DE2936873C2 - Verfahren zur thermischen Regeneration beladener Sorptionsmaterialien - Google Patents
Verfahren zur thermischen Regeneration beladener SorptionsmaterialienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Regeneration beladener Sorptionsmaterialien mit ei- so
nem in einem Kreislauf geführten gasförmigen Regenerationsmittel, das in der als Kondensator ausgebildeten
Primärseite eines ersten Wärmetauschers gekühlt in einem zweiten Wärmetauscher erhitzt und erhitzt einem
mit dem beladenen Sorptionsmaterial gefüllten Behälter zugeführt wird.
Verschiedene Sorptionsmaterialien, wie z. B. Aktivkohle, Aktivtonerde, Molukularsiebe u. a. werden zur
Gas- und Flüssigkeitsreinigung eingesetzt und erhalten dabei eine Beladung mit den aufgenommenen Verunreinigungen.
Diese beladenen Sorptionsmaterialien lassen sich thermisch regenerieren; dazu wird ein gasförmiges
Regenerationsmittel aufgeheizt und durch das Sorptionsmaterial geleitet, wobei als Regenerationsmittel oft
Wasserdampf oder Gase, die inert gegenüber den Sorp- es tionsmaterialien und ihren Verunreinigungen und somit
im Regelfall sauerstoffarm sind, verwendet werden. Das aus der Sorptionsmaterialschicht austretende Regenerationsmittel
enthält die ausgetriebenen Verunreinigungen dampfförmig. Durch Kühlung und Kondensation
können diese Stoffe, meist organische Stoffe, vom Regenerationsmittel getrennt werden. Bei Wasserdampf als
Regenerationsmittel werden die Stoffe bei der Kühlung zusammen mit dem Wasser kondensiert und danach das
Kondensat vom Wasser getrennt.
Energetisch betrachtet, wird durch das Aufhellen des
Regenerationsmittels Energie zur Desorption von der Größenordnung der Sorptionswärme eingebracht während
bei der Kühlung die Kondensationswärme frei wird, die zusammen mit der fühlbaren Wärme des Desorptionsmediums
über die Kühlmedien Luft oder Wasser an die Umgebung abgegeben wird. Besonders ungünstig
arbeitet dabei die Wasserdampf-Regeneration, da hierbei zusätzlich noch die große Kondensationswärme
des Wasserdampfes verloren geht
Nach der DE-OS 26 31 225 wird-zur energetischen
Verbesserung bei der Regeneration mit Wasserdampf vorgeschlagen, einen Teil der Kondensationswärme des
Regenerationsdampfes zur Erzeugung von frischem Regenerationsdampf zu verwenden. Trotz der erzielten
Verbesserung bleibt der Energieverbrauch hoch, wie aus den dort gegebenen Beispielen ersichtlich wird: Pro
kg der desorbierten und kondensierten Verunreinigungen werden immer «Toch 2ß kg bzw.~4,6 kg Wasserdampf
benötigt Dies ist zwar nur etwa V3 der üblicherweise
anzusetzenden Menge an Wasserdampf, jedoch geht dessen Kondensationswärme zusätzlich zur Kondensationswärme
der Verunreinigungen verloren.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Energieverbrauch bei der Regenerierung
von gebrauchten, beladenen Sorptionsmaterialien so zu senken, daß die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens gesteigert
wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung vorgeschlagen, daß das Regenerationsmittel im zweiten
Wärmetauscher, dessen Senkundärseite als Kondensator
einer Wärmepumpe mit eigenem Kältemittelkreislauf geschaltet ist, aufgeheizt, anschließend durch das
Sorptionsmaterial geführt, zusammen mit dem ausgetriebenen Desorbat im ersten Wärmetauscher, dessen
Sekundärseite als Verdampfer in den Kältemittelkreislauf dieser Wärmepumpe geschaltet ist gekühlt und
zum zweiten Wärmetauscher zurückgeführt wird. Da bei diesem Verfahren die im Kondensator, in dem das
Regenerationsmittel gekühlt wird, wobei das ausgetriebene Desorbat dem Sorptionsmaterial mindestens zum
Teil als Kondensat anfällt, anfallende fühlbare und latente Wärme in den geschlossenen Wärmekreisiauf der
Wärmepumpe übergeht und im zweiten Wärmetauscher verfügbar gemacht wird, zeigt sich die besondere
Wirtschaftlichkeit dieser Vorgehensweise.
