DE19963322A1

DE19963322A1 - Sorptionswärmespeicher hoher Energiedichte

Info

Publication number: DE19963322A1
Application number: DE19963322A
Authority: DE
Inventors: Helmut Stach; Peter Muenn; Bernd Fuesting; Hartmut Welke
Original assignee: Individual
Current assignee: Fuesting Bernd 13086 Berlin De
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: US6672103B1; DE19963322B4; US20040000164A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sorptionswärmespeicher hoher Energiedichte, bevorzugt zur Speicherung von Niedertemperaturwärme und ist dadurch gekennzeichnet, daß in Anlehnung an den technischen Entwicklungsstand in kommerziell verfügbare und standardisierte Wärmeübertrager unterschiedlicher Typen für Stoff- und Wärmeumsätze an Feststoffen einfache apparative Erweiterungen zur Wärmeführung und Strömungsführung des Arbeitsmittels eingebracht werden, die eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades infolge eines Wärmeverbunds im Sorptionswärmespeicher 1 selbst erzielen, wobei ein Rohrmantel 2 mit Rohrböden 3; 3' und mit Wärmeträgerrohren 4 versehen ist, die die Sorbensschüttung 5 zwischen den Tragböden 6; 6' durchdringen, sich dazwischen jeweils die Vliesschichten 9; 9' befinden, der Rohrmantel 2 wesentlich von einem Arbeitsmitteltank 10 umschlossen wird, der die Arbeitsmittelführungen 11; 11' mit den Ventilen 12; 12' aufweist, die ihrerseits mit den Vliesschichten 9; 9' in Verbindung stehen und die Tauchung 13 im Bodenbereich den Durchlaß 16 aufweist, sowie daß anteilig Wärmeträgerrohre 4 mit Rippen 27 versehen sind und durch Öffnungen 29 des Tragbodens 6' und die Vliesschicht 9' lose hindurchgeführt werden, jedoch mit den Rohrböden 3; 3' fest verbunden sind, und die Rippen 27 von einem feinperforierten Netzwerk 28 umschlossen werden. DOLLAR A Das zugehörige Verfahren betrifft die autotherme Verdampfung des Arbeitsmittels, wobei in einem Entladungsvorgang in einem ersten ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Sorptionswärmespeicher hoher Energiedichte, insbesondere zur zeitlich-periodischen Speicherung von Nutzwärme und ein Verfahren zur Wärmespeicherung.

Sorptionsspeicher werden dazu benutzt, zeitlich und örtlich periodisch anfallende Wärmeenergien mit Hilfe eines Arbeitsmit tels gezielt und nutzerfreundlich wieder abrufbar in einem sorp tionsaktiven Speichermaterial eines mikroporösen Feststoffes auf zubewahren. Bevorzugte Anwendungen betreffen die jahreszeitlich saisonale oder kurzzeitige Speicherung von Wärme in der Haus- und Gebäudetechnik zur Heizung und Klimatisierung von Räumen oder zur Erwärmung von Brauchwasser.

Moderne Systeme zur Sorptionsspeicherung bestehen in der Re gel aus einem wärmeisolierten Behälter, der periodisch mit Wärme energie gezielt beladen und abrufbar wieder entladen wird. Zu diesem Zweck wird das Arbeitsmittel periodisch mittels Verdamp fern in einen gasförmigen Zustand überführt und beim Entladevor gang des Speichers an geeigneten porösen Sorbentien gebunden. Da bei wird Sorptionswärme freigesetzt, die über Nutzwärmekreisläufe an weitere flüssige oder gasförmige Wärmeträger abgegeben werden kann. Im Ladevorgang der Speicher erfolgt eine Entfernung des Ar beitsmittels von den Sorbentien durch Desorption. Diese erfolgt durch Zuführung von Wärme aus Energienetzwerken oder bevorzugt aus anderen örtlich vorhandenen Wärmequellen, wie aus Einrichtun gen zur Gewinnung von Solarenergie oder von Erdwärme, wobei das Arbeitsmittel in beigeordneten Kondensatoren wieder verflüssigt wird. Damit können in Schwachlastperioden der Energienetzwerke kostengünstigere thermische oder elektrische Energieformen so ge speichert werden, daß vorteilhaft in Perioden gesteigerten Ener giebedarfs zusätzliche Anteile an Nutzwärme verfügbar werden.

Gemäß einer Firmenschrift "Sorptionsspeicher - Saisonale Wärmespeicherung mit hohen Energiedichten" der Firma UFE SOLAR GmbH, Alfred-Nobel-Straße 1, 16225 Eberswalde/Brandenburg, Auto ren W. Mittelbach und H.-M. Henning, überschreiten die Energie dichten diejenigen eines herkömmlichen Wasserspeichers je nach Tiefe und Spanne des erzeugten Ladezustandes um das Vier- bis Fünffache.

