 108a ist an einem ersten Längsende 109a angeordnet. Der zweite Durchlass 108b ist an einem dem ersten Längsende 109a gegenüberliegenden, zweiten Längsende 109b angeordnet.
Wie 3 illustriert, kann bei ganz links, also am ersten Durchlass 108a angeordnetem Trennelement 106 der Wärmezwischenspeicher 100 mit einer temperaturgeschichteten Flüssigkeitssäule des Wärmeübertragungsfluid F gefüllt sein, wobei das am Trennelement anliegende Temperaturniveau etwa der Temperatur T₂ entspricht und am Auslass 108b anliegende Temperaturniveau nahe an das Temperatur T₁ heranreicht. Entsprechend 4 kann durch zunächst heißes, aber immer kühler werdendes, von links über den ersten Durchlass 108a einströmendes Wärmeübertragungsfluid F das Trennelement 106 nach rechts, zum zweiten Durchlass 108b hin verschoben werden, wodurch der Wärmezwischenspeicher 100 mit einer temperaturgeschichteten Flüssigkeitssäule des Wärmeübertragungsfluids F gefüllt wird, wobei das am Trennelement anliegende Temperaturniveau etwa der Temperatur T₁ entspricht und das am Auslass 108a anliegende Temperaturniveau nahe an das Temperatur T₂ heranreicht. Gleichzeitig wird die von der Temperatur T₁ zur Temperatur T₂ geschichtete Flüssigkeitssäule durch den zweiten Durchlass 108b hindurch nach rechts ausgeschoben, bis das Trennelement 106 sich am zweiten Durchlass 108b befindet und die temperaturgeschichtete Flüssigkeitssäule des Wärmeübertragungsfluids F komplett ausgetauscht wurde.
Durch die Temperaturprofile der in den Teilspeichern des Wärmezwischenspeichers abgelegten Flüssigkeitssäulen des Wärmeübertragungsfluids 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 5 dienen.
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 5 dienen.
Entsprechend 5 ist am ersten Durchlass des Wärmezwischenspeichers ein erstes Sensorelement 110a vorgesehen, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement 106 in einer ersten Endposition befindet, in welcher es einen zum ersten Durchlass 108a minimalen Abstand besitzt. In analoger Weise ist am zweiten Durchlass 108b ein zweites Sensorelement 110b vorgesehen ist, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement 106 in einer zweiten Endposition befindet, in welcher es einen zum zweiten Durchlass 108b minimalen Abstand besitzt.
Betrachtet man nun wieder 1, so erkennt man, dass im Wärmeträgerfluidkreislauf 3 eine Fördereinrichtung 8 zum Antreiben des Wärmeträgerfluids F vorgesehen ist.
Im Wärmeträgerfluidkreislauf 3 ist ferner in Ventilsystem 9 vorhanden, welches eine erste verstellbare Ventileinrichtung 10a und eine zweite verstellbare Ventileinrichtung 10b umfasst. Mittels der beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b kann der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs 2a, 2b, dem thermochemischen Reaktor 5 und dem Wärmezwischenspeicher 100 eingestellt und folglich gesteuert werden. Zum Steuern der Ventileinrichtungen 10a, 10b des Ventilsystems 9 ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 vorgesehen, die mit den Ventileinrichtungen 10a, 10b zusammenwirkt.
Das erste und das zweite Wärmereservoir 2a, 2b sowie der thermochemische Reaktor 5 weisen zum Einleiten sowie zum Ausleiten des Wärmeträgerfluids F jeweils einen Fluideinlass 11a, 11b, 11c bzw. einen Fluidauslass 12a, 12b, 12c auf.
