DE2720561C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Nutzbarmachung ge­ ringwertiger Energien, wie Sonnenenergie oder Abwärme, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine der wesentlichen Schwierigkeiten, welche die Verwen­ dung der Sonnenenergie für Heiz- und Kühlzwecke verhindert, ist ihre geringe Energiedichte auf der Erde. Die Tempera­ turgefälle, die mit Sonnenenergiekollektoren erreicht wer­ den, sind gering und selbst, wenn Energiesammler verwendet werden, erfordern Temperaturen oberhalb von 200 bis 300°C ausgeklügelte Sonnen-Nachführtechniken. Es besteht daher ein Bedürfnis nach der Entwicklung einer wirksamen Ener­ gieumwandlung bei geringen Temperaturgefällen, etwa zwi­ schen 30 bis 100°C. Obwohl das Hauptziel der Erfindung in der Schaffung eines alternativen Weges der Kühlung und Klimatisierung von Gebäuden durch Solarenergie besteht, kann das System nach der Erfindung auch für die Entwick­ lung groß dimensionierter Anlagen verwendet werden, die mit der Abwärme von Kraftwerken und anderen Erzeugern thermischer Umweltbelastung betrieben werden und dadurch diese verringern und sie in Nutzenergie umwandeln.

Es ist bekannt, daß wegen der geringen mit Sonnenenergie erzielbaren Temperaturgefälle der Carnot-Wirkungsgrad irgendeines Systems, das die normale Ausdehnung der Gase ausnutzt, zwangsläufig gering sein muß. Aus diesem Grunde haben sich die meisten Sonnenenergie-Kühlsysteme auf den alten wohlbekannten Absorptions-Kühlkreislauf konzentriert, der auf der mit der Temperatur unterschiedlichen Löslich­ keit von Gasen in Flüssigkeit basiert. Soweit dieser Pro­ zeß thermisch nutzbar gemacht wird, ist seine Abhängigkeit von der Temperatur exponentiell, was große Änderungen des Gasdrucks bei kleinen Änderungen der absoluten Temperatur ermöglicht.

Aus der US-PS 20 24 083 ist bereits ein Kühlaggregat der eingangs genannten Art bekannt, das allerdings von Gas­ brennern beheizt wird. Dieses bekannte Kühlaggregat ent­ hält zwei Adsorber, die von den Gasbrennern erwärmbar und durch Kühlschlangen kühlbar sind. Zwischen den beiden Ad­ sorbern ist ein Kondensator und ein Verdampfer angeordnet, der beiden Adsorbern gemeinsam ist. Die Aggregate sind über mehrere Drei-Wege-Ventile miteinander verbunden, die nach gewissen Zeitspannen umgeschaltet werden, so daß ein Gaskreislauf zwischen den beiden Adsorbern über den Kon­ densator und den Verdampfer hin- und herpendelt. Dabei sind die Umsteuermittel aufwendig und ständige Steuervor­ gänge erforderlich.

Aus der DE-AS 10 29 398 ist ferner ein periodisch ar­ beitender Absorptions-Kälteapparat bekannt, dessen Aus­ treiber durch Sonnenbestrahlung beheizt wird. Bei diesem Kälteapparat wird der Kältemitteldampf nicht in einem Kondensator kondensiert, sondern in einer reichen Lösung absorbiert, wodurch sich die Flüssigkeitsmenge während der wärmebindenden Entgasung nur unwesentlich ändert, so daß die Kühlwirkung auf die Umgebung zeitlich weit­ gehend konstant bleibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Nutzbarmachung geringwertiger Energien der betrachteten Art so weiter zu entwickeln, daß es mit so wenig Steuereinrichtungen wie möglich auskommt und praktisch wartungsfrei und steuerungsfrei abläuft. Das System soll zudem auch bei geringen Temperaturunter­ schieden mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn­ zeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen System ist eine ständige De­ sorption des gebundenen Gases im erwärmten geschlossenen Behälter und die Adsorption des Gases in diesem, so bald er der Erwärmung des Gases nicht mehr ausgesetzt ist, ohne Zuhilfenahme von Steuermitteln möglich. Das System weist einen geschlossenen Kreislauf auf, in dem das Gas immer in der gleichen Richtung strömt, so daß es ohne Umsteuer­ mittel auskommt.