In neueren Vorschlägen zu Sorptionsspeichern wird bean sprucht, mittels zunächst verbal eingeführten Begriffen wie "Kom paktspeicher" oder "Hochleistungsspeicher" und den daraus abge leiteten technischen Maßnahmen, die Energiespeicherdichten und den thermischen Wirkungsgrad dadurch anzuheben, daß insgesamt in einem infolge der geometrischen Abmessungen des Apparates be grenzten Raum die mindestens drei ursprünglich räumlich getrenn ten Bereiche Sorptionsbereich, Verdampfer- und/oder Kondensati onsbereich und ein Bereich für die Bevorratung mit dem Arbeits mittel, in der Regel Wasser, in einem gemeinsamen Behälter verei nigt werden. Derartige Lösungen (vgl. DE 40 19 669, DE 198 11 302 und EP 0 897 094) sind relativ einfach herzustellen und in Neben gelassen von Gebäuden, z. B. von Häusern, zu montieren und mit ei nigem Aufwand für die Steuerung und Regelung allein von Ventilen für Zwecke einer Heizung, Klimatisierung und Brauchwasserberei tung zu betreiben.

In der Regel werden der Verdampfer und der Kondensator un terhalb des Sorbensraumes angeordnet und periodisch aufeinander folgend von meist zwei Kreisläufen durchströmt, die alternierend verschaltet Wärmeträgerkreisläufe von fossil betriebenen Heizun gen und von Solar- oder Erdwärmekreisläufen darstellen. Das sorp tionsaktive Volumen des Speichers muß evakuierbar und hermetisch verschließbar sein, um das zwischen Beladungs- und Entladungsvor gang bestehende und zyklisch umkehrbare Beladungsspiel maximal auszunutzen. Aufgabe jeder Entwicklung eines Sorptionsspeichers ist deshalb die Maximierung dieses Beladungsspieles, das druckab hängig durch zwei voneinander getrennte Isothermen, derjenigen beim Adsorptions- und beim Desorptionsvorgang, bestimmt wird.

Dabei treten jedoch grundsätzliche Probleme auf, die mit den Transportvorgängen für Stoff und Wärme, betreffend die Heiz-, Kühl- und Arbeitsmittel, sowohl im inneren des Behältervolumens als auch über die den Transport vermittelnden Oberflächen der Leitungssysteme zusammenhängen:

- Die Sorbentien weisen ein stark beschränktes Wärmeleitvermögen auf, so daß der angestrebte gute Wärmeausgleich in einer Vor zugsrichtung des Behälters, aber auch in einer seiner Querrich tungen, behindert wird. Die Sorbentien bestehen in der Regel aus granulierten oder pelletierten Partikeln, die sich in Form von Kornhaufwerken zwischen den wärme- und strömungsführenden Einrichtungen befinden. Zur Erhöhung der Speicherdichte werden hohe Füllungsanteile angestrebt, wobei notwendige, die Wärme vermittelnde Einbauten den speicheraktiven Raum einschränken.
- Die freien Wege für den Stofftransport des Arbeitsmittels wer den innerhalb der Haufwerke infolge der angestrebt höheren Fül lungsanteile mit Sorbentien vermindert. Darüber hinaus besitzen die Sorbentien äußere wie innere Porensysteme, die vom Arbeits mittel zur Erzielung einer hohen Speicherdichte möglichst voll ständig ausgefüllt werden müssen.
- Bei der Vereinigung von Verdampfer- und Kondensatorteilen in nerhalb eines Behälters und auf engem Raum treten über die wär me- und strömungsführenden Einrichtungen im Behälter die Trans portvorgänge kurzschließende "Brücken" auf, die den angestreb ten Ablauf der Ausgleichsvorgänge über den gesamten Sorbensraum verkürzen und zu einer den Wirkungsgrad verringernden Bypass bildung der Strömung beitragen.
- Bei einer Ausgestaltung des Sorptionsspeichers in einer nicht optimal hohen Kompaktheit muß der Anteil der äußeren Wärmeiso lation relativ groß sein, um über längere Zeit eine ausreichen de Aufrechterhaltung der Energiedichte zu erreichen. Innere Isolationen zwischen Verdampfer und Kondensator würden dagegen die Speicherdichte zusätzlich vermindern. Demgemäß kann bei ei ner Vergrößerung des Maßstabs der Anteil der äußeren Isolation dadurch zurücktreten, daß ein Wärmegefälle von inneren und wär meren zu äußeren und kühleren Räumen eingestellt wird.

Zu diesen Problemen werden auch in den neueren Lösungsvor schlägen kaum Angaben gemacht.

Es ist jedoch bekannt, daß übliche, moderne Wärmeübertrager, beispielsweise ausgestaltet als Rohrbündel- oder Mantelwärmeüber trager, bei einer optimalen Ausgestaltung und Auslegung bis zu mehreren Metern im Durchmesser, in hohem Maße diese Probleme ein schränken und auch verringern können. Wärmeübertrager sind in standardisierten Bauweisen und Baureihen verfügbar, die z. B. durch solche Normen für Rohrbündelwärmeübertrager festgelegt sind, wie durch DIN 28 182: Rohrteilungen, Durchmesser der Boh rungen in Rohrböden, Umlenksegmenten und Stützplatten; DIN 28 185: Rohrbündel-Einbauten oder DIN 28 008: Abmaße und Toleran zen. Der dementsprechend hoch entwickelte Wissensstand für ihre Auslegung und Dimensionierung ist ebenfalls in Standardwerken festgehalten, wie in den Handbüchern "Verfahrenstechnische Be rechnungsmethoden", Teil 1 - Wärmeübertrager; Teil 5 - Chemische Reaktoren; Apparate, Ausrüstung und ihre Berechnung, Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1981.

