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Die Erfindung betrifft eine Kältespeicheranlage zur zyklischen Kühlung einer Kühlumgebung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein mit der Kältespeicheranlage durchgeführtes Speicherkühlverfahren.
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Die Kälteerzeugung bzw. Kühlung durch Lösungsvorgänge ist ein hinlänglich bekanntes Phänomen. Als Kälteeffekt wird die positive Lösungsenthalpie genutzt, die bei Lösung bestimmter Salze im Lösungsmittel Wasser entsteht. Infolge des endotherm ablaufenden Lösungsprozess kommt es zur Abkühlung der sich bildenden Salzlösung.
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Dieser Effekt ist unter anderem auch für Kältekreise in Kältemaschinen anwendbar, wobei es zur Aufrechterhaltung des Kreisprozesses allerdings erforderlich ist, das Wasser nach dem kälteerzeugenden Lösungsvorgang wieder aus der Salzlösung durch Verdampfen oder Verdunsten auszutreiben.
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Zu den Kältemaschinen, die einen solchen Lösungsvorgang im Kreisprozess verwirklichen, zählen die Absorptionskältemaschinen. Technisch wird jedoch nicht die Lösung eines Salzes, wie zum Beispiel Lithiumbromid (LiBr), zur Kühlung genutzt, sondern die Verdampfung des Kältemittels Wasser. Die temperaturbedingte Aufnahme und Abgabe des Kältemitteldampfes in der LiBr-Lösung entspricht hierbei dem Verdichtungsprozess klassischer Kompressionskältemaschinen, weshalb auch von thermischer Verdichtung gesprochen wird.
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Daneben sind Kältemaschinen bekannt, bei denen der Lösungs- und Verdünnungsvorgang selbst zur Kühlung einer Kühlumgebung genutzt wird.
DE 490 280 A und
DE 505 617 A beschreiben jeweils ein solches, kontinuierlich arbeitendes Verfahren, bei dem in einer Heizkammer der Wasseranteil der Salzlösung verdampft wird. Das Salz wird durch die Beheizung ebenfalls verflüssigt und in den Bereich der Kühlumgebung geleitet, wo es in dem zwischenzeitlich kondensierten Wasser - unter Nutzung des Kühleffektes - gelöst wird.
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Aus
DE 26 19 577 A1 ist ein Verfahren zur Kühlung eines flüssigen Mediums in einem Wärmeaustauscher bekannt, gemäß dem sich eine endotherme Substanz in Kristallform im unteren Teil einer geschlossenen, vorzugsweise evakuierten Säule befindet. In diesem unteren Teil der Säule ist auch der Wärmeaustauscher angeordnet. Der endothermen Substanz in der Säule wird ein Lösungsmittel zugeführt, wobei sich die Kristalle in dem Lösungsmittel auflösen, die Temperatur am Wärmeaustauscher infolge des endothermen Lösungsvorganges sinkt und die dabei entstehende gesättigte Lösung in der Säule aufsteigt.
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AT 126 813 B offenbart eine Kühlvorrichtung für den Kocherabsorber einer periodisch arbeitenden Absorptionskältemaschine mit einer im Kreislauf geführten tiefsiedenden Flüssigkeit, deren Verdampfer den Kochabsorber kühlt und deren Kondensator mit dem Kondensator der Kältemaschine in demselben luftgekühlten Kühlwasserbehälter liegt.
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Ferner ist aus
DE 29 42 697 A1 eine mehrstufige Absorptionswärmepumpe bekannt, mittels der periodisch wechselnd in einer Absorptionsphase der Umweltluft Wärme entzogen und in einer Austreibungsphase an eine Heizung abgegeben werden.
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Bei einer Reihe von thermischen Anlagen tritt Kühlbedarf nur periodisch auf. In solchen Fällen ist die gezielte Kühlung während der thermischen Spitzenbelastung häufig effektiver als eine Dauerkühlung. Um Prozesse mit einem derartigen diskontinuierlichen Kühlbedarf effizient zu nutzen, ist die Zwischenspeicherung von Energie in Form eines Kältespeichers unerlässlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kältespeicheranlage sowie ein Speicherkühlverfahren zur zyklischen Kühlung einer Kühlumgebung bereitzustellen, die eine effiziente Kühlung bzw. Spitzenkühlung auf Basis der aus einer Heizumgebung gewonnenen Wärmeenergie ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kältespeicheranlage mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 und sowie ein Speicherkühlverfahren nach Anspruch 7 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 6 sowie 8 bis 10 aufgeführt.