Mittels der ersten verstellbaren Ventileinrichtung 10a ist der Fluideinlass 11b des thermochemischer Reaktors 5 wahlweise mit dem Fluidauslass 12a, 12c des ersten oder zweiten Wärmereservoirs 2a, 2b verbindbar. Mittels der zweiten verstellbaren Ventileinrichtung 10b ist der Fluidauslass 12b des thermochemischen Reaktors 5 wahlweise mit dem Fluideinlass 11a, 11c des ersten oder zweiten Wärmereservoirs 2a, 2b verbindbar.
Wie 1 weiter erkennen lässt, ist der Wärmezwischenspeicher 100 fluidisch parallel zur zweiten Ventileinrichtung 10b geschaltet, so dass der Fluideinlass 11a des ersten Wärmereservoirs 2a fluidisch mit dem ersten Teilspeicher 101a kommuniziert und der Fluideinlass 11c des zweiten Wärmereservoirs 2b fluidisch mit dem zweiten Teilspeicher kommuniziert. Die erste Ventileinrichtung 10a und die zweite Ventileinrichtung 10b sind jeweils als 3/2-Wege-Umschaltventil 13a, 13b ausgebildet.
Im Folgenden wird nun ein vollständiger thermischer Zyklus des thermochemischen Reaktors 5 erläutert, bei welchem der thermochemische Reaktor 5 zwischen einem ersten Zustand mit Temperatur T₁ des ersten Wärmereservoirs 2a und einem zweiten Zustand mit Temperatur T₂ des zweiten Wärmereservoirs 2b umgeschaltet wird.
Von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 können die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b des Ventilsystems 9 in einen Betriebszustand verstellt werden, der schematisch in 1 gezeigt ist. In diesem Betriebszustand weisen der erste Teilspeicher 101a ein maximales Volumen und der zweite Teilspeicher 101b ein minimales Volumen auf, d. h. der erste Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 ist mit Wärmeträgerfluid F gefüllt, das eine von links nach rechts aufsteigende Temperaturschichtung bis nahe zur Temperatur T₁ aufweist. Der zweite Teilspeicher 101b ist hingegen leer. In diesem Betriebszustand bildet der Wärmeträgerfluidkreislauf 3 einen ersten Teilkreislauf 14a aus, in welchem das Wärmeträgerfluid F zwischen dem thermochemischen Reaktor 5 und dem zweiten Wärmereservoir 2b zirkuliert. In diesem Betriebszustand überträgt das Wärmeträgerfluid F Wärme vom thermochemischen Reaktor 5 in das zweite Wärmereservoir 2b, d. h. es wird Reaktionswärme aus dem thermochemischen Reaktor 5 nahe dem Temperaturniveau T₂ abgeführt.
Im Zuge der thermischen Zyklierung wird der thermochemische Reaktor 5 nun in einen Zustand mit Temperatur T₁ des ersten Wärmereservoirs 2a umgeschaltet, wozu zunächst ein Temperaturwechsel durchgeführt wird, um im Wesentlichen die thermische Massen des Reaktors 5 aufzuheizen. Dazu werden die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 zunächst in einen in 2 dargestellten Betriebszustand verstellt. In dem in 2 dargestellten Betriebszustand sind die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b derart eingestellt, dass Wärmeträgerfluid F vom ersten Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 in das erste Wärmereservoir 2a transportiert wird. Weiterhin wird Wärmeträgerfluid F vom ersten Wärmereservoir 2a in den thermochemischen Reaktor 5 transportiert. Ferner wird Wärmeträgerfluid F vom thermochemischen Reaktor 5 in den zweiten Teilspeicher 101b transportiert.
In diesem Betriebszustand wird das temperaturgeschichtete Wärmeträgerfluid F des ersten Teilspeichers 101a des Wärmezwischenspeichers 100 in das Wärmereservoir 2a ausgeschoben, wodurch der thermische Reaktor in Folge bis auf dessen Temperaturniveau T₁ aufgeheizt wird. Im Gegenzug wird der zweite Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 mit aus dem thermochemischen Reaktor 5 kommendem, kühlem und zunehmend wärmerem Wärmeträgerfluid F befüllt.
