DE2810360A1 - Heat storage pump operating by chemical decomposition - at low temps. suitable for solar collectors in temperate zones - Google Patents

Heat storage pump operating by chemical decomposition - at low temps. suitable for solar collectors in temperate zones

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Abstract

Absorbed heat is used to decompose gaseous and solid components, the solid phase being in equilibrium with the pure gas phase at a given temp. and the resultant dissociation vapour pressure. The gaseous phase is pumped away, condensed, stored and then used when required to react with the solid phase and produce heat. Pref. the gaseous phase is reacted directly with the decompsn. prod. of th chemical cpd. in a second vessel at increased pressure. The reaction cycle is completed by alternating the uses of the two vessels. Specifically, the chemical cpd. is decomposed into a liquid and a gaseous component. The system does not require a high temp. for utilisation and is therefore esp. suitable for temperate zones.

Description

B E S C H R E I B U N G:DESCRIPTION:

Chemische Wärmespeicherpumpe Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Solarenergienutzung durch reversible chemische Reaktionen in Vakuumsystemen. Chemical heat storage pump The invention relates to a method for the use of solar energy through reversible chemical reactions in vacuum systems.

Die Einsatzmöglichkeit eines Verfahrens zur Nutzung der Solarenergie wird wesentlich durch die regionalen Klimaverhältnisse bzw. die geographische Lage und jahreszeitlich und wetterbedingten Schwankungen der Sonnenstrahlung und den periodischen Tag/Nachtwechsel bestimmt. Gerade.für die Region um den 50. Breitengrad mit maritimem Klima ist die Solarenergienutzung interessant, da hier ein besonders hoher Anteil des Energieverbrauchs auf Beheizung und Klimatisierung entfällt. Die Merkmale dieser Klimaregion sind: Sonnenscheindauer jahreszeitlich stark schwankend, häufig hoher Bewölkungsgrad, keine extremen Maxima und Minima im Temperaturverlauf. lCine direkte Nutzung durch Kollektorsysteme ist daher nur in wenigen Sommermonaten möglich. Die Lösung des Problems der Energiespeicherung zum Ausgleich der Strahlungsschwankungen ist eine entscheidende Voraussetzung ftir einen ökonomischen Einsatz der Solartechnologie.The possibility of using a method for using solar energy is essentially due to the regional climatic conditions or the geographical location and seasonal and weather-related fluctuations in solar radiation and the periodic day / night change determined. For the region around the 50th parallel With a maritime climate, the use of solar energy is interesting because it is a special one A high proportion of the energy consumption for heating and air conditioning is eliminated. the Characteristics of this climatic region are: sunshine duration strongly fluctuates with the seasons, often a high degree of cloudiness, no extreme maxima and minima in the temperature profile. lCine direct use by collector systems is therefore only possible in a few summer months possible. The solution to the problem of energy storage to compensate for radiation fluctuations is a crucial prerequisite for the economical use of solar technology.

"Wasser- Boden- Luft" können als natürliche Wärmespeicher genutzt werden durch Anhebung der Umgebungswärme auf ein höheres Temperaturniveau."Water-soil-air" can be used as natural heat storage are increased by raising the Ambient heat to a higher temperature level.

Feine Alternative zur Wärme speicherung durch Ausnutzung der spezifischen Wärme oder der Schmelz-/Erstarrungswärmen bei Aufheizung von Flüssigkeiten und Feststoffen besteht in der Ausnutzung von Xeaktionswärmen (Journal of Solid State Chemistry, Jahrgang 1977, IIeft 22, Seiten 51 bis 61). Die in der Literatur diskutierten Systeme erreichen zwar Temperaturen die Elektrizitätserzeugung ermöglichen, erfordern jedoch Zersetzungstemperaturen oberhalb 100 cc.Fine alternative to heat storage by utilizing the specific Heat or the melting / solidification heat when liquids and solids are heated consists in the utilization of heat of reaction (Journal of Solid State Chemistry, Born 1977, Volume 22, Pages 51 to 61). The systems discussed in the literature reach temperatures that allow electricity to be generated, but require Decomposition temperatures above 100 cc.

Derartig hohe Zersetzungstemperaturen sind durch normale Kollektorsysteme in-der Region um den 50.Such high decomposition temperatures are due to normal collector systems in the region around the 50.

