DE2923480A1

DE2923480A1 - Verfahren zur speicherung von insbesondere niedertemperatur-waerme

Info

Publication number: DE2923480A1
Application number: DE19792923480
Authority: DE
Inventors: Johann Spies; Manfred Dr Zier
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Current assignee: Erno Raumfahrttechnik GmbH
Priority date: 1979-06-09
Filing date: 1979-06-09
Publication date: 1980-12-18
Also published as: GR69238B; WO1981000612A1; EP0029843A1

Description

Verfahren zur Speicherung von insbesondere Niederterperatur-Wärme
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme, wie sie beispielsweise bei Verwendung von Sonnenenergie-Kollektoren auftritt.
Es ist bekannt, daß die Verwendung von Sonnenenergie zu Heizungszwecken nur in beschränktem Maße möglich ist, weil einerseits diese Sonnenenergie in überreichlichem Maße in einem Teil des Jahres zur Verfügung steht, wenn sie zu Heizungszwecken an sich nicht benötigt wird, daß aber andererseits dann, wenn diese Wärme erwünscht wäre, sie nur in beschränktem Umfang zur Verfügung steht. Die Schwierigkeiten liegen dabei vor allen Dingen darin, daß sich Wärme nur schlecht speichern läßt.
Die bisher bekannten Wärmespeicher verwenden entweder Substanzen mit naturbedingt geringen volumspezifischen Speicherkapazitäten mit dem Ergebnis, daß relativ große Speichergefäße mit entsprechend großen Wärme abgebenden Oberflächen verwendet werden müssen. Bei Wärmespeichern, die als Speichèrmediu Phasenwechsel-Materialien verwenden, ergeben sich Probleme aus der Langzeitstabilität dieser Medien jedenfalls dann, wenn die Kosten dafür in einem vertretbaren Rahmen bleiben sollen.
Schließlich sind auch Speichersysteme für Niedertemperatur-Wärme bekannt geworden bei denen endotherme bzw. exotherme chemische Reaktionen zur Wärme speicherung benutzt werden. Diese letzteren Speichersysteme sind jedoch weitgehend nur papierener Stand der Technik.
Ein Nachteil dieser I.chemischenIr Speicher ist auch darin zu sehen, daß sie mindestens zwei Speichergefäße für die getrennte Speicherung der Reaktionsprodukte benötigen oder aber nur geringe voluienspezifische Speicherkapazitäten besitzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme anzugeben, bei dem unter Verwendung chemischer Reaktionen billige Substanzen verwendet werden können und darüber hinaus lediglich ei3 einziges Speichergefäß erforderlich ist.
Erfindungsgemäß wird dabei als Speichersubstanz eine wässrige Lösung solcher Stoffe verwendet, die einen verschwindenden Partialdruck in der Gleichgewichtsdampfphase aufweisen, wenn bei Zuführung von Wärme das Wasser aus der wässrigen Lösung in Dampfform ausgetrieben wird. Die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte sind in den beigefügten Ansprüche im einzelnen angegeben.
In den beigefügten Zeichnungen sind zwei Ausführungsformen für Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen: Figur 1 eine Vorrichtung mit geringstem technischen Aufwand und Figur 2 eine verbesserte Ausführungsform einer solchen Vorrichtung.
In dem Speichergefäß 1 ist das Speichermedium 2 in Form einer wässrigen Lösung enthalten. In diesen Speicherbehälter 1 ist ein Wärmetauscher 3 sowie ein von einem Motor angetriebenes Rührwerk 9 eingebaut. Das Speichergefäß 1 ist über eine Dampfleitung 4 mit einem zweiten Gefäß 5 verbunden, das während der Wärmespeicherung als Kondensator und während der Wärmeentnahme als Verdampfer Verwendung findet. In diesem Gefäß ist eine Frischwasserleitung 7 mit einem Absperrventil 8 sowie eine Abwasserleitung 10 mit einem Absperrventil 11 und einer von einem Motor angetriebenen Wasser pumpe 12 verbunden.
Das mit dieser Vorrichtung zur Wärmespeicherung ausgeübte Verfahren verläuft folgendermaßen: Uber den Wärmetauscher 3 wird der im Speichergefäß 1 befindlichen wässrigen Lösung 2, z.B. Natronlauge, Wärme zugeführt. Das aus dieser wässrigen Lösung verdampfende Wasser wird als überhitzter Wasserdampf über die Dampfleitung 4 dem als Kondensator wirkenden GefäB 5 mit dem Wärmetauscher 6 zugeführt. Dieser Wärmetauscher 6, der mit einem Umgebungstemperatur aufweisenden Medium beaufschlagt wird, sorgt dafür, daß die Sättigungstemperatur des überhitzten Dampfes unterschritten wird, so daß der Wasserdampf kondensiert. Das so entstandene Wasser wird über die Abwasserleitung 10 mittels der Pumpe 12 aus dem System herausbefördert. Durch das Verdampfen des Wassers aus der wässrigen Lösung erhöhen sich die Konzentration und die Temperatur der Lösung, wodurch letztenendes die dem System zugeführte Wärme gespeichert wird. Das Rührwerk 9 sorgt während der Ladephase für einen homogenen Zustand des Speichermediums. Der Speichervorgang endet entweder mit der Wärme zufuhr oder mit dem Erreichen eines vorherbestimmten Konzentrationszustandes der wässrigen ii>Lösung.