Es ist weiterhin aus DE 39 25 704 bekannt, daß durch die Verwendung von Rippenrohren als Innenrohre ein relativ langer Weg und eine große Übertragungsfläche für das zweite Wärmeübertra gungsmedium um das Innenrohr und damit ein guter Wärmeübergang erzielt werden, indem z. B. ein flexibles Schlauchgebilde, einen Strömungskanal ausbildend, auf die Rippen aufgeschrumpft wird. Derartig modifizierte Rippenrohre ermöglichen jedoch noch nicht eine geeignete Führung des Arbeitsmittelstromes, der über Öffnun gen mit dem Sorbens in Verbindung stehen muß. Neuere Entwicklun gen, wie z. B. in DE 195 39 105, betreffen deshalb Anordnungen von sogenannten Sorptionswärmeübertragern, in denen die Kanäle für das dampfförmig strömende Arbeitsmittel und die inneren wärmefüh renden Einrichtungen in einer der Querabmessungen weitgehend an einander angepaßt sind. Für eine Vergrößerung des Maßstabs kann auch eine günstige Führung des Arbeitsmittels in einer Längsvor zugsrichtung (der Hauptachse des Apparats) erfolgen, die jedoch bei der gewählten bekannten Anordnung von wärmeleitenden Lamellen noch nicht gewährleistet ist. Bei Sorptionswärmespeichern sind die Möglichkeiten zur Vergrößerung des Maßstabs dadurch einge schränkt, daß das feste Sorbens prozeßbedingt nicht wie ein Fluid bewegt werden kann.

Das Anliegen, Verdampfungs- und Kondensationsprozesse in ei nem gemeinsamen Apparat und in kompakter Ausführung zu realisie ren, ist bisher nur auf dem Gebiet der thermischen Stofftrennung, so bei der Destillation und Rektifikation, beispielsweise der Trennung von Kohlenwasserstoffgemischen zur Kraftstoffgewinnung für Verbrennungsmotoren in großem wirtschaftlichen Umfang einge führt worden. Bei der Verdampfung und Kondensation von Wasser, so zum Zweck der Wasserreinigung, kann sich aufgrund der hohen er forderlichen Verdampfungswärmen dieser Prozeß dann unwirtschaft lich gestalten, wenn ein Wärmeverbund zwischen unterschiedlichen Teilprozessen oder Apparateteilen fehlt, beispielsweise mittels Wärmepumpen. Der Wirkungsgrad von Verdampfungs- und Kondensati onsprozessen, so z. B. in DE 196 46 458 und DE 196 47 378 auf dem Gebiet der Wasseraufbereitung und Wasserreinigung, kann dadurch erhöht werden, daß Verdampfer und Kondensator einander benachbart sind, zwischen beiden ein abgestuftes Wärmegefälle besteht und die Kondensation des Dampfes in einem direkten Wärmekontakt mit tels Hindurchleiten durch das zumindest anteilig bereits vorlie gende Kondensat erfolgt. Dieser gewissermaßen simulierte Wärme pumpeneffekt wird vorteilhaft in Mischkondensatoren und durch Drosselung des den Kondensator durchströmenden und gleichzeitig kondensierenden Zweiphasengemisches erreicht. Bei einer Variante eines Sorptionsspeichers nach DE 198 11 302, einer sogenannten Tankin-Tank-Anordnung, wird bereits angegeben, daß das aktive Speichervolumen von einem Kondensator bzw. vom Kondensatbehälter umschlossen wird. Diese Anordnung besitzt hinsichtlich einer von innen nach außen abklingend gestuften Wärmeübertragung in den Querabmessungen Vorteile, indem sich im Inneren des Speichers ein aufgeheiztes Speichervolumen mit einem Temperaturgefälle in peri pherer Richtung ausbildet, ein Kondensationsbereich mit einer niedrigeren Temperatur entsteht, damit die äußere Wärmeisolation des Behälters in ihrer wärmedämmenden Funktion gewissermaßen ent lastet wird und entsprechend niedriger ausgelegt werden kann. In einer schematischen Darstellung der Kondensationsvorrichtung wer den jedoch auch hier keine Ausführungen zu ihrer Ausgestaltung gemacht. Es wurden auch keine anderen Lösungen bekannt, bei denen die Verdampfung des Arbeitsmittels direkt im Speicher und in un mittelbarer Nähe des Sorbensraumes erfolgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sorp tionsspeicher mit hoher Energiedichte zu entwickeln,