Eine Weiterbildung ist dadurch gegeben, daß die Wärmepumpe eine Kompressionswärmepumpe ist, deren
Kompressor von einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird. Darüber hinaus wird vorgeschlagen,
daß wenigstens ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine als Regenerationsmittel verwendet wird.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß wenigstens ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine
als Schutzgas zum Verdrängen von Luft in das System Primärseite des ersten Wärmetauschers
Sorptionsmittelbehälter und Primärseite des zweiten Wärmetauschers einschl. deren Verbindungsleitungen
eingespeist wird. Durch die Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine zum Antrieb des Kompressors der
Kompressionswärmepumpe steht neben der mechani-
sehen Antriebsenergie auch ein Abgas zur Verfugung,
das hinreichend inert und sauerstoffarm ist um als Desorptionsmittel
Verwendung zu finden. Vorteilhaft ist es, das Abgas der Verbrennungskraftmaschine bereits
vor Einleitung der Desorption als Schutzgas zum Verdrängen
der Luft in das System einzuleiten. Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine ist wegen seiner Sauerstoffarmut
in sehr vielen Fällen allein schon als Regenerationsmittel geeignet Darüber hinaus ergibt sich bei
der Verwendung dieses Abgases als Schutzgas eine große
inhärente Sicherheit weil nun nämlich die Aufheizung zur Desorption notwendiger Weise verknüpft ist
mit der Schutzgaserzeugung und wegen der Wärmeträgheit des gesamten Systems, die Auffüllung des Systems
mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine so hinreichend schnell erfolgt daß eine merkbare Desorption
noch nicht eingetreten ist Eine bevorzugte Weiterbildung ist dadurch gegeben, daß der Wärmetransport
von dem ersten Wärmetauscher zu dem zweiten Wärmetauscher mitttels mindestens zweier in an
sich bekannter Kaskadenschaltung geschalteter Wärmepumpen mit eigenen Kältemittelkreisläufen erfolgt.
Dabei können auch größere Temperaturdifferenzen zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher
erreicht und beherrscht werden, wobei die Kältemittel der einzelnen, voneinander getrennten Kältemittelkreisläufe
den thermodynamischen Verhältnissen entsprechend angepaßt werden können.
Die Fig. 1 und 2 verdeutlichen den Gegenstand der Erfindung, ohne ihn auf die Darstellung zu beschränken.
F i g. 1 zeigt ein Verfahrensschema, gemäß der Erfindung.
Fig.2 zeigt ein entsprechendes Verfahrensschema mit zweistufiger Wärmepumpe.
Ein Behälter 1 enthält das Sorptionsmaterial 2. Das Regenerationsmittel tritt durch die Leitung 3 in einen
zweiten Wärmetauscher 4 ein, dessen Sekundärseite als Kondensator eines geschlossenen Kältemittelkreislaufes
einer Wärmepumpe ausgebildet ist; es wird dort aufgeheizt und über die Leitung 6 in den Behälter 1 mit
dem beladenen Sorptionsmaterial 2 geführt. Durch die Leitung 7 verläßt das Regenerationsmittel mit ausgetriebenen
dampfförmigen Verunreinigungen den Behälter 1 und gelangt durch diese Leitung 7 in einen ersten
Wärmetauscher 5, dessen Sekundärteil als Verdampfer in den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe geschaltet
ist. In diesem Wärmetauscher 5 werden Regenerationsmittel und Verunreinigungen gekühlt und zumindest
ein Teil der Verunreinigungen kondensiert. Das niedergeschlagene Kondensat verläßt durch eine Leitung
14 den ersten Wärmetauscher 5; die nicht kondensierten Stoffe strömen mit dem Regenerationsmittel
durch die Leitung 13 ab und können etwa mit dem Gebläse 15 zur Leitung 3 zurückgeführt werden. Der zweite
Wärmetauscher 4, dessen Sekundärseite als Kondensator ausgebildet ist, und der erste Wärmetauscher 5,
dessen Sekundärseite als Verdampfer ausgebildet ist, sind untereinander durch die Leitungen 10, f 1 und 12 zu
einem in sich geschlossenen Kältemittelkreislauf verbunden, in dem der Verdichter 8 angeordnet ist. Das eo
Kältemittel wird in dem Verdichter 8 komprimiert, verflüssigt sich im Kondensator des zweiten Wärmetauschers
4 und gibt über dessen Wärmetauscherfläche die bei seiner Verflüssigung anfallende Wärme an das Regenerationsmittel
ab; CJ fließt verflüssigt durch die Leitung
11 zum Entspannungsventil 9 und in den Verdampfer des ersten Wärmetauschers 5, wo es wieder verdamDft
wird und über die Wärmetauscherfläche des Wärmetauschers 5 die Wärme des Regenerationsmittels
sowie des kondensierten Teiles der ausgetriebenen Verunreinigungen aufnimmt. Aus dem starken Anstieg der
Dampfdrücke der Kältemittel mit der Temperatur ergeben sich allerdings Schwierigkeiten, wenn mit einer
Wärmepumpe große Temperaturdifferenzen zwischen Kondensator und Verdampfer des Kältemittelkreisiaufes
dieser Wärmepumpe erzeugt werden sollen.