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Nach Maßgabe der Erfindung weist die Kältespeicheranlage zur zyklischen Kühlung einer Kühlumgebung einen teilweise mit einer wässrigen Salzlösung gefüllten Phasenwechselreaktor, einen Verflüssiger und einen Wasserspeicher auf. Die Salzlösung ist aus einem Salz gebildet, dessen Reaktion bei Lösung in Wasser eine positive Enthalpie besitzt.
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Der Verflüssiger ist über eine Wasserdampf zuführende Leitung mit dem Phasenwechselreaktor und über eine flüssiges Wasser abführende Leitung mit dem Wasserspeicher verbunden.
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Des Weiteren ist der Wasserspeicher mit dem Phasenwechselreaktor mittels einer Leitung verbunden, über die im Wasserspeicher zwischengespeichertes flüssiges Wasser abführbar ist. Diese den Wasserspeicher mit dem Phasenwechselreaktor verbindende Leitung besitzt eine Absperrarmatur zur Freigabe oder zur Unterbrechung des Wasserzuflusses zum Phasenwechselreaktor. Die Absperrarmatur ist beispielsweise ein Ventil, ein Schieber, eine Klappe, ein Kugelhahn oder dergleichen.
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In die Salzlösung im Phasenwechselreaktor tauchen ein oder mehrere Wärmeübertrager, der oder die erfindungsgemäß so ausgebildet sind, dass der Wärmetransfer in die Salzlösung über den oder die Wärmeübertrager wechselweise entweder auf die Kühlumgebung oder auf eine Heizumgebung umschaltbar ist. Die Absperrarmatur ist bei Wärmetransfer aus der Kühlumgebung geöffnet und bei Wärmetransfer aus der Heizumgebung geschlossen.
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Das mittels dieser Kältespeicheranlage durchgeführte Speicherkühlverfahren unterteilt sich in zwei Phasen, nämlich eine Kältespeicherphase und eine Kühlphase. Beide Phasen wechseln sich zyklisch ab.
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Die Salzlösung weist zu Beginn der Kältespeicherphase eine niedrige Salzkonzentration auf. Die den Wasserspeicher mit dem Phasenwechselreaktor verbindende Leitung wird mittels der Absperrarmatur verschlossen, d. h., es findet kein Zufluss von Wasser aus dem Wasserspeicher in den Phasenwechselreaktor bzw. in die im Phasenwechselreaktor zu Beginn der Kältespeicherphase befindliche niedrigkonzentrierte Salzlösung statt.
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Die Salzlösung im Phasenwechselreaktor wird durch Zuführen von Wärmeenergie aus der Heizumgebung erwärmt, wobei der Wasseranteil der Salzlösung teilweise verdampft und sich eine hochkonzentrierte Salzlösung bildet. Wird die Löslichkeitsgrenze überschritten kommt es zur Kristallisation des Salzes; die hochkonzentrierte Salzlösung enthält dann zusätzlich das kristallisierte Salz.
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Der aus dem Phasenwechselreaktor abgeführte Wasserdampf wird im Verflüssiger kondensiert und anschließend in den Wasserspeicher geleitet; die Ausleitung des Wasserdampfes aus dem Phasenwechselreaktor kann mittels eines im Phasenwechselreaktor befindlichen Ventilators, vorzugsweise eines Axialventilators, unterstützt werden. Aufgrund der geschlossenen Absperrarmatur sammelt sich das destillierte Wasser im Wasserspeicher.
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Zu Beginn der Kühlphase befindet sich im Phasenwechselreaktor die hochkonzentrierte Salzlösung bzw. das Gemisch aus der hochkonzentrierten Salzlösung und dem kristallisierten Salz.
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Die Initiierung der Kühlphase erfolgt durch Einleitung des flüssigen Wassers in den Phasenwechselreaktor, indem die Absperrarmatur in der den Wasserspeicher mit dem Phasenwechselreaktor verbindenden Leitung geöffnet wird. Im Phasenwechselreaktor bildet sich nun aus der hochkonzentrierten Salzlösung durch Verdünnung mit dem Wasser bzw. durch Lösung des kristallisierten Salzes im Wasser wiederum die niedrigkonzentrierte Salzlösung.
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Aus der Kühlumgebung wird während dieses Lösungsvorganges Wärmeenergie zum Wärmeübertrager geführt. Die Wärme geht aufgrund der positiven Lösungsenthalpie der Lösungsreaktion in die Salzlösung über. Durch den Wärmetransfer aus der Kühlumgebung in die sich durch Verdünnung aus der hochkonzentrierten Salzlösung bzw. durch Lösung des kristallisierten Salzes bildende niedrigkonzentrierte Salzlösung wird die Kühlung der Kühlumgebung erreicht.