- der bezüglich der Ausgestaltung und Auslegung auf bewährte Lö sungen technischer Wärmeübertragungsprozesse und der chemisch katalytischen Reaktionstechnik zurückgreift,
- der hinsichtlich des Wissensstandes zu Stoff- und Wärmeaus tauschprozessen an Festkörperschüttungen eine exakte Vergröße rung des Maßstabs zuläßt,
- der eine verbesserte Führung des Arbeitsmittels aufweist, das beim Entladevorgang im Volumen des Sorbens über einen ausge dehnten Flächenquerschnitt der Vorrichtung in unmittelbarer Nä he eines Einganges des Wärmeträgers verdampfen soll,
- bei dem eine Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmittels au ßerhalb des Sorbensvolumens über einen direkten Wärmeaustausch mit seinem eigenem Kondensat erfolgt,
- und bei dem der Kondensatorteil gleichzeitig die tankartige Be vorratung des Speichers mit flüssigem Arbeitsmittel darstellt.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß standardi sierte und kommerziell verfügbare Wärmeübertrager, bevorzugt Rohrbündelwärmeübertrager bekannter Ausführungsform und in metal lischer Bauart, als Grundkörper für einen Sorptionswärmespeicher verwendet werden. Deren Außenmantel ist von einem Tank umgeben, der einer Bevorratung mit dem Arbeitsmittel und zur Verdampfung des Arbeitsmittels dient. Er besteht kostengünstig aus einem Kunststoff, bevorzugt aus einem durch Mineralfasern verstärkten thermoplastischen Material. Der Wärmeübertrager und der Tank sind gemeinsam evakuierbar und hermetisch verschließbar sowie von ei ner gemeinsamen Wärmeisolation umgeben. Zwischen den Rohrböden sind Wärmeträgerrohre befestigt und durchdringen entsprechend der Rohrbodenteilung die Sorbensschüttung. Ein besonderer erfinderi scher Gedanke besteht darin, daß die Wärmeträgerrohre durch die Öffnungen von ebenfalls standardisierten Tragböden für das Sor bens, mit Teilungsverhältnissen der Öffnungen, die denjenigen der Wärmeträgerrohre entsprechen, nur lose hindurchgeführt sind. Die zwischen den Rohren und den aufgebördelten Rändern der Öffnungen zugelassenen und genormten maximalen Toleranzabstände zwischen den entsprechenden Durchmessern der Rohre und der Öffnungen, bil den die kreisringartigen Durchtrittsöffnungen für das dampfförmi ge Arbeitsmittel in die und aus der Sorbensschüttung. Es versteht sich, daß die Toleranzabstände, im Millimeter- bzw. Submillime terbereich, unterhalb der kleinsten Abmessungen der Sorbensparti kel in der Schüttung liegen. Der Transport des flüssigen oder be reits dampfförmigen Arbeitsmittels in jeder der Querrichtungen des Wärmeübertragers wird durch temperaturbeständige Vliesschich ten übernommen, die sich zwischen den Rohrböden und den Trag schichten befinden. Die Vliesschichten bestehen bevorzugt aus ei nem Faservliesstoff, der saugfähig ist und das ursprünglich flüs sige Arbeitsmittel aufnimmt sowie einen direkten, das Sorbens schädigenden Eintritt von Tropfen in die Schüttung verhindert. Die aufgebördelten Ränder verhindern dabei zusätzlich, daß die die Tragböden bedeckenden Schichten des noch flüssigen Arbeits mittels in die Sorbensschüttung einfließen.

Die Vliesschichten können auch aus einer Packung eines Flüs sigkeit aufnehmenden geschütteten Material bestehen, beispiels weise aus Schaumstoffpartikeln oder aus porösen mineralischen Granulaten. Sie können auch wärmeleitfähige, bevorzugt metalli sche Fasern enthalten. Ebenso können sie aus Fasergelegen, Gewöl len oder Gestricken bestehen, die anteilig ausgedehntere metalli sche Bestandteile, wie Drähte oder daraus hergestellte Spiralen enthalten. Schließlich können sie auch aus offenporigen, zellulä re Strukturen ausbildenden Schaummetallen bestehen. Die metalli schen Bestandteile können auch lyophilisiert werden und damit durch Flüssigkeit benetzbar sein. Innerhalb der Vliesschicht kön nen auch Hilfsheizungen angeordnet sein, z. B. in Form von zusätz lichen Wärmeaustauschern oder als elektrische Heizwicklungen, die die Verdampfung des Arbeitsmittels außerdem unterstützen.

Der Entladevorgang des Speichers durch Adsorption erfolgt vorteilhaft autotherm, da mit Öffnen des Zuführungsventils für das Arbeitsmittel im Bereich des einen Rohrbodens aufgrund der im evakuierten Sorbens sprungartig entstehenden Temperaturerhöhung im Verdampferteil sofort ausreichende Wärmemengen durch freiwer dende Adsorptionswärmen verfügbar sind. Der Einleitung des Ver dampfungsvorganges beginnt somit selbständig aufgrund des Vorhan denseins geringer Restdampfdrücke des Arbeitsmittels bei den noch niedrigen Temperaturen der Vliesschichten und der Tragböden. Das Flüssigkeitsniveau im Tank sinkt von einem Bereitschaftszustand auf ein niedrigeres Niveau, den Startzustand ab, der durch den bereits auf den Tragboden und in die Vliesschicht gelangten An teil der Flüssigkeit bestimmt ist und sich über eine oben offene oder mit einer oberen Öffnung versehene Arbeitsmittelführung vor erst nicht weiter vermindern kann. Erst mit steigender Erhöhung der Temperatur im Wärmespeicher beginnt das Arbeitsmittel auch im Tank zu verdampfen und tritt mithin dann dampfförmig über die oben geöffnete Arbeitsmittelführung in die Vliesschicht ein. Da mit besitzt der Sorptionswärmespeicher ein stabiles Betriebsver halten oder auch gewisse "Notstarteigenschaften", ohne daß es zum unerwünschten Eindringen von noch flüssigem Arbeitsmittel in die Sorbensschicht kommt.

