DE19963322B4

DE19963322B4 - Sorptionswärmespeicher hoher Energiedichte

Info

Publication number: DE19963322B4
Application number: DE19963322A
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof. Dr. Stach; Peter Münn; Bernd Füsting; Hartmut Welke
Original assignee: Bernd Füsting
Current assignee: FüSTING, BERND, 13086 BERLIN, DE
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 1999-12-21
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: US20040000164A1; DE19963322A1; US6672103B1

Abstract

Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte, wobei ein Rohrmantel (2) mit abschließenden Rohrböden (3; 3') und mit durchgehenden Wärmeträgerrohren (4) versehen ist, und die Wärmeträgerrohre (4) eine zwischen Tragböden (6; 6') angeordnete Sorbensschüttung (5) durchdringen, der Rohrboden (3) im Bodenbereich des Wärmespeichers mit einer Bodenhaube (7), der Rohrboden (3') im Kopfbereich mit einer Kopfhaube (7') versehen ist, an denen sich die Anschlussstutzen (8; 8') für den Wärmeträger befinden, zwischen den Rohrböden (3; 3') und den Tragböden (6; 6') jeweils Vliesschichten (9; 9') eingebracht sind, der Rohrmantel (2) im Wesentlichen von einem Arbeitsmitteltank (10) umschlossen ist, der Arbeitsmittelführungen (11; 11') mit Ventilen (12; 12') aufweist, die ihrerseits mit den Vliesschichten (9; 9') in Verbindung stehen, eine im Arbeitsmitteltank (10) senkrecht angeordnete, durchgehende Tauchung (13), die eine mit einer Eintritts- (15) und einer Austrittsleitung (15') versehene Rohrschlange (14) trägt und die im Bodenbereich einen Durchlass (16) aufweist, im Kopfbereich des Arbeitsmitteltanks...

Description

Die Erfindung betifft einen als Sorptionswärmespeicher ausgeführten Rohrbündelwärmeübertrager 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 Arbeitsmittels gezielt und nutzerfreundlich wieder abrufbar in einem sorptionsaktiven Speichermaterial eines mikroporösen Feststoffes aufzubewahren. 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 Regel aus einem wärmeisolierten Behälter, der periodisch mit Wärmeenergie gezielt beladen und abrufbar wieder entladen wird. Zu diesem Zweck wird das Arbeitsmittel periodisch mittels Verdampfern in einen gasförmigen Zustand überführt und beim Entladevorgang des Speichers an geeigneten porösen Sorbentien gebunden. Dabei wird Sorptionswärme freigesetzt, die über Nutzwärmekreisläufe an weitere flüssige oder gasförmige Wärmeträger abgegeben werden kann. Im Ladevorgang der Speicher erfolgt eine Entfernung des Arbeitsmittels von den Sorbentien durch Desorption.

Diese erfolgt durch Zuführung von Wärme aus Energienetzwerken oder bevorzugt aus anderen örtlich vorhandenen Wärmequellen, wie aus Einrichtungen 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 gespeichert werden, dass vorteilhaft in Perioden gesteigerten Energiebedarfs 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, Autoren W. Mittelbach und H.-M. Henning, überschreiten die Energiedichten diejenigen eines herkömmlichen Wasserspeichers je nach Tiefe und Spanne des erzeugten Ladezustandes um das Vier- bis Fünffache.