Die Erfindung ist an zwei Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt und unter Bezugnahme auf diese nachfolgend beschrieben.Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer Gruppe von zu einem Modul zusammenge­ faßten geschlossenen Behältern nach der Er­ findung in verkleinertem Maßstab;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen ge­ schlossenen Behälter in einem gegen­ über Fig. 1 größeren Maßstab;

Fig. 3 ein Systemdiagramm der Tag-Funktion bzw. der heißen Seite des Gaskreislaufs;

Fig. 4 ein Systemdiagramm der Nacht-Funktion oder kalten Seite des Systems.

Gemäß den Fig. 1 bis 4 hat ein aus Metall oder einem anderen wärmeleitenden Material bestehender, im dargestellten Fall plattenförmiger Behälter 10 vorzugsweise eine Wabenstruktur, die mit einem ad­ sorbierenden festen Material 11 gefüllt ist. Die Fläche 12 des Behälters 10 ist dunkel gefärbt, so daß er so viel Sonnenenergie wie möglich aufnimmt. Der Behälter 10 ist mit einem Gasauslaß 14 und Gaseinlaß 15 ver­ sehen. Ein Behälter nach Fig. 2 kann zu mehreren zu­ sammengefaßt einen Modul 16 gemäß Fig. 1 bilden, der auf dem Dach eines Hauses oder an einer anderen, von der Sonne beschienenen Stelle installiert ist. Wenn die einzelnen plattenförmigen Behälter 10 zu einem Modul 16 zusammengefaßt werden, werden deren Gasaus­ lässe 14 zu einem gemeinsamen Auslaß 14 a für das Modul und in gleicher Weise die Gaseinlässe 15 in einem ge­ meinsamen Gaseinlaß 15 a des Moduls zusammengefaßt. Jedes Modul 16 ist mit einem Einwegventil 17 verbun­ den, das sich öffnet, wenn der Druck im Modul 16 eine bestimmte Höhe erreicht hat. Die Auslässe 14 a führen über eine Leitung 20 zum Einlaß eines Konden­ sators 21, der auf geeignete Weise, beispielsweise durch ein Gebläse 22 gekühlt werden kann. Den Auslaß des Kondensators 21 verbindet eine zweite Leitung 24 mit dem Einlaß einer Gasexpansions-Kühleinrichtung 25 mit Expansionsventil 26. Diese Kühleinrichtung 25 kann mit der Klimaanlage des Gebäudes verbunden sein, um die hierbei erforderliche Kühlung zu bewirken. Von der Kühleinrichtung 25 ausgehend dient eine dritte Leitung 27 dazu, das gasförmige Medium durch ein Einwegventil 30 in einen geschlossenen Raum 16 a zu leiten. Dieser geschlossene, als Vorratsbehälter wirkende Raum 16 a kann ein leerer Gasbehälter sein, der gegebenenfalls mit einem adsorbierenden Material gefüllt ist, um das sonst erforderliche Volumen so klein wie möglich zu halten, der aber auch, ebenso wie der geschlossene Be­ hälter 10 oder das Modul 16 aufgebaut sein kann.

Werden die Module 16, beispielsweise durch Sonnenbestrahlung, erhitzt, wird das Gas in dem Ad­ sorptionsmaterial 11 desorbiert, wodurch in jedem Behäl­ ter 10 ein Druck entsteht. Wenn dessen obere, durch das Einwegventil 17 gegebene Grenze überschritten wird, öff­ net das Ventil und das Gas fließt über den Auslaß 14 a und die Leitung 20 in den Kondensator 21, in dem es ge­ kühlt und dabei gegebenenfalls in ein flüssiges Medium umgewandelt wird. Dieses wird über die zweite Leitung 24 dem Expansionsventil 26 zugeführt, wo das Gas expan­ diert oder das flüssige Medium zu einem Gas verdampft, während es gleichzeitig die Kühleinrichtung 25 kühlt. Wenn vorzugsweise an dieser Stelle der Kühleffekt in konventioneller Weise für die Klimatisierung, Kälte­ erzeugung od.dgl. ausgenutzt wurde, strömt das Gas durch die dritte Leitung 27 und ein Einwegventil 30 in den Vorratsraum 16 a.