Der in zweckmäßiger Weise völlig gleichartig gestaltete Tragboden in der Nähe des zweiten Rohrbodens des Wärmeübertragers kann aus einer Vliesschicht bestehen, die mit dem gleichen Faser vliesstoff versehen ist, über den beim Ladevorgang des Sorptions wärmespeichers die Desorption erfolgt. Die zugehörige Arbeitsmit telführung wird innerhalb einer Tauchung im Tank geführt, ist über ein Absaugventil nach unten gerichtet und andererseits gegen das sich ausbildende Kondensat geöffnet. Die Tauchung weist in ihrem unteren Bereich Durchlaßöffnungen für das flüssig-gasför mige Zweiphasengemisch auf, das durch das sich ausbildende und sich aufstauende flüssige Kondensat hindurchgeleitet wird. An der nach außen gelegenen Wand der Tauchung befindet sich ein Wärme austauscher, der vorteilhaft als Rohrschlange ausgebildet und aufgewickelt ist. Durch Zuführung einer Kühlflüssigkeit durch diesen Wärmeaustauscher kann eine teilweise Kondensation des Ar beitsmitteldampfes zuerst an der inneren Wand der Tauchung erfol gen, und dann anschließend eine vollständigere Kondensation an der äußeren Wand mit der Rohrschlange.

Die Ladung des Wärmespeichers wird durch Anlegen eines Vaku ums im Kopfbereich eingeleitet. Die Tauchung wirkt als ein Misch kondensator. Eventuell nicht kondensierte Bestandteile des Ar beitsmittels werden in einem Nachkondensator abgeschieden, der dem Vakuumerzeuger vorgeschaltet und der zweckmäßig luftgekühlt ist. Es wird auch eine Abänderung des Wärmespeichers vorgeschla gen, bei der die Kondensation effektiv und zweistufig über einen Kopfkondensator erfolgt, der mit der Tauchung in strömungsseiti ger Verbindung steht. Bei Wärmespeichern mit größeren Querabmes sungen können für eine wirksame Kondensation mindestens zwei Ar beitsmittelführungen dienlich sein, die in einzelnen Tauchtassen enden.

Da sowohl beim Lade- wie auch beim Entladevorgang prozeßbe dingt Wärme für die Verdampfung des Arbeitsmittels in den Wärme speicher eingetragen werden muß, können an den Wärmeträgerrohren Zusatzheizungen angebracht sein, auch hier beispielsweise in Form von Heizschlangen oder elektrischen Heizwicklungen.

Durch das Einbringen verschiedener Vorkehrungen zum Wärme austausch im Verdampfer- wie im Kondensatorteil, durch einen Wär mepumpeneffekt, durch Strömungskonvektion und durch Wärmeleitung, kann fallweise ein intensiver Wärmeverbund auch in unterschiedli chen Teilen und in örtlich getrennten Bereichen des erfindungsge mäßen Sorptionswärmespeichers realisiert werden, der über geeig nete Verschaltungen zu steuern und zu regeln ist.

Ein weiterer erfinderischer Gedanke besteht darin, modifi zierte Wärmeträgerrohre für die Verdampfungs- und Kondensations vorgänge, die in einer ausgewählten Teilungsanordnung der Rohr- und Tragböden angebracht sind, so zu nutzen, daß auch in einer Vorzugsrichtung des Apparates, der Längsachse des Wärmespeichers, eine strömungsgünstige Führung unter einer Verteilung des Ar beitsmittels in Längsrichtung erfolgt. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn ein großes Längen-Durchmesser-Verhältnis des Sorp tionswärmespeichers eingestellt werden und die Gefahr eines un vollkommenen Längsausgleiches der Strömung des Arbeitsmittels in der Sorbensschüttung ausgeschlossen werden soll. Zweckmäßig wer den Rippenrohre als Wärmeträgerrohre eingesetzt, die als Verdamp ferrohre an ihrem Umfang mit perforiertem Netzwerk umgeben sind, damit einen zusätzlichen Strömungskanal bilden und Öffnungen für den Durchtritt des Arbeitsmittels in die Sorbensschüttung aufwei sen. Auch diese Öffnungen sollen Abmessungen besitzen, die we sentlich kleiner als die Korngrößen des Sorbens sind. Werden die Rippen quer zur Strömung des Arbeitsmittels orientiert, bei spielsweise in Form einer spiralförmigen Wicklung auf das Wärme trägerrohr, so kann das Arbeitsmittel in axialer Richtung über größere Wegstecken innerhalb der Sorbensschüttung strömen und so unterschiedliche Höhenschichtungen erreichen, dabei aber auch gleichzeitig verdampfen. Entsprechend eingerichtete Kondensatroh re sind zweckmäßig mit Längsrippen versehen, an denen das Konden sat zumindest teilweise abläuft und in eine untere Vliesschicht abgezogen werden kann.

