DE2760383C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein System zur Nutz­ barmachung geringwertiger Energien, wie Sonnenenergie oder Abwärme.

Eine der wesentlichen der Verwendung der Sonnen­ energie für Heiz- und Kühlzwecke entgegenstehenden Schwie­ rigkeiten liegt in ihrer geringen Energiedichte auf der Erde. Die mit Sonnenenergiekollektoren erreichbaren Tempe­ raturgefälle sind gering und selbst, wenn Energiesammler verwendet werden, erfordern Temperaturen oberhalb von 200-300°C ausgeklügelte Sonnen-Nachführtechniken. Etwa die gleichen Verhältnisse liegen auch bei Anlagen vor, die mit der Abwärme von Kraftwerken und anderen Erzeu­ gern thermischer Umweltbelastungen betrieben werden und diese verringern und in Nutzenergie umwandeln sollen. Daher besteht ein Bedürfnis für die Entwicklung einer wirk­ samen Energieumwandlung bei geringen Temperaturgefällen etwa zwischen 30-100°C.

Es ist bekannt, daß wegen der geringen mit Sonnen­ energie erzielbaren Temperaturgefälle der Carnot-Wir­ kungsgrad irgendeines Systems, das die normale Ausdehnung der Gase ausnutzt, zwangsläufig gering sein muß. Aus diesem Grunde haben sich die meisten Sonnenenergie-Kühlsysteme auf den bekannten Adsorptions-Kühlkreislauf konzentriert, der auf der mit der Temperatur unterschiedlichen Löslich­ keit von Gasen in Flüssigkeiten basiert. Soweit dieser Prozeß thermisch nutzbar gemacht wird, ist seine Abhängig­ keit von der Temperatur exponentiell, was große Änderungen des Gasdrucks bei kleinen Änderungen der absoluten Tempe­ ratur ermöglicht.

Aus der US-PS 20 24 083 ist bereits ein Kühlaggregat mit zwei Adsorbern bekannt, zwischen denen ein Kondensator und eine Expansions-Kühleinrichtung angeordnet sind, die beiden Adsorbern gemeinsam sind. Das Kühlaggregat wird allerdings von Gasbrennern beheizt und verwendet aufwen­ dige Umsteuermittel zwischen den einzelnen Aggregaten. In dieser Druckschrift werden als adsorbierende Materia­ lien Silikagel und Aluminiumoxid sowie als absorbierendes Material Calziumchlorid in allgemeiner Form genannt, ohne auf die Anordnung der Materialien einzugehen.

Aus der DE-AS 10 29 398 ist ferner ein periodisch ar­ beitender Absorptions-Kälteapparat mit einer Expansions­ kühleinrichtung bekannt, dessen Austreiber durch Sonnen­ bestrahlung beheizt wird. Bei diesem Kälteapparat wird der Kältemitteldampf nicht in einem Kondensator konden­ siert, sondern in einer reichen Flüssigkeit absorbiert.

Als Kältemittel kann Ammoniak verwendet werden, während das absorbierende Material Wasser sein kann. Da der Teildruck des Kühlmittels zwischen der Hochdruckseite des Systems und seiner Niedrigdruckseite unterschiedlich groß ist, gleicht der Eintritt von Wasserstoffgas die unterschiedlichen Drücke an jeder Seite des Systems aus, so daß keine Fluidpumpen oder andere mechanisch bewegte Bauteile in dem geschlossenen System erforderlich sind, um den Wärmeaustausch hervorzurufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives, wirksames System für die Nutzbarmachung geringwertiger Energien, wie Sonnenenergie oder Abwärme, zu schaffen, das unter Verwendung fester, Gas adsorbierender Materialien mit sowenig Steuereinrichtungen wie möglich auskommt und auch bei geringen Temperaturunterschieden mit hohem Wir­ kungsgrad arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen 2 bis 6 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird unter Bezugnahme auf diese nachfolgend beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 einen Adsorptionsbehälter nach der Erfindung im Vertikalschnitt und verkleinertem Maßstab;

Fig. 2 die Zusammenfassung mehrerer Behälter nach Fig. 1 zu einem Modul in perspektivischer Ansicht und gegenüber Fig. 1 weiter verklei­ nertem Maßstab und

Fig. 3 ein Systemdiagramm in weiter verkleinertem Maßstab.