Sobald das im ersten Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 zwischengespeicherte Wärmeträgerfluid F vollständig aus dem Wärmezwischenspeichers 100 entnommen ist, befindet sich das Trennelement 106 in der oben erwähnten ersten Endposition, was von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 mittels des ersten Sensorelements 110a detektiert werden kann.
Ausgelöst vom ersten Sensorelement 110a werden die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 in einen Betriebszustand geschaltet, der schematisch in 3 dargestellt ist.
In dem in 3 schematisch dargestellten Betriebszustand bildet der Wärmeträgerfluidkreislauf 3 einen zweiten Teilkreislauf 14b aus, in welchem das Wärmeträgerfluid F zwischen dem thermochemischen Reaktor 5 und dem ersten Wärmereservoir 2a zirkuliert. Auf diese Weise wird Wärmeträgerfluid F vom ersten Wärmereservoir 2a zum thermochemischen Reaktor transportiert. In diesem Betriebszustand wird Reaktionswärme auf dem Temperaturniveau T₁ vom ersten Wärmereservoir in den thermochemischen Reaktor 5 übertragen. In diesem Betriebszustand weisen der zweite Teilspeicher 101b ein maximales Volumen und der erste Teilspeicher 101a ein minimales Volumen auf, d. h. der zweite Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 ist mit Wärmeträgerfluid F gefüllt, das eine von links nach rechts aufsteigende Temperaturschichtung bis nahe zur Temperatur T₁ aufweist Hingegen ist der erste Teilspeicher 101b leer. Der in 3 gezeigte Betriebszustand kann als „Wärmezuführmodus” bezeichnet werden.
Um einen „Abkühlmodus” einzuleiten, können anschließend die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 in einen in 4 dargestellten Betriebszustand verstellt werden. In dem in 4 dargestellten Betriebszustand sind die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b derart eingestellt, dass mittels des Wärmeträgerfluids F Wärme vom zweiten Teilspeicher 101b in das zweite Wärmereservoir 2b transportiert wird. Gleichzeitig wird durch Ausschieben heißen Wärmeträgerfluids sensible Wärme vom thermochemischen Reaktor 5 in den ersten Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 transportiert.
Sobald das im zweiten Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 zwischengespeicherte Wärmeträgerfluid F vollständig aus dem Wärmezwischenspeichers 100 entnommen ist, befindet sich das Trennelement 106 in der oben erwähnten zweiten Endposition, was von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 mit Hilfe des zweiten Sensorelements 110b detektiert werden kann. In diesem Zustand ist der erste Teilspeicher 101a vollständig mit dem Wärmeträgerfluid F gefüllt ist (vgl. 1). Von dem Sensorelement 110b ausgelöst werden durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 4 die beiden Ventileinrichtungen 10a, 10b wieder in den in 1 gezeigten Betriebszustand geschaltet und ein vollständiger Umschaltzyklus des thermochemischen Reaktors 5 ist abgeschlossen.
8 zeigt eine Weiterbildung der Anordnung der 1 bis 4, bei welcher die Anordnung 1 nicht nur einen einzigen thermochemischen Reaktor 5 aufweist, sondern drei solche thermochemischen Reaktoren 5a, 5b, 5c. Jeder thermochemische Reaktor 5a, 5b, 5c besitzt ein eigenes Gehäuse 20 und einen jeweiligen Fluideinlass 11b sowie einen Fluidauslass 12b. Wie 8 erkennen lässt, sind die drei thermochemischen Reaktoren 5a, 5b, 5c fluidisch parallel zueinander geschaltet. In dem vorliegenden Beispiel können die Reaktoren als Sorptionsreaktoren aufgefasst werden, die ein Arbeitsmittel bei hoher Temperatur T₁ desorbieren und bei geringerer Temperatur T₂ adsorbieren. Die dafür benötigten Desorptionswärme erhalten sie aus einem als Wärmequelle dienenden Hochtemperatur-Wärmereservoir 2a und geben Adsorptionswärme an ein als Wärmesenke dienendes Niedertemperatur-Wärmereservoir 2b zeitversetzt ab.