In neueren Vorschlägen zu Sorptionsspeichern wird beansprucht, mittels zunächst verbal eingeführten Begriffen wie "Kompaktspeicher" oder "Hochleistungsspeicher" und den daraus abgeleiteten technischen Maßnahmen, die Energiespeicherdichten und den thermischen Wirkungsgrad dadurch anzuheben, dass insgesamt in einem infolge der geometrischen Abmessungen des Apparates begrenzten Raum die mindestens drei ursprünglich räumlich getrennten Bereiche Sorptionsbereich, Verdampfer- und/oder Kondensationsbereich und ein Bereich für die Bevorratung mit dem Arbeitsmittel, in der Regel Wasser, in einem gemeinsamen Behälter vereinigt werden. Derartige Lösungen (vgl. DE 40 19 669 A1 , DE 198 11 302 A1 und EP 0 897 094 A1 ) sind relativ einfach herzustellen und in Nebengelassen von Gebäuden, z. B. von Häusern, zu montieren und mit einigem Aufwand für die Steuerung und Regelung allein von Ventilen für Zwecke einer Heizung, Klimatisierung und Brauchwasserbereitung zu betreiben. In der Druckschrift DE 198 11 302 A1 und WO 99/09365 A1 wird ein Sorptionswärmespeicher beschrieben, bei dem wasserdampfdurchlässige Netze vorhanden sind. Ein Rohr durchdringt dabei die Sorbensschüttung.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 39 05 346 A1 offenbart einen Wärmespeicher, wobei vorgeschlagen wird, das Speichermaterial im Behälter direkt vom Wärmeträgergas umströmt anzuordnen und die Reaktionskomponente in den vom Wärmeträgergas durchströmten Raum abzugeben.

In der Patentschrift CH 609 140 A5 wird ein Speicherelement für ein Sorptions-Wärmespeichersystem erwähnt, wobei die Aufteilung des Speichersystems in Einzelelemente Schwierigkeiten des Stoff- und Wärmetransport löst.

Gegenstand der britischen Patentanmeldung GB 2 235 975 A ist ein adsorptionsthermischer Speicherapparat, der gerippte Wärmeübertragungsröhren enthält, die in Schalen angeordnet sind.

In der Regel werden der Verdampfer und der Kondensator unterhalb des Sorbensraumes angeordnet und periodisch aufeinanderfolgend von meist zwei Kreisläufen durchströmt, die alternierend verschaltet Wärmeträgerkreisläufe von fossil betriebenen Heizungen und von Solar- oder Erdwärmekreisläufen darstellen. Das sorptionsaktive Volumen des Speichers muss evakuierbar und hermetisch verschließbar sein, um das zwischen Beladungs- und Entladungsvorgang bestehende und zyklisch umkehrbare Beladungsspiel maximal auszunutzen. Aufgabe jeder Entwicklung eines Sorptionsspeichers ist deshalb die Maximierung dieses Beladungs spieles, das druckabhängig 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 Vorzugsrichtung des Behälters, aber auch in einer seiner Querrichtungen, 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 werden innerhalb der Haufwerke infolge der angestrebt höheren Füllungsanteile mit Sorbentien vermindert. Darüber hinaus besitzen die Sorbentien äußere wie innere Porensysteme, die vom Arbeitsmittel zur Erzielung einer hohen Speicherdichte möglichst vollständig ausgefüllt werden müssen.
– Bei der Vereinigung von Verdampfer- und Kondensatorteilen innerhalb eines Behälters und auf engem Raum treten über die wärme- und strömungsführenden Einrichtungen im Behälter die Transportvorgänge kurzschließende "Brücken" auf, die den angestrebten Ablauf der Ausgleichsvorgänge über den gesamten Sorbensraum verkürzen und zu einer den Wirkungsgrad verringernden Bypassbildung der Strömung beitragen.
– Bei einer Ausgestaltung des Sorptionsspeichers in einer nicht optimal hohen Kompaktheit muss der Anteil der äußeren Wärmeisolation relativ groß sein, um über längere Zeit eine ausreichende Aufrechterhaltung der Energiedichte zu erreichen. Innere Isolationen zwischen Verdampfer und Kondensator würden dagegen die Speicherdichte zusätzlich vermindern. Demgemäss kann bei einer Vergrößerung des Maßstabs der Anteil der äußeren Isolation dadurch zurücktreten, dass ein Wärmegefälle von inneren und wärmeren zu äußeren und kühleren Räumen eingestellt wird.