Solange das adsorbierende Material 11 im Modul 16 wärmer ist als das Gas im Vorratsraum 16 a, erfolgt der Gasfluß von dem Modul 16 über den Kondensator 21 und die Kühleinrichtung 25 in den Vorratsraum 16 a. Der nächste Funktionszyklus erfolgt, wenn das Modul 16 nicht mehr erhitzt wird, z.B. indem es die Schatten­ seite des Hauses einnimmt oder auf andere Weise be­ schattet wird oder, weil die Sonne für die Nacht untergegangen ist. Dann wird das Modul 16 durch Ab­ strahlung gekühlt und dadurch ein niedrigerer Druck im Innern des oder der Behälter 10 erzeugt. Für die­ sen Fall gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielswei­ se kann in einem Wüstenklima, wo die Tage heiß und die Nächte kalt sind, der Vorratsraum 16 a eingegraben oder auf andere Weise isoliert und gemäß Fig. 3 direkt mit dem Einlaß 15 a des Moduls 16 über eine Leitung 31 mit Einwegventil 32 verbunden sein. Sind jedoch auch die Abende warm, so kann eine Klimatisierung während der Nacht erwünscht sein, in welchen Fällen die in Fig. 4 veranschaulichte Anordnung vorteilhafter ist. Fig. 4 veranschaulicht deshalb den Rücklaufzyklus des Gases vom Vorratsbehälter 16 a zu dem kühlen Modul 16.

In diesem Fall ist der Vorratsraum 16 a durch eine vierte Leitung 35 mit druckgesteuertem Einweg­ ventil 34 mit einem zweiten Kondensator 21 a verbun­ den, dessen Auslaß eine fünfte Leitung 36 darstellt, die zu dem Expansionsventil 26 a einer Kühleinrichtung 25 a führt. Den Auslaß der Kühleinrichtung 25 a und den Einlaß 15 a des Moduls 16 verbindet eine sechste Lei­ tung 37, in der ein Einwegventil 40 vorgesehen ist. Das Ventil 40 und das Ventil 34 können zu einem vorzugsweise umschaltbaren, durch die Druckrelation zwischen dem Modul 16 und dem Druck im Vorratsraum 16 a gesteuerten Ventil zusammengefaßt werden, wenn der Kondensator 21 a bzw. die Kühleinrichtung 25 a die gleichen sind, wie der Kondensator 21 und die Kühleinrichtung 25. Der Kondensator 21 a kann ebenso, wie der Kondensator 21 durch ein Gebläse, Kühlwasser, Rippen oder andere entsprechende Einrichtung gekühlt werden.

Bei dem Zyklus, bei dem das Modul 16 kühl ist und das darin befindliche Medium einen geringeren Druck aufweist, als das im Vorratsraum 16 a, entsteht ein ausreichendes Druckgefälle und das Ventil 34 öffnet sich, wodurch das gasförmige Medium in den Kondensator 21 a fließt, in dem es gekühlt wird. Da­ nach fließt das Arbeitsmedium als Gas oder Flüssig­ keit in die Kühleinrichtung 25 a, in der es mittels des Expansionsventils 26 a expandiert und so abkühlt, daß es für das Klima- oder Kühlsystem eines Gebäudes oder für die Kälteerzeugung od. dgl. verwendet werden kann. Danach wird das Modul 16 wieder mit dem Arbeitsgas gefüllt und für den nächsten Zyklus vorbereitet.