Das Ventilsystem 9 umfasst für jeden der drei thermochemischen Reaktoren 5a, 5b, 5c eine erste verstellbare Ventileinrichtung 10a, mittels welcher der Fluideinlass 11b des jeweiligen thermochemischen Reaktors 5a, 5b, 5c wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir 2a, 2b der Temperatur T₁ bzw. T₂ verbindbar ist. Das Ventilsystem 9 umfasst für jeden der drei thermochemischen Reaktoren 5 weiterhin eine zweite Ventileinrichtung 10b, mittels welcher der Fluidauslass 12b des jeweiligen thermochemischen Reaktors 5a, 5b, 5c wahlweise mit dem ersten oder mit dem zweiten Wärmereservoir 2a, 2b verbindbar ist. Der Wärmezwischenspeicher 100 ist derart in der Anordnung 1 verbaut, dass der erste Teilspeicher 101a fluidisch mit dem ersten Wärmereservoir 2a kommuniziert und der zweite Teilspeicher 101b fluidisch mit dem zweiten Wärmereservoir 2b kommuniziert.
Im Beispiel der 8 bis 11 werden die drei thermochemischen Reaktoren 5a, 5b, 5c in analoger Weise zum Beispiel der 1 bis 4, jedoch zeitversetzt zueinander zykliert.
In 8 ist ein stationärer Schaltungszustand der ersten und zweiten Ventileinrichtungen 10a, 10b dargestellt, bei dem der Sorptionsreaktor 5a mit Temperatur T₁ durch Wärmezufuhr aus dem ersten Wärmereservoir 2a desorbiert wird, während sich der zweite und der dritte Sorptionsreaktor 5b, 5c durch Wärmeabfuhr an das zweite Wärmereservoir 2b mit Temperatur T₂ im Adsorptionsprozess befinden. Der erste Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 ist hierbei mit Wärmeträgerfluid F der Temperatur T₁ gefüllt, der zweite Teilspeicher 101b ist hingegen leer.
Die darauf folgende Schaltstellung der ersten und zweiten Ventileinrichtungen ist in 9 dargestellt, bei der der zweite Sorptionsreaktor 5b dadurch aufgeheizt wird, dass die dem zweiten Sorptionsreaktor 5b zugeordnete erste Ventileinrichtung 10a umgeschaltet wird. In der Folge ist der Fluideinlass 11b des zweiten Sorptionsreaktors 5b ebenso wie der erste Sorptionsreaktor 5a mit dem ersten Wärmereservoir 2a verbunden. Der dritte Sorptionsreaktor 5c bleibt einlassseitig mit dem zweiten Wärmereservoir 2b verbunden. Dadurch wird der zweite Sorptionsreaktor 5b erwärmt und das kühle bis zur Temperatur T₂ geschichtete Wärmeträgerfluid F in den zweiten Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 geschoben. Das im ersten Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 gespeicherte bis zur Temperatur T₁ geschichtete Wärmeträgerfluid wird in das erste Wärmereservoir 2a geschoben.
Dieser instationäre Temperaturwechselprozess im Wärmezwischenspeicher 100 ist beendet, sobald das bis zur Temperatur T₁ geschichtete Wärmeträgerfluid F im Wärmezwischenspeicher 100 vollständig gegen kühleres bis zur Temperatur T₂ geschichtetes Wärmeträgerfluid F im Wärmezwischenspeicher 100 ausgetauscht ist. Dann ist der zweite Teilspeicher 101b vollständig gefüllt und der erste Teilspeicher 101a leer. Dieses Szenario zeigt die Darstellung der 10. Dabei befinden sich die Sorptionsreaktoren 5a und 5b im Desorptionsmodus und der Reaktor 5c im Adsorptionsmodus.