Auch innerhalb der Strömungskanäle können sich Vliesschich ten befinden. Es ist insbesondere von Vorteil, daß die Vlies schichten für die Verdampfer- und Kondensatorteile aufgrund der auf das Arbeitsmittel ausgeübten Kapillarkräfte in gewisser Unab hängigkeit von der Schwerkraft wirken. Somit werden auch waage rechte bzw. schräge Anordnungen des Sorptionswärmespeichers im Umgebungsraum zwecks gewünschter Anpassung an örtliche Verhält nisse ermöglicht. Auf diese Weise werden Wärmespeicher geschaf fen, die in angemessenen Größen und Speicherleistungen für eine gewerbliche oder auch industrielle Nutzung zur Verfügung stehen und in größeren umbauten Räumen untergebracht werden können.

Es wurde ebenfalls gefunden, daß die als Verdampfer ausge bildeten Elemente auch als Kondensatorteile bzw. letztere auch als Verdampferteile wirken und sich einander ersetzen können. Diese Modifizierungen sind für Sorptionswärmespeicher kleinerer Abmessungen zweckdienlich, wie für Hauswärmespeicher.

Es ist selbstverständlich, daß mehrere erfindungsgemäße Sorptionswärmespeicher modulartig zusammengeschaltet werden kön nen. Dem Stand der Technik entsprechend sind das mindestens zwei Wärmespeicher, die zyklisch-abwechselnd im Lade- und Entladezu stand betrieben werden.

Die Erfindung wird beispielhaft näher erläutert. In den zu gehörigen Figuren zeigen:

Fig. 1 den Sorptionswärmespeicher in senkrecht stehender Tank in-Tank-Behälterform als modifizierter Rohrbündelwärmeübertrager, mit Glattrohren für den Wärmeträger,

Fig. 2 eine Modifizierung des Wärmespeichers nach Fig. 1, je doch mit Tauchrohren für den Wärmeträger und einem zusätzlichen Kopfkondensator,

Fig. 3 eine Modifizierung nach Fig. 2, mit außen liegendem Tank für das Arbeitsmittel, wobei die getrennt gezeichneten bei den Tankhälften identische Teile desselben Tanks darstellen.

Fig. 4 eine Ausgestaltung eines Wärmeträgerrohres mit einem in tegriertem Verdampfer- bzw. Kondensatorteil,

Fig. 5 eine Modifizierung nach Fig. 1 mit einem senkrechten Verdampfer-/Kondensatorteil nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Modifizierung nach Fig. 1 mit einem senkrechten Kondensator-/Verdampferteil nach Fig. 4,

Fig. 7 eine Modifizierung des Wärmespeichers nach Fig. 1, je doch in liegender Ausführung, mit Umlenkrohren für den Wärmeträ ger und einem Verdampfer nach Fig. 4 sowie mit einem Plattenkon densator.

Beispiel 1

Mit Bezug auf Fig. 1 besteht der Sorptionswärmespeicher 1 aus einem Rohrmantel 2, der innerhalb der beiden Rohrböden 3; 3' mit Wärmeträgerrohren 4 verbundenen ist. Die Wärmeträgerrohre 4 durchdringen die Sorbensschüttung 5, die ihrerseits innerhalb der beiden Tragböden 6; 6' zwischen den Rohrböden angeordnet ist. Der Rohrboden 3 ist mit der Bodenhaube 7, der Rohrboden 3' mit der Kopfhaube 7' versehen, an denen sich entsprechend die Anschluß stutzen 8; 8' des Wärmeträgers befinden. Zwischen den Rohrböden 3; 3' und den Tragböden 6; 6' sind jeweils die Vliesschichten 9; 9' eingebracht. Der Rohrmantel 2 wird im wesentlichen von einem Arbeitsmitteltank 10 umschlossen, der die Arbeitsmittelführungen 11; 11' mit den Ventilen 12, 12' aufweist, die ihrerseits mit den Vliesschichten 9, 9' in Verbindung stehen. Die Tauchung 13 trägt die Rohrschlange 14 mit den Leitungen 15; 15' und weist im Boden bereich den Durchlaß 16 auf. Im Kopfbereich befindet sich der Saugstutzen 17, der in den Nachkondensator 18 übergeht und der über das Saugventil 19 mit der Vakuumpumpe 20 verbunden ist. Der Sorptionswärmespeicher 1 ist mit einer Isolation 21 umgeben. Der Nachkondensator 18 ist luftgekühlt.

Beispiel 2

Mit Bezug auf Fig. 2 sind die Wärmeträgerrohre 4 in der Nä he der Rohrböden 3; 3' mit einer Zusatzheizung 22 versehen. Die Tauchung 13 besitzt die Form einer Tasse 23. Die Sorbensschicht 5 ist mit einem Siebboden 35 verschlossen. In einem am Kopf des Wärmespeichers angeordneten Kondensator 33 befinden sich Leitein richtungen 24.