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

Es ist jedoch bekannt, dass übliche, moderne Wärmübertrager, beispielsweise ausgestaltet als Rohrbündel- oder Mantelwärmeübertrager, bei einer optimalen Ausgestaltung und Auslegung bis zu mehreren Metern im Durchmesser, in hohem Masse diese Probleme einschränken 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 Bohrungen in Rohrböden, Umlenksegmenten und Stützplatten; DIN 28 185: Rohrbündel-Einbauten oder DIN 28 008: Abmaße und Toleranzen. Der dementsprechend hoch entwickelte Wissensstand für ihre Auslegung und Dimensionierung ist ebenfalls in Standardwerken festgehalten, wie in den Handbüchern "Verfahrenstechnische Berechnungsmethoden", 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 A1 bekannt, dass durch die Verwendung von Rippenrohren als Innenrohre ein relativ langer Weg und eine große Übertragungsfläche für das zweite Wärmeübertragungsmedium 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 Öffnungen mit dem Sorbens in Verbindung stehen muss. Neuere Entwicklungen, wie z. B. in DE 195 39 105 A1 , betreffen deshalb Anordnungen von sogenannten Sorptionswärmeübertragern, in denen die Kanäle für das dampfförmig strömende Arbeitsmittel und die inneren wärmeführenden Einrichtungen in einer der Querabmessungen weitgehend aneinander angepasst sind. Für eine Vergrößerung des Maßstabs kann auch eine günstige Führung des Arbeitsmittels in einer Längsvorzugsrichtung (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 eingeschränkt, dass das feste Sorbens prozessbedingt nicht wie ein Fluid bewegt werden kann.

Das Anliegen, Verdampfungs- und Kondensationsprozesse in einem gemeinsamen Apparat und in kompakter Ausführung zu realisieren, 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 eingeführt worden. Bei der Verdampfung und Kondensation von Wasser, so zum Zweck der Wasserreinigung, kann sich aufgrund der hohen erforderlichen Verdampfungswärmen dieser Prozess dann unwirtschaftlich gestalten, wenn ein Wärmeverbund zwischen unterschiedlichen Teilprozessen oder Apparateteilen fehlt, beispielsweise mittels Wärmepumpen. Der Wirkungsgrad von Verdampfungs- und Kondensationsprozessen, so z. B. in DE 196 46 458 A1 und DE 196 47 378 A1 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 mittels Hindurchleiten durch das zumindest anteilig bereits vorliegende Kondensat erfolgt. Dieser gewissermaßen simulierte Wärmepumpeneffekt wird vorteilhaft in Mischkondensatoren und durch Drosselung des den Kondensator durchströmenden und gleichzeitig kondensierenden Zweiphasengemisches erreicht. Bei einer Variante eines Sorptionsspeichers nach DE 198 1 1 302 A1 , 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 peripherer Richtung ausbildet, ein Kondensationsbereich mit einer niedrigeren Temperatur entsteht, damit die äußere Wärmeisolation des Behälters in ihrer wärmedämmenden Funktion gewissermaßen entlastet wird und entsprechend niedriger ausgelegt werden kann. In einer schematischen Darstellung der Kondensationsvorrichtung werden 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 unmittelbarer Nähe des Sorbensraumes erfolgt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Wärmespeicher dahingehend zu verbessern, dass die Energiedichte erhöht wird.