Die nächste Schaltstellung der ersten und zweiten Ventileinrichtungen 10a, 10b gemäß 11 dient der Abkühlung des ersten Sorptionsreaktors 5a. Hierzu wird der erste Sorptionsreaktor 5a fluidisch mit dem zweiten Wärmereservoir 2b verbunden. In Analogie zum Aufheizprozess wird hierbei der erste Sorptionsreaktor 5a gekühlt und dabei das enthaltene anfangs heiße Wärmeträgerfluid F der Temperatur T₁ in den ersten Teilspeicher 101a des Wärmezwischenspeichers 100 geschoben. Gleichzeitig wird das im Wärmezwischenspeicher 100 gespeicherte Wärmeträgerfluid F aus dem zweiten Teilspeicher 101b des Wärmezwischenspeichers 100 herausgeschoben. Auch dieser Teilprozess endet durch Umschaltung der dem ersten thermochemischen Speicher 5a zugeordneten zweiten Ventileinrichtung 10b, sobald der erste Teilspeicher vollständig mit dem bis zur Temperatur T1 geschichteten Wärmeträgerfluid F gefüllt und der zweite Teilspeicher 101b vollständig geleert ist.
Dieser Zustand entspricht dem Zustand nach 8 mit dem Unterschied, dass sich nun der zweite Sorptionsreaktor 5b im alleinigen stationären Desorptionsmodus befindet. Die vorangehend erläuterten Teilzyklen haben also bewirkt, den Gesamtzyklus um einen Sorptionsreaktor weiter zu schalten. Um einen Gesamtzyklus abzuschließen werden also 3·4 = 12 Teilzyklen benötigt, bis wieder der Anfangszustand entsprechend 8 erreicht wird.
Im vorangehend erläuterten Beispiel erfolgt das zeitversetzte Umschalten der ersten und zweiten Ventileinrichtungen 10a, 10b derart, dass gleichzeitig wenigstens einer der Sorptionsreaktoren 5a, 5b, 5c und höchstens zwei der vorhandenen Reaktoren 5a, 5b, 5c das Temperaturniveau T₁ des ersten Wärmereservoirs 2a besitzen. Damit ist es möglich, die Zeitanteile für die Desorption und Adsorption jeden Sorptionsreaktors unabhängig von der Zahl der eingesetzten Sorptionsreaktoren zu optimieren.
Auch bei der vorangehend anhand der 8 bis 11 beschriebenen Variante der erfindungsgemäßen Anordnung mit drei thermochemischen Reaktoren – in weiteren Varianten kann eine andere Anzahl an thermochemischen Reaktoren gewählt werden – kann mit Hilfe des Wärmezwischenspeichers 100 die sensible Wärme des in einem thermisch zu zyklierenden thermochemischen Reaktors enthaltenen Wärmeträgerfluids F zu hohen Anteilen zurück gewonnen werden. Dies gilt je nach Volumenauslegung auch für einen Teil der sensiblen Wärme ortsfester Wärmespeichermassen bis hin zu Anteilen darin umgesetzter latenter Wärmemengen, im vorliegenden Fall von z. B. Sorptionswärmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006043715 A1 [0005]

Claims

Anordnung (1), insbesondere Kältemaschine oder Wärmepumpe, – mit einem als Wärmequelle wirkenden ersten Wärmereservoir (2a) und mit einem als Wärmesenke wirkenden zweiten Wärmereservoir (2b), – mit wenigstens einem thermisch und fluidisch mit den Wärmereservoirs (2a, 2b) verbindbaren oder verbundenen thermochemischen Reaktor (5, 5a, 5b, 5c), – mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf (3), in welchem ein Wärmeträgerfluid (F) zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs (2a, 2b) und dem wenigstens einen 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 unterschiedlich geschichteten Temperaturverteilungen zwischen den Temperaturen der Wärmereservoire (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 wenigstens einer, vorzugsweise zwei, im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) vorhandenen Fördereinrichtung(en) (8) zum Antreiben des Wärmeträgerfluids (F) im Wärmeträgerfluidkreislauf (3), – mit einem im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) vorhandenen Ventilsystem (9), welches wenigstens eine verstellbare Ventileinrichtung (10a, 10b) umfasst, mittels welchem der Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs (2a, 2b), dem thermochemischen Reaktor (5) und dem Wärmezwischenspeicher (100) durch das Wärmeübertragungsfluid (F) steuerbar ist, – mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung (4) zum Steuern des Ventilsystems (9).