Beispiel 3

Mit Bezug auf Fig. 3 ist innerhalb des Verdampfers 3 eine Hilfsheizung 25 vorgesehen. In den Kondensator 33 ist eine zu sätzliche Kühlung 26 eingebracht.

Beispiel 4

Die Fig. 4 zeigt eine besondere Ausgestaltung der Führung für das Arbeitsmittel in Form von mit spiralförmig aufgebrachten Rippen 27 versehenen Wärmeträgerrohren 4, die durch Öffnungen 29 des Tragbodens 6' und die Vliesschicht 9' lose hindurchgeführt, jedoch in die Rohrböden 3; 3' fest eingewalzt sind. Die Rippen 27 werden von einem feinperforierten Netzwerk 28 umschlossen. Zweck mäßig dient eine Kappe 30 als endständiger Verschluß. Mit Bezug auf Fig. 5 wird diese Form einer Führung des Arbeitsmittels als zentral-axial zum Rohrmantel 2 angeordnetes Verdampferteil 31 in kleineren Sorptionswärmespeichern eingesetzt. Die Leitung 11 weist einen Durchtritt 34 auf. In den Fig. 5 bis 7 ist die Isolation 21 nicht dargestellt.

Beispiel 5

Die Fig. 6 zeigt eine zu Fig. 5 analoge Ausführung, wobei das zentrale Wärmeträgerrohr 4 ein mit längsgeführten Rippen 27 versehenes Kondensatorteil 32 ähnlich Fig. 4 ist.

Beispiel 6

Mit Bezug auf Fig. 7 ist das Verdampferteil 31 mit der Vliesschicht 9' kerzenartig in einer Querebene zur Längsachse des horizontalen Sorptionswärmespeichers und dieser benachbart ange ordnet, und besteht aus zwei Zügen von Wärmeträgerrohren 4. Die Rohrböden 3, 3' sind zusammenfallend identisch. Der Kondensator teil 33 ist ein Plattenkondensator. Der Rohrmantel 2 und der Tank 10 sind zueinander asymmetrisch angeordnet.

Im Bereitschaftszustand a des Sorptionswärmespeichers befin det sich das flüssige Arbeitsmittel auf einem Niveau, das sich oberhalb der Einlauföffnung der Leitung 11 befindet. Bei der Ent ladung sinkt nach Öffnung des Ventils 12 der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Arbeitsmittels bis auf den Startzustand b ab. Auf grund der nachfolgenden, vollständigen Verdampfung des Arbeits mittels wird der Speicher entladen.

Bei der Ladung des Speichers werden zuerst die Ventile 12' und 19 geöffnet und eine Verbindung zur Vakuumpumpe 20 herge stellt. Nach Schließen des Ventils 19 stellt sich ein Betriebszu stand c bei der Kondensation des Arbeitsmittels ein, der mit dem Bereitschaftszustand a abgeschlossen ist.