Breitengrad kaum zu erreichen.Latitude hardly to be reached.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Solarenergie und TYmgebungswärme durch reversible chemische Reaktionen zu speichern und durch Steuerung der Reaktionsabläufe zu Heiz- und Klimatisierungszwecken zu nutzen.The invention is based on the object of solar energy and ambient heat by reversible chemical reactions and by controlling the reaction processes to use for heating and air conditioning purposes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daG im Vakuum eine chemische Verbindung durch Wärmeaufnahme in gasförmige und feste Komponenten zerlegt wird und die jeweilige feste Phase bei gegebener Temperatur und dem jeweiligen resultierenden Dissoziationsdampfdruck mit der reinen Gasphase im Gleichgewicht steht, die abgepumpt, kondensiert, gelagert und im Bedarfsfall mit der festen Phase unter Wärmeabgabe wieder zur Reaktion gebracht erden kann.This object is achieved according to the invention in that a Chemical compound broken down into gaseous and solid components by absorbing heat and the respective solid phase at a given temperature and the respective resulting Dissociation vapor pressure is in equilibrium with the pure gas phase that is pumped out, condensed, stored and, if necessary, with the solid phase, releasing heat can be brought to react again.

Um das Verfahren ohne Wärmespeicherung zu Heizzwecken anzuwenden, kann nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Gasphase unter Druckerhöhung direkt mit dem festen Zersetzungsprodukt der chemischen Verbindung in einem zweiten Behälter zur Reaktion gebracht werden, wobei der Reaktionszyklus durch anschließenden Funktionswechsel der Behälter geschlossen wird.To use the method without heat storage for heating purposes, can, according to a further embodiment of the invention, the gas phase with an increase in pressure directly with the solid decomposition product of the chemical link be reacted in a second container, the reaction cycle the container is closed by subsequent function change.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, da Solarenergie, Umgebungswärme und Abwärme niedriger Temperatur gespeichert und genutzt werden kann. Bei der Lagerung der getrennten Komponenten treten keine Wärmeisolationsprobleme auf. Bei Rekombination der Komponenten wird eine wesentlich höhere Temperatur erreicht, als bei der Zersetzung erforderlich war. Das Speichersystem hat einen geringen Raumbedarfs, da hohe Energiedichten erreichbar sind. Die freiwerdende Reaktionswärme ist um den Faktor 10 bis 10³ größer als die erforderliche Hilfsenergie.The advantages achieved with the invention are in particular: because solar energy, ambient heat and waste heat are stored at a lower temperature and can be used. When storing the separate components, there are no thermal insulation problems on. When the components are recombined, a significantly higher temperature is reached, than was required for decomposition. The storage system takes up little space, because high energy densities can be achieved. The heat of reaction released is around the Factor 10 to 10³ larger than the required auxiliary power.

hin Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand des Systems CaCl2 - H2O näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Schema des Schaltbilds einer Anlage zur erfindungsgemäßen l)urchführung des Verfahrens.Hin embodiment of the invention is described below with reference to the Systems CaCl2 - H2O explained in more detail. 1 shows a schematic of the circuit diagram a plant for carrying out the process according to the invention.

Das System besteht aus zwei evakllierten Reaktionsbehältern (I, II) die untereinander über eine Vakuumpumpe (p) mit Abzweigung zu einem Speicherbehälter (S) verbunden sind. In Ausgangsstellung befindet sich im Behalter I zB. CaCl2.6H2O, im Behälter II zB. CaCl2.H2O, jeweils bei Umgebungstemperatur und zugehörigem Dissoziationsdruck.The system consists of two evacuated reaction vessels (I, II) the one below the other via a vacuum pump (p) with a branch to a storage tank (S) are connected. In the starting position is in the container I, for example. CaCl2.6H2O, in container II, for example. CaCl2.H2O, in each case at ambient temperature and associated dissociation pressure.

Die Reaktionsführung kann nun, den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt, auf 3 prinzipiell verschiedenen Wegen erfolgen, wobei das System als a) chemische Wärmespeicherpumpe b) chemischer Solarenergiespeicher c) chemische Wärmepumpe arbeiten kann.The conduct of the reaction can now be adapted to the respective circumstances, take place in 3 principally different ways, the system as a) chemical heat storage pump b) chemical solar energy storage c) chemical heat pump can work.