Die Entnahme von Wärme aus diesem Speichersystem verläuft folgendermaßen: Dem Gefäß 5, das während der Wärmeentnahme als Verdampfer arbeitet, wird über die Frischwasserzufuhr 7 reines Wasser zugeführt und mittels des Wärmetauschers 6 verdampft, dar in gleicher Weise wie beim Ladevorgang mit einem Medium mit Umgebungstemperatur, gegebenenfalls auch geringfügig erhöhter Temperatur beaufschlagt wird.
Durch Wärmeentnahme aus der im Speichergefäß 1 enthaltenen Lösung wird der Gleichgewichtsdampfdruck im Gefäß 5 der Dampfleitung 4 und oberhalb der Lösung 2 überschritten. Dadurch nimmt die Lösung 2 Wasserdampf auf, wodurch Kondensations- und Verdünnungswärme freigesetzt wird, die wiederum über den Wärmetauscher 3 einem Verbraucher zugeführt werden kann. Das Temperaturniveau der Wärmefreisetzung liegt dabei in Abhängigkeit von der Konzentration der Lösung höher als das Temperaturniveau in dem als Verdampfer wirkenden Behälter 5.
Wie beim Aufladen sorgt das Rührwerk 9 für einen homogenen Zustand des Speichermediums.
Die Entladung des Wärme speichers endet entweder damit, daß dem Wärmetauscher 3 keine Wärme mehr entzogen wird, oder durch Erreichen einer vorher festgelegten Konzentration der wässrigen Lösung 2. und der Temperatur im Speichergefäß 1.
In der Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung dargestellt. Das Speichergefäß 21, in dem sich wiederum eine wässrige Lösung 22 als Speichermedium befindet ist über zwei Ablaufleitungen 28 bzw. 29 mit dem Reaktionsgefäß 30 verbunden, in dem der Wärmetauscher 31 angeordnet ist. In die Ablaufleitungen 28 bzw. 29 sind Dreiwegeventile 23, 24 bzw. 26, 27 eingeschaltet, die ihrerseits mit einer von einem Motor angetriebenen Puppe 25 verbunden sind. Das Reaktionsgefäß 30 ist über die Dampfleitung 32 mit einen zweiten Behälter 33 verbunden, der wiederum bei der Wärmeaufnahme im Speichergefäß 21 als Kondensator und bei der Wärneabgabe als Verdampfer wirksam ist. In diesem Behälter 33 ist ein zweiter Wärmetauscher 34 vorgesehen.
An dem Behälter 33 sind ~wie bei dem Beispiel nach Fig. 1, eine Frischwasserleitung 36 mit einem Absperrventil 37 sowie eine Abwasserleitung 35 mit einem Absperrventil 38 und einer von einem Motor angetriebenen Pumpe 39 verbunden.
Das erfindungsgemäße Verfahren verläuft bei Verwendung einer Vorrichtung nach der Fig. 2 folgendermaßen: Das Aufladen der Speichervorrichtung erfolgt durch Wärmezufuhr über den Wärmetauscher 31 in dem Reaktionsgefäß 30. Diesem Reaktionsgefäß 30 wird aus dem oberen Teil des Speichergefäßes 21 über den Ablauf 29 mittels der Pumpe 25 bei entsprechender Stellung der Ventile 23, 24 wässrige Lösung zugeführt. In diesem Reaktionsgefäß 30 wird durch die Wärme zufuhr das Wasser aus der wässrigen Lösung ausgetrieben und über die Dampfleitung 32 in das als Kondensator wirkende Gefäß 33 überführt. Die das Reaktionsgefäß 30 verlassende angereicherte Lösung wird über die Ablaufleitung 28 mit ihren Ventilen 26 und 27 wieder dem Speichergefäß 21 zugeführt.
In dem Gefäß 33 kondensiert der Wasserdampf an dem Wärmetauscher 34 und wird mittels der Pumpe 39 über die Ablaufleitung 35 aus dem System entfernt. In dem Speichergefäß 21 folgt der flexible Ablauf 29 dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels.
Bei der Entnahme von Wärme aus diesem Speichersystem werden die Ventile 23, 24 bzw. 26, 27 so umgeschaltet, daß die Ventile 23, 24 eine direkte Verbindung zwischen dem Speichergefäß 21 und dem Reaktionsgefäß 30 herstellen, während die Ventile 26 und 27 die Ablauf leitung 28 mit der Pumpe 25 verbinden. Die Pumpe 25 fördert dann die angereicherte Lösung 22 über den Ablauf 28 aus dem Speichergefäß 21 in das Reaktionsgefäß 30. Hier nimmt die Lösung über die Dampfleitung 32 zuströmenden Wasserdampf auf, der in dem Gefäß 33, das nunmehr als Verdampfer wirkt, mittels des Wärmetauschers 34 bei geöffneten Krischwasserzulauf 36 erzeugt worden ist. Die während der Wasserdampfaufnahme im Reaktionsgefäß 30 freigesetzte Kondensations- und Verdünnungswärme wird über den Wärmetauscher 31 einem Verbraucher zugeführt. Die verdünnte wässrige Lösung läuft dann über den durch die Ventile 23, 24 gebildeten Beipaß und die Ablaufleitung 29 in das Speichergefäß zurück. Wie beim Laden des Speichers, sind auch in diesem Falle zur Einhaltung des richtigen Drucks im Reaktionsgefäß 30 entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Speicherung von Niedertemperatur-Härme hat den großen Vorteil, daß dabei unter Ausnutzung bekannter und großtechnisch verfügbarer Speichermedien ein Wärme speicher für Niedertemperatur-Wärme benutzt werden kann, der eine hohe volumenspezifische Speicherkapazität aufweist, wie sie nur bei chemischen Speichern erreichbar ist, wobei in diesem Falle die niedrigen Kosten für die eigentliche Speichersubstanz eine wesentliche Rolle spielt. Durch derartige preiswerte Speicher wird aber auch die Wirtschaftlichkeit von Solaranlagen für Raumheizung und Brauchwassererwärmung wesentlich erhöht. Die hohe volumenspe zifi sche Speicherkapazität führt zu relativ kleinen Behälterabmessungen und damit auf entsprechend kleine Oberflächen mit verringerten Wärmeverlust