Das System nach der Erfindung enthält plattenförmige, nach­ folgend im einzelnen beschriebene Behälter 1 gemäß Fig. 1 mit je einem Gasauslaß 2 und einem Gaseinlaß 3, von denen jeweils mehrere gemäß Fig. 2 zu einem allgemein mit 4 be­ zeichneten Modul zusammengefaßt sind. Dabei können, wie im oberen Teil der Fig. 2 dargestellt, Auslässe 2 und Einlässe 3 zu Erzielung eines größeren Druckes in Serie, oder wie im unteren Teil dargestellt, parallel verbunden sein, um einen höheren Durchsatz zu erzielen, wobei sich auch beide Möglichkeiten kombinie­ ren lassen. Diese Module werden auf dem Dach eines Hauses oder an einer anderen, von der Sonne beschienenen Stelle installiert.

Der Auslaß 2 eines Moduls 4 ist über ein Einweg­ ventil 5 mit einer Leitung 6 verbunden, die in eine Kon­ densatoreinheit 7 führt, die z.B. durch ein Gebläse 8 oder eine andere geeignete Kühleinrichtung gekühlt sein kann. Der Auslaß der Kühleinrichtung führt das Arbeits­ gas durch eine Leitung 9 über ein Einwegventil 10 in eine Kühleinrichtung 11. In der Kühleinrichtung 11 expandiert das Gas mittels eines Expansionsventil 12, wobei es stark abkühlt und für die Klimatisierung, Kältegewinnung od.dgl. verwendet werden kann. Das entstehende Medium wird dann gesammelt und über einen, ein Einwegventil 13 aufweisenden Rücklauf 14 dem Niederdruckeinlaß 3 des Moduls 4 zugeführt.

Der der Sonnenbestrahlung S (oder Abwärmestrah­ lung) ausgesetzte, plattenförmige Metallbehälter 1 weist eine transparente Abdeckung 15 auf und enthält eine Trennwand 16 aus festem, beispielsweise gesinterten Zeo­ lith. Die der Sonne zugekehrte Seite 17 der Zeolith- Trennwand 16 ist in geeigneter Weise dunkel gefärbt. Die Trennwand 16 teilt den Innenraum des Behälters 1 in zwei Hälften, nämlich eine hintere, der Bestrahlung ab­ gewandten Hälfte und eine vordere, der Bestrahlung zuge­ wandten Hälfte, wodurch zwei Räume, nämlich ein Raum 18 für ein Gegendruckgas bei geringer Temperatur und ein Raum 19 für das Arbeitsgas unter hohem Druck und hoher Temperatur entsteht. Wenn Wärme von der Sonne oder einer anderen Wärmequelle die Seite 17 der Zeolith-Trennwand 16 erhitzt, erzeugt sie ein Temperaturgefälle Δ T, das durch das Bezugszeichen 20 gekennzeichnet ist.

Damit macht sich die Erfindung den Umstand zu­ nutze, daß, wenn ein Temperaturgradient durch die Masse eines absorbierenden Materials hindurch erzeugt wird, die Folge im wesentlichen eine Pumpwirkung ist. Die Erfindung erschöpft sich aber nicht darin, sondern schreibt für die Trennwand 16 in den der Wärmebestrah­ lung ausgesetzten Behältern 1 außerdem vor, daß diese aus Zeolith besteht. Molekulare Zeolithsiebe haben eine Kristallstruktur mit interkristallinen Poren in Form - in molekularem Sinn - großer Hohlräume, die über große oder kleine gemeinsame Durchgangsöffnungen mitein­ ander verbunden sind. Aus diesem Grund ergibt sich für die Bewegung eines Gasmoleküls ein thermisch angeregtes "Haf­ ten" an den Innenseiten der Hohlräume und eine zweite Energiebarriere gegen eine Diffusion durch die Durchgangs­ öffnungen zwischen den Hohlräumen. Dieser zweite Vorgang ist für die Auslesewirkung der molekularen Siebe verant­ wortlich, wobei Gase mit molekularen Dimensionen kleiner als die Durchgangsöffnungen die Siebe passieren, während Gase mit molekularen Größen größer als die Durchgangs­ öffnungen, nicht passieren können. Zusätzlich haften Moleküle mit einem großen elektrischen Dipolmoment - z.B. Wasser - im allgemeinen in den Höhlungen im Ge­ gensatz zu Atomen und Molekülen ohne ein solches Mo­ ment - beispielsweise die Edelgase -, so daß deren Bewe­ gung nur durch ihre relative Größe bezüglich der Größe der Durchgangsöffnungen beeinflußt wird. Aus diesen Gründen entspricht die Bewegung von Gasen durch moleku­ lare Siebe hindurch nur in geringem Maße der Diffusion und ist tatsächlich weitaus komplexer.