Die Aufgabe wurde, wie in den Patentansprüchen beschrieben, gelöst. Der erfindungsgemäße als Sorptionswärmespeicher ausgeführte Rohrbündelwärmeübertrager hat folgende vorteilhafte Eigenschaften:

– bezüglich der Ausgestaltung und Auslegung wird auf bewährte Lösungen technische Wärmeübertragungsprozesse und der chemischkatalytische Reaktionstechnik zurückgegriffen,
– hinsichtlich des Wissensstandes zu Stoff- und Wärmeaustauschprozessen an Festkörperschüttungen ist eine exakte Vergrößerung des Maßstabs zulässig,
– er weist eine verbesserte Führung des Arbeitsmittels auf, das beim Entladevorgang im Volumen des Sorbens über einen ausgedehnten Flächenquerschnitt der Vorrichtung in unmittelbarer Nähe eines Einganges des Wärmeträgers verdampfen soll,
– eine Kondensation des dampfförmigen Arbeitsmittels erfolgt außerhalb des Sorbensvolumens über einen direkten Wärmeaustausch mit seinem eigenem Kondensat,
– der Kondensatorteil stellt gleichzeitig die tankartige Bevorratung des Speichers mit flüssigem Arbeitsmittel dar.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß standardisierte und kommerziell verfügbare Wärmeübertrager, bevorzugt Rohrbündelwärmeübertrager bekannter Ausführungsform und in metallischer 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 einer gemeinsamen Wärmeisolation umgeben. Zwischen den Rohrböden sind Wärmeträgerrohre befestigt und durchdringen entsprechend der Rohrbodenteilung die Sorbensschüttung. Ein besonderer erfinderischer Gedanke besteht darin, daß die Wärmeträgerrohre durch die Öffnungen von ebenfalls standardisierten Tragböden für das Sorbens, 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, bilden die kreisringartigen Durchtrittsöffnungen für das dampfförmige Arbeitsmittel in die und aus der Sorbensschüttung. Es versteht sich, daß die Toleranzabstände, im Millimeter- bzw. Submillimeterbereich, unterhalb der kleinsten Abmessungen der Sorbenspartikel in der Schüttung liegen. Der Transport des flüssigen oder bereits dampfförmigen Arbeitsmittels in jeder der Querrichtungen des Wärmeübertragers wird durch temperaturbeständige Vliesschichten übernommen, die sich zwischen den Rohrböden und den Tragschichten befinden. Die Vliesschichten bestehen bevorzugt aus einem Faservliesstoff, der saugfähig ist und das ursprünglich flüssige 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 Arbeitsmittels in die Sorbensschüttung einfließen.

Die Vliesschichten können auch aus einer Packung eines Flüssigkeit aufnehmenden geschütteten Material bestehen, beispielsweise aus Schaumstoffpartikeln oder aus porösen mineralischen Granulaten. Sie können auch wärmeleitfähige, bevorzugt metallische Fasern enthalten. Ebenso können sie aus Fasergelegen, Gewöllen oder Gestricken bestehen, die anteilig ausgedehntere metallische Bestandteile, wie Drähte oder daraus hergestellte Spiralen enthalten. Schließlich können sie auch aus offenporigen, zelluläre Strukturen ausbildenden Schaummetallen bestehen. Die metallischen Bestandteile können auch lyophilisiert werden und damit durch Flüssigkeit benetzbar sein. Innerhalb der Vliesschicht können auch Hilfsheizungen angeordnet sein, z.B. in Form von zusätzlichen 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 freiwerdende Adsorptionswärmen verfügbar sind. Der Einleitung des Verdampfungsvorganges beginnt somit selbständig aufgrund des Vorhandenseins 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 Anteil der Flüssigkeit bestimmt ist und sich über eine oben offene oder mit einer oberen Öffnung versehene Arbeitsmittelführung vorerst 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. Damit besitzt der Sorptionswärmespeicher ein stabiles Betriebsverhalten 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 Faservliesstoff versehen ist, über den beim Ladevorgang des Sorptionswärmespeichers die Desorption erfolgt. Die zugehörige Arbeitsmittelführung 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-gasförmige 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 Arbeitsmitteldampfes zuerst an der inneren Wand der Tauchung erfolgen, und dann anschließend eine vollständigere Kondensation an der äußeren Wand mit der Rohrschlange.