Bezugszeichenliste

1

Sorptionswärmespeicher

2

Rohrmantel

3

Rohrboden

3

' Rohrboden

4

Wärmeträgerrohr

5

Sorbensschüttung

6

Tragboden

6

' Tragboden

7

Bodenhaube

7

' Kopfhaube

8

Anschlußstutzen

8

' Anschlußstutzen

9

Vliesschicht

9

' Vliesschicht

20

Arbeitsmitteltank

11

Arbeitsmittelführung

11

' Arbeitsmittelführung

12

Ventil

12

' Ventil

13

Tauchung

14

Rohrschlange

15

Leitung

15

' Leitung

16

Durchlaß

17

Saugstutzen

18

Nachkondensator

19

Saugventil

20

Vakuumpumpe

21

Isolation

22

Zusatzheizung

23

Tasse

24

Leiteinrichtung

25

Hilfsheizung

26

Kühlung

27

Rippe

28

Netzwerk

29

Öffnung

30

Kappe

31

Verdampferteil

32

Kondensatorteil

33

Kondensator

34

Durchtritt

35

Siebboden
a Bereitschaftszustand
b Startzustand
c Betriebszustand

Claims

1. Sorptionswärmespeicher hoher Energiedichte zur zeitlich-perio dischen Speicherung von Wärme, bevorzugt unter Aufnahme von Nie dertemperaturwärme solaren oder terrestrischen Ursprungs und Ab gabe von Nutzwärme an ein Wärmeträgernetz, dadurch gekennzeich net, daß in Anlehnung an den technischen Entwicklungsstand kom merziell verfügbarer und standardisierter Wärmeübertrager unter schiedlicher Typen, wie sie auf dem Gebiet der chemischen Verfah renstechnik und chemischkatalytischen Reaktionstechnik üblich sind, unter Beteiligung aktiv reagierender und sorbierender Fest stoffe, einfache apparative Erweiterungen zur Wärmeführung und Strömungsführung des Arbeitsmittels zwecks seiner zyklischen Ver dampf- und Kondensierbarkeit eingebracht werden, die eine Verbes serung des thermischen Wirkungsgrades durch einen Wärmeverbund in einem kompakten Sorptionswärmespeicher (1) selbst erzielen, dabei bekannte Techniken zur Vergrößerung des Maßstabs genutzt und grö ßere Breiten unterschiedlicher Größenverhältnisse, Leistungsbe reiche und Anwendungsgebiete abgedeckt werden, wobei ein Rohrman tel (2) mit Rohrböden (3; 3') und mit Wärmeträgerrohren (4) ver sehen ist, die die Sorbensschüttung (5) zwischen den Tragböden (6; 6') durchdringen, der Rohrboden (3) im Bodenbereich des Wär mespeichers mit der Bodenhaube (7), der Rohrboden (3') im Kopfbe reich mit der Kopfhaube (7') versehen ist, an denen sich entspre chend die Anschlußstutzen (8; 8') für den Wärmeträger befinden, zwischen den Rohrböden (3; 3') und den Tragböden (6; 6') jeweils die Vliesschichten (9; 9') eingebracht sind, der Rohrmantel (2) im wesentlichen von einem Arbeitsmitteltank (10) umschlossen wird, der die Arbeitsmittelführungen (11; 11') mit den Ventilen (12; 12') aufweist, die ihrerseits mit den Vliesschichten (9; 9') in Verbindung stehen, die Tauchung (13) im Bodenbereich den Durchlaß (16) aufweist und die Rohrschlange (14) trägt, die mit den Leitungen (15; 15') versehen ist, im Kopfbereich sich der Saugstutzen (17) befindet, der in den Nachkondensator (18) über geht und der über das Saugventil (19) mit der Vakuumpumpe (20) verbunden ist, sowie der Sorptionswärmespeicher (1) insgesamt oder zumindest wesentlich im Bereich des Rohrmantels (2) mit ei ner Isolation (21) umgeben ist.

2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wär meträgerrohre (4) mit Rippen (27) versehenen sind und durch Öff nungen (29) des Tragbodens (6') und die Vliesschicht (9') lose hindurchgeführt werden, jedoch mit den Rohrböden (3; 3') fest verbunden sind, die Rippen (27) von einem feinperforierten Netz werk (28) umschlossen sind und die Kappe (30) als endständiger Verschluß dient, der sich in der Nähe des Rohrbodens (3) oder des Rohrbodens (3') befindet.

3. Speicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (27) spiralförmig sind und ein- oder mehrere am Rohr boden (3') befestigte Verdampferteile (31) bilden.

4. Speicher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeträgerrohr (4) bevorzugt ein zentral-axial zum Rohrman tel (2) angeordnetes Verdampferteil (31) bildet.

5. Speicher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zum Rohrmantel (2) achsparallel angeordnete und am Rohrboden (3) befestigte Kondensatorteile (32) vorhanden und die Rippen (27) bevorzugt in Längsrichtung der Wärmeträgerrohre (4) angeordnet sind.

6. Speicher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kondensator (33) vorgesehen ist, in dem sich Leiteinrichtun gen (24) befinden und eine zusätzliche Kühlung (26) vorhanden ist.

7. Speicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeträgerrohre (4) in der Nähe der Rohrböden (3; 3') mit einer Zusatzheizung (22) versehen sind.

8. Speicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchung (13) in Form einer Tasse (23) ausgebildet ist.

9. Speicher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Vliesschicht (9) oder (9') eine Hilfsheizung (25) angeordnet ist.

10. Modifizierter Speicher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Rohrmantel (2) horizontal angeordnet ist, ein oder mehrere Verdampferteile (31) kerzenartig in einer Querebene zu der dieser benachbarten Längsachse des horizontalen Sorptions wärmespeichers (1) angeordnet und die Rohrböden (3; 3') zusammen fallend identisch sind.

11. Modifizierter Speicher nach Anspruch 1 bis 10, dadurch ge kennzeichnet, daß lediglich ein Tragboden (6) oder (6') mit einer Vliesschicht (9) oder (9') vorhanden ist.

12. Speicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittelführung (11) einen Durchtritt (34) aufweist.

13. Speicher nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesschicht (9) und/oder (9') aus einem Gestrick, Gelege oder Gewölle besteht.

14. Speicher nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesschicht (9) und/oder (9') aus einer Packung von porösen Schaumstoffen oder Granulaten besteht.

15. Speicher nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesschicht (9) und/oder (9') metallische Bestandteile in Form von Drähten oder Drahtspiralen enthält.

16. Speicher nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vliesschicht (9) und/oder (9') in die Verdampferteile (31) oder die Kondensatorteile (32) hineinragt und von diesen inner halb des Netzwerkes (28) umschlossen wird.

17. Verfahren zur Durchführung zyklischer Prozesse zur Wärmespei cherung innerhalb des Sorptionsspeichers (1), dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdampfung des Arbeitsmittels in der Vliesschicht (9) autotherm erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Entladungsvorgang in einem ersten Schritt das Flüssigkeits niveau im Arbeitsmitteltank (10) durch Fließen aus dem Bereit schaftszustand (a) in den Startzustand (b) übergeht und in einem zweiten Schritt eine Verdampfung des übrigen flüssigen Inhalts des Arbeitsmitteltanks (10) erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Ladevorgang des Speichers ein Betriebszustand (c) mit ei nem Flüssigkeitsniveau im Arbeitsmitteltank (10) eingestellt wird, der oberhalb des Spiegels des kondensierenden Zweiphasenge misches liegt.