Claims

A n s p r ü c h e Ansprüche wf Verfahren zur Speicherung von Niedertemperatur-Wärme mit einem Speiehergefäß, Wärmetauschern zur Wärmeeinspeisung bzw. Wärme auskopplung, einem Kondensator für Wasserdampf bzw. einem Verdampfer für Wasser sowie einer Vorrichtung zum Abpumpen von Wasser aus dem Kondensator bzw. zur Zufuhr von Wasser in den Verdampfer, dadureh g e k e n n z e i c h n e t, daß die zu spei chernde Wärme, vorzugsweise Niedertemperatur-Wärme, über einen Wärmetauscher (3, 31) einer wässrigen Lösung einer Substanz mit verschwindendem Partialdruck in der Gleichgewichtsdampfphase zugeführt wird, daß das durch die Wärme zufuhr verdampfende Wasser in dem Kondensator (5, 33) kondensiert und aus dem System herausbefördert wird, wobei die in der wässrigen Lösung gelöste Substanz in dem Speichergefäß (1, 21) angereichert wird und daß zur Entnahme der gespeicherten Wärme aus dem Speichergefäß frisches Wasser unter Wärmeaufnahme aus der Umgebung in den Verdampfer (5, 33) verdampft und in Form von Wasserdampf dem Speichergefäß (1) zugeführt wird, und daß die in dem Speichergefäß (1) verbliebene Lösung unter Freisetzung der Kondensations und VerdUnnungswärne den Wasserdampf aufnimmt, wobei die freigesetzte Wärme mittels des Wärmetauschers (3, 31) dem Speichergefäß entzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch g e k e n n z e i c h -n e t, daß die Wärieeinkopplung bzw. Wärmeauskopplung mittels eines in das Speichergefäß (1) eingebauten Wärietauschers (3) folgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärueeinkopplung bzw. Wärmeauskopplung mittels eines Wärmetauschers (31) erfolgt, der in einen vom Speichergefäß (21) getrennten Behälter (30) eingebaut ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß beim Aufladen des Wärme speichers der Wasserdampfdruck über der wässrigen Lösung so hoch gehalten wird, daß die bei der Kondensation des Wasserdampfes anfallende Wärme ein noch nutzbares Temperaturniveau hat.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß bei der Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher die Verdampfung des zugeführten Wassers im Wasser verdampfer bei höherer als Umgebungstemperatur erfolgt.
6. Verfahren nach eines der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die mit Wasserdampf gefüllten Räume des Speichersystens mit einem Inertgas unter erhöhtem Druck beaufschlagt werden.