DE2631245B2 - Verfahren zum Speichern von Wärme nach dem Prinzip der Heterogenverdampfung - Google Patents

Description

Die Erfindung beiriifi ein Verfahren gemäß dein Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Fernwärmeversorgung wird in Zukunft eine noch größere Rolle spielen als bisher. Zur besseren Nutzung der Wärme von Kraftwerken, Heizwerken, Müllverbrennungsanlagen, der Abwärme aus industriellen Prozessen usw. ist es erforderlich, Wärme über einen gewissen Zeitraum zu speichern und eventuell über gewisse Entfernungen zu transportieren. Das Verfahren der Heterogenverdampfung besteht darin, daß durch Wärmezufuhr aus einem Mehrstoffsystem vorwiegend eine Kompenente verdampft wird und dieser Dampf von seinem ursprünglichen Absorber getrennt und dann gasförmig oder kondensiert (flüssigoder fest) gespeichert wird. Bei der Rückreaktion wird das Gas dem ursprünglichen Absorber wieder zugeführt, wodurch die Verdampfungswärme zurückgewonnen wird. Für den Fall, daß Wärme transportiert werden soll, ist es erforderlich, daß die pro Gewichtseinheit bzw. Volumeneinheit Speichersubstanz gespeicherte Wärme möglichst groß wird, um die Transportkosten niedrig zu halten. Analoges gilt bei stationärer Speicherung. Durch eine entsprechende Auswahl der Mehrstoffsysteme lassen sich der nutzbare Temperatur- und Druckbereich den jeweiligen Erfordernissen anpassen. Ein Nachteil der festen Mehrstoffsysteme ist der komplizierte Stoff- und Wärmeaustausch. Dieser Nachteil ist bei flüssigen Systemen, wie z. B. bei dem technisch ausgereiften System Ammoniakwasser weitgehend vermieden. Dafür liegt jedoch bei diesem System der nutzbare Druck- und Temperaturbereich fest. Außerdem ist die Absorptionswärme wesentlich kleiner als bei den festen Mehrstoffsystemen, so daß die Speicherkapazität beschränkt ist. Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Vorteile der festen Systeme, nämlich ihre Anpassungsfähigkeit, zu verbinden mit den Vorteilen der flüssigen Systeme, nämlich deren guter Stoff- und Wärmeaustausch, ohne die jeweiligen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in den Maßnahmen nach dem Kennzeichen des Anspruches 1. Weitere vorteilhafte Verfahrensmaßnahmep. sind in den Unteran-) Sprüchen angegeben. Aus den folgenden Ausführungen sind die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbundenen Vorteile ersichtlich:

1. Erhöhung der Absorptionswärme von Ammoniak

in Durch das erfindungsgemäße Verfahren bleibt die hohe Absorptionswärme der festen Absorber (Feststoffe) im wesentlichen erhalten, obwohl es sich jetzt um ein flüssiges oder partiell flüssiges System handelt. So ist die Absorptionswärme einer Mischung von 40% LiCI und 60% H₂O genauso hoch wie bei festem LiCl, nämlich 735 kcal/kg NH₃ (für 10 Gewichtsprozent NH₃, bezogen auf die H₂O-LiCl-LOSUiIg), d. h. um 56% höher als beim reinen H₂O-NH₃-System. Selbst bei 30 Gewichtsprozent NH₃ ist bei dieser Absorber-

JD mischung die Absorptionswärme immer noch mehr als 20% über dem entsprechenden Wert von 418 kcal/kg NH₃ für reines Wasser als Absorber. Bei Zugabe von 60 Gewichtsprozent H₂O zu LiCl fällt bei Abkühlung auf Zimmertemperatur kein Salz aus. Es

_j-, wurde jedoch gefunden, daß eine weitere Verbesserung auch mit einer bei Zimmertemperatur weit übersättigten Lösung von LiCl erzielt werden kann. Selbst eine 20%ige H₂O-LiCl-Mischung bleibt nach Aufnahme des Ammoniaks im technisch interessanten

j„ Bereich flüssig. Als obengenannte feste Absorber kommen in Betracht: Halogenide, Sulfate, Chromate, Karbonate, Chlorate, Nitrate der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle und Metalle der 3., 4. und 5. Gruppe und der Actinide und Lanthanide

j-, sowie Mischungen dieser Stoffe.

2. Erniedrigung des Dampfdrucks des ausgegasten Absorbers

Bei dem Transport der Wärme nach den genannten Verfahren werden der ausgegaste Absorber und der

4„ verflüssigte Ammoniak getrennt zum zentralen Heizwerk oder zu anderen Verbrauchern transportiert. Hierbei befindet sich der Ammoniak im verflüssigten Zustand auf Umgebungstemperatur. Der Absorber hingegen kann im heißen Zustand transportiert werden, wodurch wegen der gespeicherten spezifischen Wärme eine Erhöhung der gesamten transportierten Wärme ermöglicht wird. Bei dem einfachen H₂O-NH₃-System steht einer Erhöhung der Temperatur des ausgegasten Absorbers zum Zwecke der Vergrö-

-₎₀ ßerung der gespeicherten spezifischen Wärme die damit verbundene erhebliche Dampfdruckerhöhung entgegen. Der Dampfdruck von Wasser beträgt bei 200° C 15,4 bar und wird durch Zugabe der 50% LiCl auf 4,7 bar erniedrigt. Bei 250° C betragen die beiden

.-,,-, entsprechenden Drücke 39,3 bzw. 16,6 bar. Die Zugabe von Salzen ermöglicht somit bei Gefäßen, die für einen bestimmten Druck ausgelegt sind, wesentlich höhere Speichertemperaturen und damit Erhöhung der Gesamtwärmekapazität. Für 4,7 bar kann die

_W) Speichertemperatur des ausgegasten Absorbers von ~ 150° C auf ~ 200° C erhöht werden.