Zu a): durch die Vakuumpumpe wird der Druck unter den Gleichgewichtsdissoziationsdruck der vorliegenden Hydratstufe erniedrigt. Durch Dehydratisierung wird der Gleichgewichtsdruck wieder erreicht. Bei dieser isothermen Dehydratisierung wird der Umgebung die entsprechende Energiemenge entzogen.Regarding a): the vacuum pump causes the pressure to fall below the equilibrium dissociation pressure the present hydrate stage is lowered. Dehydration increases equilibrium pressure reached again. With this isothermal dehydration, the environment becomes the corresponding one Amount of energy withdrawn.

Die abgepumpte H2O-Gasphase wird auf den Wasserdampfpartialdruck der zugehörigen Temperatur komprimiert. Das Wasser kondensiert im Speichergefä'3, die Verdampfungswärme wird frei und entweder an die Umgebung abgegeben oder zur isothermen Zersetzung des CaCl2-Hydrats verwendet.The pumped-out H2O gas phase is brought to the water vapor partial pressure of the associated temperature compressed. The water condenses in the storage vessel 3, the Heat of evaporation is released and either given off to the environment or becomes isothermal Decomposition of the CaCl2 hydrate used.

Bei der freiwillig ablaufenden Rückreaktion wird die zur Verdampfung des Wassers notwendige Energie isotherm der Umgebung entnommen. Die im Reaktionsbehälter bei der Rückreaktion freiwerdende Wärme erhöhter Temperatur kann abgeführt und zu Heizzwecken verwendet werden.In the case of the voluntary reverse reaction, it turns into evaporation The energy necessary for the water is taken isothermally from the environment. The one in the reaction vessel Elevated temperature heat released in the reverse reaction can be removed and added Be used for heating purposes.

Zu b): Durch einen Solarkollektor wird dem Hydrat im Reaktionsbehälter Wärme zugeführt. Weiterer Ablauf analog zu a Zu c): Der Behälter I mit zB. CaCl2.6H2O wird über die Pumpe direkt mit dem Behälter II mit zB. CaCl2.H2O verbunden. Der erste Behälter befindet sich bei Umgebungstemperatur. Zwischen den Behältern besteht zunächst ein natürliches Druckgefälle. Infolge Aufheizung des zweiten Behälters während des Reaktionsverlaufs durch die freiwerdende Hydratisierungswärme ist Kompressionsarbeit aufzuwenden. Durch Umschalten von Wärmetauscher und Pumpe wird anaschließend Behälter I aufgeheizt und durch Behälter II Umgebungswärme absorbiert.Regarding b): The hydrate in the reaction vessel is generated by a solar collector Heat supplied. Further process analogous to a To c): The container I with, for example. CaCl2.6H2O is via the pump directly to the container II with, for example. CaCl2.H2O connected. Of the first container is at ambient temperature. There is between the containers initially a natural pressure gradient. As a result of the heating of the second container During the course of the reaction, the heat of hydration released is work of compression to spend. By switching between the heat exchanger and the pump, afterwards Container I is heated and ambient heat is absorbed by container II.

Der Reaktionsverlauf und die Aufheizrate bei den Verfahrensweisen a - c sind durch thermostatisch und druckabhängig geregelte Ventile und Pumpenschaltung sowie den Grad der Wärmeentnahme steuerbar.The course of the reaction and the heating rate in the procedures a - c are controlled by thermostatically and pressure-dependent valves and pump circuit as well as the degree of heat extraction controllable.

Das Verhältnis von aufzuwendender Kompressionsarbeit zur bei der Rückreaktion freiwerdenden Reaktionswärme der Verfahren a und c beträgt (näherungsweise unabhängig von der Umgebungstemperatur) bei Temperaturerhöhung um 30 cc ca. 1 : 10 . Bei Verfahren b wird ein Verhältnis von ca. 1 : 100 bereits bei einer gegenüber der Umgebungstemperatur um 30 cc erhtihten Kollektortemperatur erreicht.The ratio of the compression work to be expended to the reverse reaction heat of reaction released in processes a and c is (approximately independent of the ambient temperature) with a temperature increase of 30 cc approx. 1:10. In proceedings b becomes a ratio of approx. 1: 100 already at one compared to the ambient temperature Collector temperature increased by 30 cc.

Die Energieaufnahme zur Dehydratisierung und zur Verdampfung aus dem Speicherbehälter kann Grundlage einer Kühlanlage sein.The energy absorbed for dehydration and for evaporation from the Storage tanks can be the basis of a cooling system.