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Einer der Vorteile der vorgeschlagenen Kältespeicheranlage und des Speicherkühlverfahren besteht in der Möglichkeit der bedarfsgerechten Kühlung bzw. Speicherung der Kälteenergie - ähnlich dem Prinzip von Pumpspeicherkraftwerken. So kann überschüssige Wärmeenergie bzw. sonst ungenutzte Abwärme während der Kältespeicherphase der Kältespeicheranlage zugeführt werden. Vorzugsweise wird diese aus der Heizumgebung dem Wärmeübertrager zugeführte Wärme (exergetisch vorteilhaft) aus einem Wärme- oder Abwärmeprozess mit niedrigem Temperaturniveau eingespeist, d. h., der Temperaturunterschied zwischen Wärmesenke und Wärmequelle liegt zum Beispiel im Bereich von 5 K bis 10 K.
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Ebenso wie die Wärmezufuhr während Kältespeicherphase kann die Kühlphase auf den jeweiligen Kühlbedarf gezielt angepasst werden. Zwischenzeitliche Kühlverluste wie bei Wasserwärmespeichern treten nicht auf. Ein weiterer Vorteil gegenüber Wasserwärmespeichern ist die Möglichkeit der Kühlung auf Temperaturen unter 0 °C. Die erreichbaren Tiefsttemperaturen hängen hierbei von der Ausgangstemperatur und der Art des Salzes bzw. des Salzgemisches ab, welches im Phasenwechselreaktor genutzt wird.
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Die Kältespeicheranlage und das Speicherkühlverfahren sind u. a. anwendbar für Rückkühlprozesse, als Ergänzung bestehender kältetechnischer Anlagen, in der thermischen Solarenergienutzung, zur Abwärmenutzung bei Prozessen der Papier- und Chemieindustrie ebenso wie zur Spitzenlastkühlung von elektrischen Anlagen. Beispielsweise können Fotovoltaikanlagen während ihres Normalbetriebs durch Abführung und Speicherung der Wärme mittels der Kältespeicheranlage passiv gekühlt werden. Zum Abfangen kurzzeitig auftretender Spitzentemperaturen - und der damit verbundenen Leistungsverluste - wird dann gezielt die Kühlphase eingeleitet. Somit können die Fotovoltaikanlagen bei nahezu konstantem Temperaturniveau ohne gravierende Leistungseinbrüche betrieben werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Kältespeicheranlage weist diese genau einen der Wärmeübertrager auf, der zum Wärmetransfer wechselweise auf die fluidtechnische Führung entweder eines Kühlmediums oder eines Heizmediums umschaltbar ist. Das Kühlmedium ist in einem Kühlkreis zur Kühlung der Kühlumgebung und das Heizmedium in einem Heizkreis zur Aufnahme von Wärme aus der Heizumgebung fluidtechnisch geführt, wobei der Wärmeübertrager wechselweise Teil des Heiz- oder des Kühlkreises ist.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Kältespeicheranlage zwei der Wärmeübertrager besitzt, die jeweils in einem separaten Kühl- und Heizkreis eingebunden sind. Der erste Wärmeübertrager ist Teil des separaten, ein Kühlmedium fluidtechnisch führenden Kühlkreises zur Kühlung der Kühlumgebung; der zweite Wärmeübertrager ist Teil des separaten, ein Heizmedium fluidtechnisch führenden Heizkreises zur Aufnahme von Wärme aus der Heizumgebung. Der Wärmetransfer in die Salzlösung ist wechselweise entweder auf den Kühlkreis mit dem ersten Wärmeübertrager oder auf den Heizkreis mit dem zweiten Wärmeübertrager umschaltbar.
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Geeignete Salze zur Herstellung der Salzlösung sind beispielsweise Ammoniumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumnitrat, Ammoniumnitrat, Natriumsulfat oder Kaliumcarbonat oder ein Gemisch aus einer Auswahl von diesen oder anderen geeigneten Salzen.
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Vorzugsweise bilden der Phasenwechselreaktor, der Verflüssiger, der Wasserspeicher und die diese verbindenden wasser- oder wasserdampfführenden Leitungen einen geschlossenen Wasserkreislauf. Die so ausgebildete Kältespeicheranlage kann mit Unterdruck in diesem Wasserkreislauf betrieben werden. Gegenüber dem Betrieb bei normalem Atmosphärendruck erleichtert die bei Unterdruck geringere Siedetemperatur das Austreiben des Wassers aus der Salzlösung sowie die anschließende Verflüssigung des Wasserdampfes.