Die Ladung des Wärmespeichers wird durch Anlegen eines Vakuums im Kopfbereich eingeleitet. Die Tauchung wirkt als ein Mischkondensator. Eventuell nicht kondensierte Bestandteile des Arbeitsmittels werden in einem Nachkondensator abgeschieden, der dem Vakuumerzeuger vorgeschaltet und der zweckmäßig luftgekühlt ist. Es wird auch eine Abänderung des Wärmespeichers vorgeschlagen, bei der die Kondensation effektiv und zweistufig über einen Kopfkondensator erfolgt, der mit der Tauchung in strömungsseitiger Verbindung steht. Bei Wärmespeichern mit größeren Querabmessungen können für eine wirksame Kondensation mindestens zwei Arbeitsmittelführungen dienlich sein, die in einzelnen Tauchtassen enden.

Da sowohl beim Lade- wie auch beim Entladevorgang prozeßbedingt Wärme für die Verdampfung des Arbeitsmittels in den Wärmespeicher 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 Wärmeaustausch im Verdampfer- wie im Kondensatorteil, durch einen Wärmepumpeneffekt, durch Strömungskonvektion und durch Wärmeleitung, kann fallweise ein intensiver Wärmeverbund auch in unterschiedlichen Teilen und in örtlich getrennten Bereichen des erfindungsgemäßen Sorptionswärmespeichers realisiert werden, der über geeignete Verschaltungen zu steuern und zu regeln ist.

Ein weiterer erfinderischer Gedanke besteht darin, modifizierte Wärmeträgerrohre für die Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge, 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 Arbeitsmittels in Längsrichtung erfolgt. Das ist besonders dann sinnvoll, wenn ein großes Längen-Durchmesser-Verhältnis des Sorptionswärmespeichers eingestellt werden und die Gefahr eines unvollkommenen Längsausgleiches der Strömung des Arbeitsmittels in der Sorbensschüttung ausgeschlossen werden soll. Zweckmäßig werden Rippenrohre als Wärmeträgerrohre eingesetzt, die als Verdampferrohre an ihrem Umfang mit perforiertem Netzwerk umgeben sind, damit einen zusätzlichen Strömungskanal bilden und Öffnungen für den Durchtritt des Arbeitsmittels in die Sorbensschüttung aufweisen. Auch diese Öffnungen sollen Abmessungen besitzen, die wesentlich kleiner als die Korngrößen des Sorbens sind. Werden die Rippen quer zur Strömung des Arbeitsmittels orientiert, beispielsweise in Form einer spiralförmigen Wicklung auf das Wärmeträgerrohr, 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 Kondensatrohre sind zweckmäßig mit Längsrippen versehen, an denen das Kondensat zumindest teilweise abläuft und in eine untere Vliesschicht abgezogen werden kann.

Auch innerhalb der Strömungskanäle können sich Vliesschichten befinden. Es ist insbesondere von Vorteil, daß die Vliesschichten für die Verdampfer- und Kondensatorteile aufgrund der auf das Arbeitsmittel ausgeübten Kapillarkräfte in gewisser Unabhängigkeit von der Schwerkraft wirken. Somit werden auch waagerechte bzw. schräge Anordnungen des Sorptionswärmespeichers im Umgebungsraum zwecks gewünschter Anpassung an örtliche Verhält nisse ermöglicht. Auf diese Weise werden Wärmespeicher geschaffen, 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 ausgebildeten 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 können. Dem Stand der Technik entsprechend sind das mindestens zwei Wärmespeicher, die zyklisch-abwechselnd im Lade- und Entladezustand betrieben werden.