Bei vom Anmelder durchgeführten Versuchen mit einem Zeolith, das unter der Bezeichnung "Linde Typ 4 A" gehandelt wird, wurden Platten mit einem Kao­ linbinder gesintert. Durch Aufheizen einer Seite dieser Platten auf etwa 100°C wurde eine Pumpwirkung bei einer Anzahl verschiedener Arbeitsgase beobachtet. Zu diesen Gasen gehörte CO ₂, Freon-11, (CCl ₃F), Freon-12 (CCl ₂ F ₂), Freon-21, (CHCl ₂F), Freon-22 (CHClF ₂), Wasser­ dampf, N H ₃, SO_2, N ₂ und O ₂.

Damit erzeugt das durch die Bestrahlung der Seite 17 des Behälters 1 hervorgerufene Temperaturgefälle 20 eine innere molekulare Pumpwirkung, die ein Druckgefälle zwischen den Räumen 18 und 19 im Behälter 1 zur Folge hat, das dazu verwendet wird, um den erforderlichen Ener­ giebedarf des Systems zu erzeugen.

Es wird also nach den Fig. 1 bis 3 das Arbeitsgas aus der Hochdruckhälfte 19 des Behälters 1 durch den Hochdruckauslaß 2, das Einwegventil 5 und die Leitung 6 der Kondensatoreinheit 7 zugeführt, in der das Gas ge­ kühlt wird. Das nunmehr gekühlte und gegebenenfalls ver­ flüssigte Gas wird von dem Kondensator 7 in die Kühlein­ richtung 11 geleitet, wo es durch Expansion mittels des Expansionsventils 12 eine Kühl- oder Gefrierwirkung ent­ faltet. Das entstehende Niederdruckgas wird dann durch die Leitung 14 über das Einwegventil 13 zurück in die Niederdruckhälfte 18 des Behälters 1 über den Nieder­ druckgaseinlaß 3 geführt.

Bei Versuchen konnten, in absoluten Drücken, die folgenden Druckgefälle mit den vorgenannten Gasen er­ zielt werden:

Freon-11, 0,21/1,24 bar; Freon-12, 1,79/7,38 bar; Freon-21, 0,34/3,52 bar; Freon-22, 2,96/12,6 bar; Wasser­ dampf, 6,89/68,94 mbar; SO ₂, 0,83/4,55 bar; CO ₂, 22,89/ 71,9 bar; und NH ₃, 2,41/11,72 bar.

Dabei kann das gleiche Gasvolumen innerhalb eines Tages immer wieder von neuem verwendet werden und einen Kühleffekt erzeugen, der direkt proportional der sola­ ren Hitzeeinwirkung ist. Je größer also die solare Hitzebelastung, desto größer auch die daraus resultie­ rende Kühlwirkung.

Claims (6)

1. System zur Nutzbarmachung geringwertiger Energien, wie Sonnenenergie oder Abwärme, mit einem geschlossenen Kreislauf, der mindestens einen geschlossenen, mit ad­ sorbierendem Material gefüllten, durch Erwärmung ein gasförmiges Medium desorbierenden Behälter sowie einen mit dem Gasauslaß verbundenen Kondensator und nach diesem eine mit einem Gasexpansionsventil versehene Expansions- Kühleinrichtung einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende Material im Behälter (1) in Form einer festen, aus Zeolith bestehenden Trennwand (16) an­ geordnet ist, die den Innenraum des Behälters in einen mit einem Gasauslaß (2) versehenen Raum (19) für Ar­ beitsgas hoher Temperatur und einen mit einem Gasauslaß (3) versehenen Raum (18) für Gegendruckgas geringer Temperatur teilt.

2. System nach dem Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere Behälter (1) zu einem Modul (4) zusammengefaßt sind.

3. System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul (4) die einzelnen Gasauslässe (2) und -einlässe (3) der Behäl­ ter (1) in Serie miteinander verbunden sind.

4. System nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Modul (4) die einzelnen Gasauslässe (2) und -einlässe (3) der Be­ hälter (1) parallel miteinander verbunden sind.

5. System nach dem Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Trennwand (16) aus gesintertem Zeolith besteht.

6. System nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas aus den Hochdruckhälften (19) der Behälter (1) durch die Hochdruckauslässe (2) über eine Leitung (6) einer Kon­ densatoreinheit (7) zugeführt wird, wo es gekühlt wird und das, gegebenenfalls verflüssigte, gekühlte Gas danach in eine Kühleinrichtung (11) geleitet wird, wo es durch Expansion mittels eines Expansionsventils (12) eine Kühl- oder Gefrierwirkung entfaltet, wonach das so entstandene Niederdruckgas durch eine Leitung (14) zurück in die Niederdruckhälften (18) der Behäl­ ter (1) über die Niederdruckgaseinlässe (3) geführt wird.