In solchen Fällen hat sich die in F i g. 2 dargestellte, in
der Kältetechnik bewährte Kaskadenschaltung von — wie hier dargestellt — 2 (oder auch mehreren) Wärmepumpenkreisen
bewährt Der erste Wärmepumpenkreis übernimmt die fühlbare Wärme des Regenerationsmittels
und die Kondensationswärme des Desorbats im Wärmetauscher 5; das im Sekundärteil dieses Wärmetauschers
5 verdampfte Kältemittel dieses Wärmepumpenkreises wird über die Leitung 12.1 dem Kältemittelkompressor
8^1 und, durch die Kompression erwärmt
über die Leitung 10.1 weiter dem Wärmetauscher 16 zugeführt in dem es seine fühlbare Wf, >ne und bei seiner
Verflüssigung auch latente Wärme auf C^s Kältemittel
des zweiten Wärmepumpenkreises überträgt Verflüssigt fließt es über die Leitung 11.1 dem Entspannungsventil
9.1 zu; entspannt verdampft es, kühlt sich ab und strom: als kalter Dampf auf die Sekundärseite des
Wärmetauschers 5 zurück. Entsprechend verläuft der Wärmetransport im zweiten Wärmepumpenkreis: Der
vom ersten Wärmepumpenkreis im Wärmetauscher 16 übertragene Wärmestrom heizt dort das Kältemittel
des zweiten Wärmepumpenkreises auf, das verdampft über die Leitung 12.2 dem Kompressor 8.2 zuströmt,
dort verdichtet wird, über Leitung 10.2 dem Wärmetauscher 4 zuströmt in diesem seine fühlbare Wärme und
Kondensationswärme zumindest teilweise auf das Regenerationsmittel zur thermischen Regeneration des
beladenen Sorptionsmaterials überträgt Abgekühlt fließt es über die Leitung 11.2 dem Entspannungsventil
9.2 zu, in dem es entspannt wird. Entspannt wird es-.jem
Wärmetauscher 16 zugeleitet in dessen Sekundärseite es wiederum verdampft und den von der Primärseite
angebotenen Wärmestrom übernimmt.
Als Wärmepumpen eignen sich neben den beispielhaft dargestellten Kompressionswärmepumpe auch
Ab- oder Adsorptionswärmepumpen und Wärmerohre. Eine sehr gute Ausnutzung der Primärenergie ergibt
sich beim Betrieb einer Kompressionswärmepumpe mit Verbrennungskraftmaschinen-Antrieb, bei dem sich
darüber hinaus durch die Möglichkeit der Verwendung des Abgases der Verbrennungskraftmaschine Vorteile
ergeben, auf die oben bereits eingegangen worden ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur thermischen Regeneration beladener Sorptionsmaterialien mit einem im Kreislauf
geführten gasförmigen Regenerationsmittel, das in der als Kondensator ausgebildeten Primärseite eines
ersten Wärmetauschers gekühlt, in einem zweiten Wärmetauscher erhitzt und erhitzt einem mit dem
beladenen Sorptionsmaterial gefüllten Behälter wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Regenerationsmittel im zweiten Wärmetauscher (4), dessen Sekundärseite als Kondensator
einer Wärmepumpe mit eigenem Kältemittelkreislauf (IC, 4,11, 9,5,12, 8) geschaltet ist, aufge- is
heizt, anschließend durch das Sorptionsmaterial (2) geführt, zusammen mit dem ausgetriebenen Desorbat
in dem ersten Wärmetauscher, dessen Sekundärseite als Verdampfer in den Kältemittelkreislauf der
Wärmepumpe geschaltet ist, gekühlt und zum zweiten Wärmetauscher (4) zurückgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wärmepumpe eine Kompressionswärmepumpe ist, deren Kompressor (8) von einer
Verbrennungskraftmaschine angetrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des Abgases der
Verbrennungskraftmaschine als Regenerationsmittel verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine als Schutzgas zum Verdrängen
der Luft in das System Primärseite des ersten Wärmetauschers (5), Sorp onsmittelbehälter
(t) und Primärseite des zweiten Wärmetauschers (4) einschließlich deren Verbindungsrohrleitungen (3,
13) eingespeist wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetransport
von dem ersten Wärmetauscher (5) zu dem zweiten Wärmetauscher (4) mittels mindestens zweier an
sich bekannter Kaskadenschaltung geschalteter Wärmepumpen mit eigenen Kältemittelkreisläufen
erfolgt.
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