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei thermochemische Reaktoren (5a, 5b, 5c) vorhanden sind, die jeweils ein separates Gehäuse (20) sowie einen Fluideinlass (11b) und einen Fluidauslass (12b) aufweisen, wobei die wenigstens zwei thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) fluidisch parallel zueinander geschaltet sind.
Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass – das Ventilsystem (9) für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor (5a, 5b, 5c) eine erste verstellbare Ventileinrichtung (10a) umfasst, mittels welcher der Fluideinlass (11b) des jeweiligen thermochemischen Reaktors (5a, 5b, 5c) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir (2a, 2b) verbindbar ist, – das Ventilsystem (8) für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor (5a, 5b, 5c) eine zweite verstellbare Ventileinrichtung (10b) umfasst, mittels welcher der Fluidauslass (12b) des jeweiligen thermochemischen Reaktors (5a, 5b, 5c) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir (2a, 2b) verbindbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs-/Regelungseinrichtung (4) zum zeitversetzen Verstellen der einzelnen ersten Ventileinrichtungen (10a) und zum zeitversetzen Verstellen der einzelnen zweiten Ventileinrichtungen (10b) eingerichtet/programmiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) ein Ausgleichbehältnis (21) zur Aufnahme des Wärmeträgerfluids (F) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Ventileinrichtungen (10a) und die zweiten Ventileinrichtung (10b) jeweils als 3/2-Wege-Umschaltventil (13a, 13b) ausgebildet sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein 3/2-Wegeventil (13a, 13b) als selbstschaltendes Ventil ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmezwischenspeicher (100) fluidisch parallel zu den zweiten Ventileinrichtungen (10b) geschaltet ist, so dass der Fluideinlass (11a) des ersten Wärmereservoirs fluidisch mit dem ersten Teilspeicher (101a) kommuniziert und der Fluideinlass (11c) des zweiten Wärmereservoirs (2b) fluidisch mit dem zweiten Teilspeicher (101b) kommuniziert.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmezwischenspeicher (100) zur simultanen Aufnahme und Abgabe einer ersten und einer zweiten Fluidmasse des Wärmeträgerfluids (F) ausgebildet ist, wobei die beiden Fluidmassen unterschiedliche Temperaturniveaus (T₁, T₂) oder Temperaturschichtungen aufweisen.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilspeicher (101a) des Wärmezwischenspeichers (100) fluidisch mit dem ersten Wärmereservoir verbunden (2a) ist und der zweite Teilspeicher (101b) des Wärmezwischenspeichers (100) fluidisch mit dem zweiten Wärmereservoir (2b) verbunden ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der volumen-variable erste Teilspeicher (101a) komplementär zum volumen-variablen zweiten Teilspeicher (102b) ausgebildet ist, so dass von den beiden Teilspeichern (101a, 101b) gebildete Gesamtvolumen konstant ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmezwischenspeicher (100) als Behältnis (103) ausgebildet ist, wobei das Behältnis (103) umfasst: – ein Gehäuse (104), in dessen Innenraum (107) beweglich ein Trennelement (106) angeordnet ist, welches den Innenraum (107) in einen volumen-variablen ersten Teilspeicher (101a) und einen thermisch vom ersten Teilspeicher (101a) isolierten, ebenfalls volumen-variablen zweiten Teilspeicher (101b) unterteilt, – einen im Gehäuse (104) vorhandenen ersten Durchlass (108a) zum Ein- und Ausleiten eines Wärmeträgerfluids (F) mit einem ersten Temperaturniveau