Von diesen Zyklen kann einer während des Tages und einer während des Abends ablaufen oder, wenn die Module auf unterschiedlichen Seiten des Gebäudes an­ geordnet sind, dann kann ein Zyklus während des Vor­ mittags und der nächste Zyklus während des Nachmittags und des Abends ablaufen. Im letzteren Fall kann der Zyklus so verlaufen, daß das Gas von den Heißmodulen 16 auf der Ostseite eines Gebäudes oder Daches zu kalten Modulen 16 an der Westseite strömt und dann, wenn die zunächst kalten Module erhitzt werden, kann der Fluß in einen Vorratsraum erfolgen und schließlich während des Abends oder der Nacht zurück in die ersten Module auf der Ostseite. Alternativ kann die Wärme den Modulen 16 auch aus der Abwärme eines Kraftwerkes, eines Brenners oder einer anderen Abwärmequelle an­ stelle der Solarwärme über einen Wärmetauscher zuge­ führt werden. Man erkennt ferner, daß die Energie des expandierenden Gases auch verwendet werden kann zur Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie mit bekannten Einrichtungen unter Verwendung von Kol­ benmaschinen und Turbinen und elektrischer Genera­ toren.

Als besonders geeignetes festes Material für die Füllung der geschlossenen Behälter 10 und gegebenen­ falls 16 a haben sich als molekulare Siebe wirksame Zeolithe herausgestellt. Dies deshalb, weil diese im Gegensatz zu anderen derartigen Materialien eine besonders große Desorptionskapazität ohne wesentliche Beeinflussung durch den Umgebungsdruck aufweisen. D.h., wenn Zeolith auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der die Desorption beginnt, so fährt es in dieser in etwa gleichem Umfang fort, ohne von der Druckerhöhung des Gases unmittelbar außerhalb des Zeo­ lith aber innerhalb des Kreislaufs beeinflußt zu wer­ den. Dadurch ist für eine lang andauernde Desorption keine Temperaturerhöhung mit der Dauer des Desorp­ tionsvorganges erforderlich, was gerade für Systeme, die geringwertige Wärmeenergien ausbeuten sollen, von Bedeutung ist. Die vorliegende Erfindung schlägt Zeo­ lith für den angegebenen Zweck nach Kenntnis des Er­ finders das erste Mal vor.

Claims (7)

1. System zur Nutzbarmachung geringwertiger Ener­ gien, wie Sonnenenergie oder Abwärme, mit einem ge­ schlossenen Kreislauf, der mindestens einen geschlosse­ nen, mit adsorbierendem Material gefüllten, durch Er­ wärmung ein gasförmiges Medium desorbierenden Behälter (10) sowie einen mit dessen Gasauslaß (14) verbundenen Kondensator (21) und nach diesem ein Gasexpansionsven­ til (26) einschließt, dadurch gekennzeich­ net, daß sich in der Strömungsrichtung des nur in einer Richtung strömenden gasförmigen Mediums an das Expansionsventil (26) ein geschlossener Raum (16 a) anschließt, der mit dem Einlaß (15) des geschlossenen Behälters (10) verbunden ist.

2. System nach dem Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehrere geschlossene Be­ hälter zu einem Modul (16) und in diesem die Gasein­ lässe (15) und -auslässe (14) der Behälter (10) zu einem Gaseinlaß (15 a) und Gasauslaß (14 a) zusammenge­ faßt sind.

3. System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ge­ schlossenen Raum (16 a) und dem geschlossenen Behäl­ ter (10) oder Modul (16) ein weiterer Kondensator (21 a) und ein weiteres Expansionsventil (26 a) geschaltet sind und der geschlossene Behälter (10) oder Modul (16) und der geschlossene Raum (16 a) abwechselnd erwärmt werden.

4. System nach dem Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der geschlossene Raum (16 a) ein zweiter geschlossener, mit adsorbierendem Material gefüllter Behälter ist.

5. System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene Behälter (10) oder Modul (16) als molekulares Sieb wirksame Zeolithe in fester Form enthält.

6. System nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch der ge­ schlossene Raum (16 a) mit einem festen, ein gasför­ miges Medium adsorbierenden Material, z.B. einem Zeolith, gefüllt ist.

7. System nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansions­ ventil (26) und gegebenenfalls Ventil (26 a) Teil einer Kühleinrichtung (25 bzw. 25 a) sind, die wie­ derum Teil einer Klimaanlage sind.