DaE die praktische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in realistischen Dimensionen zu verwirklichen ist, kann anhand einer einfachen Rechnung dargelegt werden: In einem Reaktionsbehälter von 1 m³ Volumen mit 300 kg entspr. 1369,3 Mol CaCl2.6H2O (Füllungsgrad 17,5 Vol%) kann eine Energie von 380000 kJ oder 105,5 kWh gespeichert werden Dies entspricht dem Wärmebedarf eines Einfamilienhauses von 12 x 12 m Grundfliche und 3 m Höhe (Bauteile nach DIN 4108 + 2 cm Hartschaumisolierung) bei einem durchschnittlichen Temperaturunterschied von 13 °C, d.h.DaE the practical application of the method according to the invention in realistic Dimensions can be realized using a simple calculation are: In a reaction vessel of 1 m³ volume with 300 kg corresponding to 1369.3 mol CaCl2.6H2O (filling level 17.5 vol%) can produce an energy of 380,000 kJ or 105.5 kWh This corresponds to the heat requirement of a single-family house of 12 x 12 m basic and 3 m high (components according to DIN 4108 + 2 cm hard foam insulation) at an average temperature difference of 13 ° C, i.e.

Außentemperatur 10°C / Innentemperatur 23°C, für 24 h.Outside temperature 10 ° C / inside temperature 23 ° C, for 24 hours.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (8)

P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Verfahren zur Solarenergienutzung durch reversible chemische reaktionen in Vakuumsystemen, dadurch gekennzeichnet, daß im Vakuum eine chemische Verbindung durch Wärmeaufnahme in gasförmige und feste Komponenten zerlegt wird und die jeweilige feste Phase bei gegebener Temperatur und dem jeweiliegen resultierenden Dissoziationsdampfdruck mit der reinen Gasphase im Gleichgewicht steht, die abgepumpt, kondensiert, gelagert bzw. gespeichert und in Bedarfsfall mit der festen Phase unter Wärmeabgabe wieder zur Reaktion gebracht wird.P A T E N T A N S P R Ü C H E: 1. Procedure for using solar energy by reversible chemical reactions in vacuum systems, characterized by that in a vacuum a chemical compound through heat absorption in gaseous and solid Components is broken down and the respective solid phase at a given temperature and the respective resulting dissociation vapor pressure with the pure gas phase is in equilibrium, which is pumped out, condensed, stored or stored and if necessary, reacted again with the solid phase, releasing heat will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasphase ggf. unter Druckerhöhung direkt mit dem Zersetzungsprodukt der cheriischen Verbindung in einem zweiten Behälter zur Reaktion gebracht wird, wobei der Reaktionszyklus durch anschließenden Funktionswechsel der Behälter geschlossen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the gas phase possibly with an increase in pressure directly with the decomposition product of the chemical compound is reacted in a second container, the reaction cycle the container is closed by subsequent function change. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die chemische Verbindung in flüssige und gasförmige Komponenten zerlegt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the chemical compound is broken down into liquid and gaseous components. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, da!3 als chemische Verbindung insbesondere Erdalkalichlorid-Hydrate sowie Hydrate und/oder Ammoniakate verwendet werden.4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that! 3 as chemical compound, in particular alkaline earth chloride hydrates and hydrates and / or Ammoniaates are used. 5. Verfahren zur Energiespeicherung und Temperaturerhöhung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Nutzung von Umgebungswärme eingesetzt wird.5. A method for energy storage and temperature increase according to claim 1 to 4, characterized in that the method for using ambient heat is used. 6. Verfahren zur Energiespeicherung und Temperaturerhöhung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Nutzung von Abwärmen, Kraftwerksabwärmen oder Abwärme industrieller Prozesse eingesetzt wird.6. A method for energy storage and temperature increase according to claim 1 to 4, characterized in that the method for using waste heat, power plant waste heat or waste heat from industrial processes is used. 7. Verfahren zur Energiespeicherung und Temperaturerhöhung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Nutzung mechanischer oder elektrischer Energie bzw. zur Speicherung von möglicher Hilfsenergie eingesetzt wird.7. A method for energy storage and temperature increase according to claim 1 to 4, characterized in that the method for using mechanical or electrical energy or used to store any auxiliary energy will. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Energieaufnahme verbundene Teilprozeß zu Kühlzwecken eingesetzt wird.8. The method according to claim 1 to 7, characterized in that the sub-process associated with energy consumption is used for cooling purposes.
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