oder (T₁) oder daran anschließende Temperaturschichtung in den bzw. aus dem ersten Teilspeicher (101a), – einen im Gehäuse (104) vorhandenen zweiten Durchlass (108b) zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids (F) mit einem zweiten Temperaturniveau (T₂) oder daran anschließende Temperaturschichtung in den bzw. aus dem zweiten Teilspeicher (101b), – wobei der volumen-variable erste Teilspeicher (101a) komplementär zum volumen-variablen zweiten Teilspeicher (101b) ausgebildet ist, so dass das von den beiden Teilspeichern (101a, 101b) gebildete Gesamtvolumen konstant ist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Durchlass (108a) ein erstes Sensorelement (110a) vorgesehen ist, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement (106) in einer ersten Endposition befindet, in welcher das Trennelement (106) einen zum ersten Durchlass (108a) minimalen Abstand besitzt, und/oder dass am zweiten Durchlass ein zweites Sensorelement (110b) vorgesehen ist, mittels welchem bestimmbar ist, ob sich das Trennelement (106) in einer zweiten Endposition befindet, in welcher das Trennelement (106) einen zum zweiten Durchlass minimalen Abstand besitzt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (4) in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung (10a, 10b) des Ventilsystems (9) ein Betriebszustand einstellbar ist, in welchem der Wärmeträgerfluidkreislauf (3) einen ersten Teilkreislauf (14a) ausbildet, und in welchem das Wärmeträgerfluid (F) zwischen dem thermochemischen Reaktor (5) und dem zweiten Wärmereservoir Wärme transportiert, so dass Wärme vom thermochemischen Reaktor (5) in das zweite Wärmereservoir (2b) übertragen wird.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Betriebszustand der erste Teilspeicher (101a) ein maximales Volumen aufweist und der zweite Teilspeicher (101b) ein minimales Volumen aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (4) in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung (10a, 10b) des Ventilsystems (9) ein Betriebszustand einstellbar ist, in welchem der Wärmeträgerfluidkreislauf (3) einen zweiten Teilkreislauf (14b) ausbildet, in welchem das Wärmeträgerfluid (F) zwischen dem thermochemischen Reaktor (5) und dem ersten Wärmereservoir (2a) Wärme transportiert, so dass Wärme vom ersten Wärmereservoir (2a) in den thermochemischen Reaktor (5) übertragen wird.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem Betriebszustand der zweite Teilspeicher (101b) ein maximales Volumen aufweist und der erste zweite Teilspeicher (101a) ein minimales Volumen aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung (10a, 10b) des Ventilsystems (9) ein Betriebszustand einstellbar ist, bei welchem mittels des Wärmeträgerfluids (F): – Wärmeträgerfluid (F) vom ersten Teilspeicher (101a) in das erste Wärmereservoir (2a) transportiert wird, und – Wärmeträgerfluid (F) vom ersten Wärmereservoir (100) in den thermochemischer Reaktor transportiert wird, und – Wärmeträgerfluid (F) vom thermochemischen Reaktor (5) in den zweiten Teilspeicher (101b) transportiert wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Steuerungs-/Regelungseinrichtung (4) in der wenigstens einen verstellbaren Ventileinrichtung (10a, 10b) des Ventilsystems (9) ein Betriebszustand einstellbar ist, bei welchem mittels des Wärmeträgerfluids (F): – Wärmeträgerfluid (F) vom zweiten Teilspeicher in das zweite Wärmereservoir (2b) transportiert wird, und – Wärmeträgerfluid (F) vom zweiten Wärmereservoir (2b) in den thermochemischen Reaktor (5) transportiert wird, – Wärmeträgerfluid (F) vom thermochemischen Reaktor (5) in den ersten Teilspeicher (101a) transportiert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Anordnung (1), insbesondere nach eine der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Wärmeträgerfluidkreislauf (3), in welchem wenigstens ein thermochemischer Reaktor (5, 5a, 5b, 5c), zwei Wärmereservoirs (2a, 2b) unterschiedlicher Temperaturniveaus (T₁, T₂) und ein Wärmezwischenspeicher (100) angeordnet sind, wobei der Wärmezwischenspeicher (100) zwei thermische und fluidisch getrennte Teilspeicher (101a, 101b) aufweist, in welchen eine im Wärmeträgerfluidkreislauf (3) vorhandenes Wärmeträgerfluid (F) thermisch und fluidisch getrennt voneinander aufnehmbar ist, – gemäß welchem zur Zuführung von Wärme aus dem ersten Wärmereservoir (2a) in den thermochemischen Reaktor (5) mittels des Wärmeträgerfluids (F) in dem ersten Teilspeicher (101a) des Wärmezwischenspeichers (100) zwischengespeichertes Wärmeträgerfluid (F) entnommen und dem ersten Wärmereservoir (2a) zugeführt wird und gleichzeitig Wärmeträgerfluid (F) aus dem thermochemischen Reaktor (5) abgeführt und in den zweiten Teilspeicher (101b) des Wärmezwischenspeicher (100) eingebracht wird, – gemäß welchem zur Abführung von Wärme aus dem wenigstens einen thermochemischen Reaktor (5, 5a, 5b, 5c) in das zweite Wärmereservoir (2b) mittels des Wärmeträgerfluids (F) in dem zweiten Teilspeicher (101b) des Wärmezwischenspeichers (100) zwischengespeichertes Wärmeträgerfluid (F) entnommen und dem zweiten Wärmereservoir (2b) zugeführt wird und gleichzeitig Wärmeträgerfluid (F) aus dem thermochemischen Reaktor (5, 5a, 5b, 5c) abgeführt und in den ersten Teilspeicher (101a) des Wärmezwischenspeichers (100) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens zwei thermochemische Reaktoren (5a, 5b, 5c) vorhanden sind, die jeweils ein separates Gehäuse (20) sowie einen Fluideinlass (11b) und einen Fluidauslass (12b) aufweisen, wobei die wenigstens zwei thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) fluidisch parallel zueinander geschaltet sind, – das Ventilsystem (9) für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor (5a, 5b, 5c) eine erste verstellbare Ventileinrichtung (10a) umfasst, mittels welcher der Fluideinlass (11b) des jeweiligen thermochemischen Reaktors (5a, 5b, 5c) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir (2, 2b) verbindbar ist, – das Ventilsystem (9) für jeden vorhandenen thermochemischen Reaktor (5a, 5b, 5c) eine zweite verstellbare Ventileinrichtung (10b) umfasst, mittels welcher der Fluidauslass (12b) des jeweiligen thermochemischen Reaktors (5a, 5b, 5c) wahlweise mit dem ersten oder dem zweiten Wärmereservoir (2a, 2b) verbindbar ist, – wobei gemäß dem Verfahren das Umschalten der vorhandenen ersten Ventileinrichtungen (10a) zum Verbinden der thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) mit dem ersten oder zweiten Wärmereservoir (2a, 2b) zeitversetzt erfolgt, – wobei gemäß dem Verfahren das Umschalten der vorhandenen ersten Ventileinrichtungen (10a) zum Verbinden der thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) mit dem ersten oder zweiten Wärmereservoir (2a, 2b) zeitversetzt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das zeitversetzte Umschalten der ersten und zweiten Ventileinrichtungen (10a, 10b) derart erfolgt, dass wenigstens einer der thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) und höchstens zwei der vorhandenen thermochemischen Reaktoren (5a, 5b, 5c) gleichzeitig das Temperaturniveau (T₁) des ersten Wärmereservoirs (2a) besitzen.