Auch für den Transport des Absorbers in Pipelines bringt der erniedrigte Dampfdruck erhebliche konstruktive Vorteile.

_b5 3. Möglichkeit der optimalen Anpassung der Speichereigenschaften

Beim Wasser-Ammoniak-System liegen die Ausgasungstemperaturen bzw. Absorptionstemperaturen

für gegebene Druckbereiche fest. Mittels der durch variable Gemische verschieden einstellbaren Dampfdrücke sind die Ausgasungs- und insbesondere AbsorptioRsbreiten in Druck, Temperatur bzw. Konzentration anpaßbar (s. Abbildung). Eine Anpassung des Systems an die jeweilige Temperatür der Wärmequellen und/oder an die Übergangstemperatur bei den Abnehmern ist dadurch möglich. Eine solche Anpassungsfähigkeit erlaubt eine Verbesserung des Wirkungsgrades.

4. Vergrößerung der Absorptionsbreite und damit der gespeicherten Wärmemenge

Die Menge des in einem Absorber absorbierbaren Ammoniaks ist durch folgenden physikalischen Vorgang limitiert: Es sei davon ausgegangen, daß das Ammoniakgas mit einem bestimmten, von der Verdampfungstemperatur des flüssigen Ammoniaks abhängigen Drucks vorliegt. Je nach Anreicherung des Absorbers muß die Absorptionstemperatur abgesenkt werden, um eine weitere Absorption von Ammoniak und damit Wärmefreisetzung zu ermöglichen. Schließlich erreicht diese. Temperatur das für den Verbraucher mindestens erforderliche Temperaturniveau, so daß damit eine weitere Absorption zwar weiterhin Wärme, jedoch auf einem nicht mehr brauchbaren Temperaturniveau liefern würde. Die Verbesserung besteht darin, daß bei Erreichen dieser Temperatur ein Kompressor betätigt wird, der den Druck des Ammoniakgases erhöht, so daß ohne weitere Temperaiurabsenkung weiterhin Ammoniak absorbiert wird. Die erforderliche Druckerhöhung ist zunächst gering, wird jedoch bei weitersteigender Ammoniakkonzentration im Absorber entsprechend den Dampfdruckkurven höher. Der Kompressor wirkt wie eine Wärmepumpe zwischen dem vorgegebenen

ι Temperaturniveau und einem unteren Temperaturniveau, das durch die Temperatur bestimmt ist, bei der der Absorber bei der erreichten Ammoniakkonzentration ohne Druckerhöhung noch absorbieren würde. Da diese Temperaturdifferenz zunächst sehr klein ist,

κι ist der Wirkungsgrad dieser Wärmepumpe erheblich, d. h. bei geringem Arbeitsaufwand kann noch große Menge Wärme auf dem gewünschten Temperaturniveau freigesetzt werden. Beispiel (s. Abbildung): Für eine 40%ige LiCl-H₂O-Lösung kommt bei 8 bar Am-

r> moniakdruck und 70° C Abgabetemperatur die Absorption bei 38% Ammoniak zum Stillstand. Eine Druckerhöhung um einen Faktor 2 ermöglicht eine Vergrößerung der Absorption auf 47% bzw. ein Faktor 4 in Druckerhöhung auf 58%. Der erste Fall ent-

_>o spricht einer Wärmepumpe zwischen 50° und 70° C, der zweite Fall einer Wärmepumpe zwischen 30° und 70° C. Die Vergrößerung der Absorptionsbreite von 38% auf 58% bedeutet eine über 5()%ige Vergrößerung der absorbierten Menge Ammoniak und damit

r, eine erhebliche Vergrößerung der speicherbaren Wärme. Außerdem ist die pro gespeicherter Wärmemenge benötigte Salzmenge (z. B. LiCl) kleiner.

Eine Abschätzung ergibt, daß mit den genannten

jo Verbesserungen die Wärmespeicherkapazität pro Gewicht Speichersubstanz verdoppelt werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   L. Verfahren zum Speichern von Wärme nach dem Prinzip der Heterogenverdampfung, bei den» Ammoniak unter Wärmezufuhr verdampft und unter Wärmeabgabe absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus Wasser und einem Fesistoff mit hoher Absorptionswärme für Ammoniak, der aus Halogeniden, Sulfaten, Chromaten, Karbonaten, Chloraten, Nitraten der Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle und Metalle der 3., 4. und 5. Gruppe des Periodensystems und der Actiniden und Lanthaniden oder Mischungen dieser Stoffe besteht, als Absorber verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feststoff aus Lithiumchlorid besteht.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsbreite des Absorbers bei gegebener Absorptionstemperatur durch Erhöhung des Ammoniakdrukkes vergrößert wird.