Die Erfindung wird beispielhaft näher erläutert. In den zugehörigen Figuren zeigen:
1: den Sorptionswärmespeicher in senkrecht stehender Tank-in-Tank-Behälterform als modifizierter Rohrbündelwärmeübertrager, mit Glattrohren für den Wärmeträger,
2: eine Modifizierung des Wärmespeichers nach 1, jedoch mit Tauchrohren für den Wärmeträger und einem zusätzlichen Kopfkondensator,
3: eine Modifizierung nach 2, mit außen liegendem Tank für das Arbeitsmittel, wobei die getrennt gezeichneten beiden Tankhälften identische Teile desselben Tanks darstellen.
4: eine Ausgestaltung eines Wärmeträgerrohres mit einem integriertem Verdampfer- bzw. Kondensatorteil,
5: eine Modifizierung nach 1 mit einem senkrechten Verdampfer-/Kondensatorteil nach 4,
6: eine Modifizierung nach 1 mit einem senkrechten Kondensator-/Verdampferteil nach 4,
7: eine Modifizierung des Wärmespeichers nach 1, jedoch in liegender Ausführung, mit Umlenkrohren für den Wärmeträger und einem Verdampfer nach 4 sowie mit einem Plattenkondensator.
Beispiel 1
Mit Bezug auf 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 Anschlußstutzen 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 Bodenbereich 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 2 sind die Wärmeträgerrohre 4 in der Nähe 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 Leiteinrichtungen 24.
Beispiel 3
Mit Bezug auf 3 ist innerhalb des Verdampfers 3 eine Hilfsheizung 25 vorgesehen. In den Kondensator 33 ist eine zusätzliche Kühlung 26 eingebracht.
Beispiel 4
Die 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. Zweckmäßig dient eine Kappe 30 als endständiger Verschluß. Mit Bezug auf 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 5 bis 7 ist die Isolation 21 nicht dargestellt.
Beispiel 5
Die 6 zeigt eine zu 5 analoge Ausführung, wobei das zentrale Wärmeträgerrohr 4 ein mit längsgeführten Rippen 27 versehenes Kondensatorteil 32 ähnlich 4 ist.
Beispiel 6
Mit Bezug auf 7 ist das Verdampferteil 31 mit der Vliesschicht 9' kerzenartig in einer Querebene zur Längsachse des horizontalen Sorptionswärmespeichers und dieser benachbart angeordnet, und besteht aus zwei Zügen von Wärmeträgerrohren 4. Die Rohrböden 3, 3' sind zusammenfallend identisch. Der Kondensatorteil 33 ist ein Plattenkondensator. Der Rohrmantel 2 und der Tank 10 sind zueinander asymmetrisch angeordnet.
Im Bereitschaftszustand a des Sorptionswärmespeichers befindet sich das flüssige Arbeitsmittel auf einem Niveau, das sich oberhalb der Einlauföffnung der Leitung 11 befindet. Bei der Entladung sinkt nach Öffnung des Ventils 12 der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Arbeitsmittels bis auf den Startzustand b ab. Aufgrund der nachfolgenden, vollständigen Verdampfung des Arbeitsmittels wird der Speicher entladen.
Bei der Ladung des Speichers werden zuerst die Ventile 12' und 19 geöffnet und eine Verbindung zur Vakuumpumpe 20 hergestellt. Nach Schließen des Ventils 19 stellt sich ein Betriebszustand c bei der Kondensation des Arbeitsmittels ein, der mit dem Bereitschaftszustand a abgeschlossen ist.

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
10: 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

Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte, wobei ein Rohrmantel (2) mit abschließenden Rohrböden (3; 3') und mit durchgehenden Wärmeträgerrohren (4) versehen ist, und die Wärmeträgerrohre (4) eine zwischen Tragböden (6; 6') angeordnete Sorbensschüttung (5) durchdringen, der Rohrboden (3) im Bodenbereich des Wärmespeichers mit einer Bodenhaube (7), der Rohrboden (3') im Kopfbereich mit einer Kopfhaube (7') versehen ist, an denen sich die Anschlussstutzen (8; 8') für den Wärmeträger befinden, zwischen den Rohrböden (3; 3') und den Tragböden (6; 6') jeweils Vliesschichten (9; 9') eingebracht sind, der Rohrmantel (2) im Wesentlichen von einem Arbeitsmitteltank (10) umschlossen ist, der Arbeitsmittelführungen (11; 11') mit Ventilen (12; 12') aufweist, die ihrerseits mit den Vliesschichten (9; 9') in Verbindung stehen, eine im Arbeitsmitteltank (10) senkrecht angeordnete, durchgehende Tauchung (13), die eine mit einer Eintritts- (15) und einer Austrittsleitung (15') versehene Rohrschlange (14) trägt und die im Bodenbereich einen Durchlass (16) aufweist, im Kopfbereich des Arbeitsmitteltanks (10) ein Saugstutzen (17) angeordnet ist, der in einen Nachkondensator (18) übergeht und der über ein Saugventil (19) mit einer Vakuumpumpe (20) verbunden ist, sowie der Sorptionswärmespeicher (1) insgesamt oder zumindest im Wesentlichen im Bereich des Rohrmantels (2) mit einer Isolation (21) umgeben ist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerrohre (4) mit Rippen (27) versehenen sind und durch Öffnungen (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 Netzwerk (28) umschlossen sind und die Kappe (30) als endständiger Verschluss dient, der sich in der Nähe des Rohrbodens (3) oder des Rohrbodens (3') befindet.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (27) spiralförmig sind und ein- oder mehrere am Rohrboden (3') befestigte Verdampferteile (31) bilden.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeträgerrohr (4) bevorzugt ein zentral-axial zum Rohrmantel (2) angeordnetes Verdampferteil (31) bildet.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1 bis 3, 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.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (33) vorgesehen ist, in dem sich Leiteinrichtungen (24) befinden und eine zusätzliche Kühlung (26) vorhanden ist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerrohre (4) in der Nähe der Rohrböden (3; 3') mit einer Zusatzheizung (22) versehen sind.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauchung (13) in Form einer Tasse (23) ausgebildet ist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Vliesschicht (9) oder (9') eine Hilfsheizung (25) angeordnet ist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel (2) horizontal angeordnet ist, ein oder mehrere Verdampferteile (31) kerzenartig in einer Querebene zu der dieser benachbarten Längsachse des horizontalen Sorptionswärmespeichers (1) angeordnet und die Rohrböden (3; 3') zusammenfallend identisch sind.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein Tragboden (6) oder (6') mit einer Vliesschicht (9) oder (9') vorhanden ist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittelführung (11) einen Durchtritt (34) aufweist.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesschicht (9) und/oder (9') aus einem Gestrick, Gelege oder Gewölle besteht.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesschicht (9) und/oder (9') aus einer Packung von porösen Schaumstoffen oder Granulaten besteht.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesschicht (9) und/oder (9') metallische Bestandteile in Form von Drähten oder Drahtspiralen enthält.
Als Sorptionswärmespeicher ausgeführter Rohrbündelwärmeübertrager hoher Energiedichte nach Anspruch 2, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vliesschicht (9) und/oder (9') in die Verdampferteile (3l ) oder die Kondensatorteile (32) hineinragt und von diesen innerhalb des Netzwerkes (28) umschlossen wird.
Verfahren zur Durchführung zyklischer Prozesse zur Wärmespeicherung innerhalb des als Sorptionswärmespeicher ausgeführten Rohrbündelwärmeübertragers hoher Energiedichte gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung des Arbeitsmittels in der Vliesschicht (9) autotherm erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Entladungsvorgang in einem ersten Schritt das Flüssigkeitsniveau im Arbeitsmitteltank (10) durch Fliessen aus dem Bereitschaftszustand (a) in den Startzustand (b) übergeht und in einem zweiten Schritt eine Verdampfung des übrigen flüssigen Inhalts des Arbeitsmitteltanks (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Ladevorgang des Speichers ein Betriebszustand (c) mit einem Flüssigkeitsniveau im Arbeitsmitteltank (10) eingestellt wird, der oberhalb des Spiegels des kondensierenden Zweiphasengemisches liegt.