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Der Verflüssiger wird bevorzugt mit Umgebungsluft gekühlt. Hierzu besitzt die Kältespeicheranlage beispielsweise ein den Verflüssiger umgebendes luftgekühltes Kühlwerk. Das Kühlwerk kann einen Ventilator besitzen, der eine Luftströmung um bzw. durch den Verflüssiger erzeugt.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu veranschaulichen:
- 1: die Kältespeicheranlage im Fließbild ,
- 2: die Kühlphase im Fließbild, und
- 3: die Kältespeicherphase im Fließbild.
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Die Kältespeicheranlage gemäß der 1 umfasst als Teile eines geschlossenen Wasserkreislaufes den mit der Salzlösung 1 und ggf. kristallisiertem Salz 2 teilweise gefüllten Phasenwechselreaktor 7, den im umgebungsluftgekühlten Kühlwerk 10 befindlichen Verflüssiger 12 sowie den Wasserspeicher 8. Als Salz 2 zur Bildung der Salzlösung 1 wird zum Beispiel Ammoniumchlorid verwendet.
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Im Phasenwechselreaktor 7 befindet sich der einzige Wärmeübertrager 11, in dem wechselweise entweder das Heizmedium 13 oder das Kühlmedium 14 fluidtechnisch geführt wird.
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Durch die Beheizung mit dem Heizmedium 13 wird die im Phasenwechselreaktor 7 nach dem Ende der Kühlphase vorhandene niedrigkonzentrierte Salzlösung 1.1 unter Bildung von Wasserdampf 4 aufkonzentriert. Bei Überschreitung der Löslichkeitsgrenze findet zudem die Kristallisation des Salzes 2 statt.
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Der Wasserdampf 4 wird aus dem Phasenwechselreaktor 7 mit Unterstützung durch den (Axial-)Ventilator 18 zum Verflüssiger 12 geleitet; im Verflüssiger 12 kondensiert der Wasserdampf 4 durch die Kühlung mit Umgebungsluft 5. Die zur Kühlung genutzte Umgebungsluft 5 wird nach Austritt aus dem Kühlwerk 10 als Abluft 6 wieder in die Umgebung abgeführt. Zur Erzeugung der Luftströmung durch den Verflüssiger 12 dient der im Kühlwerk 10 befindliche (Axial-)Ventilator 17.
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Aus dem Verflüssiger 12 gelangt das flüssige Wasser 3 in den Wasserspeicher 8 und sammelt sich in diesem infolge der in der Kältespeicherphase geschlossenen Absperrarmatur 9.
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Während der auf die Kältespeicherphase folgenden, nach Bedarf eingeleiteten Kühlphase wird durch den Wärmeübertrager 11 statt des Heizmediums 13 das Kühlmedium 14 geleitet. Gleichzeitig wird die Absperrarmatur 9 geöffnet. Hierdurch gelangt das Wasser 3 aus dem Wasserspeicher 8 in den Phasenwechselreaktor 7. Durch die Vermengung des Wassers 3 mit der hochkonzentrierten Salzlösung 1.2, die ggf. auch kristallisiertes Salz 2 enthält, wird dem Kühlmedium 14 Wärme entzogen. Der Kühleffekt klingt mit Bildung der niedrigkonzentrierten Salzlösung 1.1 ab.
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Die 2 verdeutlicht den Wärmetransfer während der Kühlphase. Das Kühlmedium 14 zirkuliert zwischen dem durch den Lösungseffekt gekühlten Wärmeübertrager 11 und der Kühlumgebung 16.
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Während der Kältespeicherphase - siehe hierzu 3 - wird die Kältespeicheranlage wieder aufgeladen, indem der niedrigkonzentrierten Salzlösung 1.1 ein Teil des Wassers in Form von Wasserdampf 4 entzogen wird. Das Heizmedium 13 nimmt die zur Verdampfung erforderliche Wärme aus der Heizumgebung 15 auf und transferiert sie über den Wärmeübertrager 11 in die Salzlösung 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Salzlösung
- 1.1
- niedrigkonzentrierte Salzlösung
- 1.2
- hochkonzentrierte Salzlösung
- 2
- kristallisiertes Salz
- 3
- flüssiges Wasser
- 4
- Wasserdampf
- 5
- Umgebungsluft
- 6
- Abluft
- 7
- Phasenwechselreaktor
- 8
- Wasserspeicher
- 9
- Absperrarmatur
- 10
- Kühlwerk
- 11
- Wärmeübertrager
- 12
- Verflüssiger
- 13
- Heizmedium
- 14
- Kühlmedium
- 15
- Heizumgebung
- 16
- Kühlumgebung
- 17
- Ventilator am Verflüssiger
- 18
- Ventilator im Phasenwechselreaktor
