DE3030289A1

DE3030289A1 - Waermespeichersystem mit einem chemischen waermespeicher

Info

Publication number: DE3030289A1
Application number: DE19803030289
Authority: DE
Inventors: Günter Dr.rer.nat. Abersfelder; Rudolf 7032 Sindelfingen Andres; Peter Dr. 7774 Deggenhausertal Behrmann; Helmut Dipl.-Ing. 7032 Sindelfingen Grantz; Horst Dipl.-Ing. 7777 Überlingen Stürmer
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1980-08-09
Filing date: 1980-08-09
Publication date: 1982-04-22

Description

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Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 13
Stuttgart-ünt ertürkheim

Wärmespeichersystem mit einem chemischen Wärmespeicher

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem mit einem chemischen Wärmespeicher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1-, vie es beispielsweise aus der DE-OS 2 750 463 als bekannt hervorgeht.

Dort ist ein System von Hydridwärmespeichern zur Vorwärmung von Brennkraftmaschinen gezeigt. Zwar haben Hydridwärmespeicher - bezogen auf ihr Volumen - eine hohe spezifische Speicherkapazität, jedoch ist die gewichtsbezogene spezifische Speicherkapazität nur sehr gering, weil die
Speichermaterialien, nämlich Metalle sehr schwer sind.
Ein weiterer schwerwiegender Nachteil ist, dass zur Aufnahme des aus dem Hydridwärmespeicher freigesetzten Wasserstoffes ein weiterer Metallhydridspeicher notwendig ist, der das Speichergewicht des chemischen Wärmespeichersystems noch beträchtlich erhöht, überdies müssen die Behälter auf eine hohe Druckbelastung ausgelegt werden, sodass auch die Behälter relativ schwer sind. Weiterhin ist an den Hydridwärmespeichern nachteilig, dass bei kleinsten Undichtigkeiten Wasserstoff und/oder feines Metallpulver ins Freie treten können; beide sind sehr feuergefährlich - austretendes Metallpulver entflammt sich beim Austreten in die Atmosphäre aufgrund der grossen nichtpassivierten Oberfläche selbsttätig und entzündet damit auch den austretenden Wasserstoff.

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Zwar kann bei wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen, in denen der Wasserstoff in einem Metallhydridspeicher gespeichert wird, dieser solcher Art gebildete Wasserstofftank mit dazu herangezogen werden, den aus dem Hydridwärmespeicher freigesetzten Wasserstoff aufzunehmen, sodass insofern der Gewichtsvergleich für den Hydridwärmespeicher nicht ganz so ungünstig ausfällt. Diese Ausgangslage ist jedoch nur bei wasserstoffgetriebenen Fahrzeugen bzw. Brennkraftmaschinen gegeben; im übrigen bleibt als Nachteil die Feuergefährlichkeit der R ealct ionspar tner von Hydridwärme spei ehern.

Neben den Hydridwärmespeichern kennt man auch, insbesondere zur Vorwärmung von erkalteten Brennkraftmaschinen vor ihrem Start, Warmwasserspeicher, die während des Betriebes aus der Abgaswärme der Brennkraftmaschine aufladbar sind (DE-OS 1 576 700). Daneben wären anstelle des Warmwasserspeichers auch Latentwärmespeicher denkbar. Derartige Wärmespeicher sind jedoch wegen des dazu erforderlichen zusätzlichen Wasservolumens bzw. der zusätzlichen Masse an Speichermaterial eines Latentwärmespeichers nicht nur relativ schwer sondern auch voluminös. Der Platzbedarf wird ausserdem durch eine wirkungsvolle Wärmeisolation erhöht. Trotzdem sind Wärmeverluste unvermeidbar. Die mögliche Speicherzeit ist daher auf max. wenige Tage beschränkt.

Es ist auch bekannt, erkaltete Brennkraftmaschinen zur Erleichterung des Startens zuvor mittels eines Brenners anzuwärmen, der das Kühlwasser der Brennkraftmaschine erwärmt (vgl. DE-OS 2 037 434). Auch ist das Vorwärmen der Brennkraftmaschine bzw. des Kühlwassers mittels elektrischer Energie aus einem ortsgebundenen Netz bekannt. Nachteilig

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hieran ist, dass zum Vorwärmen Primär energie verbraucht •wird. Aus diesem Grunde ist eine solche Art der Vorwärmung einer Brennkraftmaschine nur dann vertretbar, wenn aufgrund extremer Kälte ein Vorwärmen der Brennkraftmaschine unerlässlich ist, um überhaupt bei vertretbarem Aufwand und Ver3chleiss ein Starten der Brennkraftmaschine zu ermöglichen.

Auch in den Fällen, in denen eine Brennkraftmaschine nicht so extrem stark abgekühlt ist, sodass sie an sich mit herkömmlichen Mitteln gestartet werden könnte, ist eine Vorwärmung der Brennkraftmaschine vor dem Starten zweckmässig; und zwar weniger als Starthilfe, sondern um den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission während der Warmlaufphase wenn nicht zu beseitigen, so doch wenigstens zu vermindern und die Warmlaufphase bis zur Erreichung der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine wesentlich abzukürzen. Bekanntlich ist vor allen Dingen zu Beginn der Warmlaufphase einer Brennkraftmaschine das Gemisch überfettet eingestellt und der Ausbrand, d.h. die Schadstoffemission besonders schlecht; aus3erdem wird relativ viel Kraftstoff während dieser Zeit verbraucht. Da bei dem Kurzstreckenverkehr innerhalb von Ballungsräumen der Warmlaufphase ein relativ grosser Streckenanteil zukommt, kann eine wirksame und energiesparende Vorwärmung der Brennkraftmaschine - volkswirtschaftlich gesehen - hier eine spürbare Energieeinsparung bringen. Es versteht sich, dass die Vorwärmung der Brennkraftmaschinen für diese Zwecke nicht mittels Primärenergie, sondern nur aufgrund einer Speicherung der Abwärme während des normalen Betriebes der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Der dazu erforderliche Speicher soll möglichst leicht und möglichst klein sein und die gespeicherte Wärme zeitlich unbegrenzt speichern

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können. Auch dem Gewicht eines Wärmespeichers kommt für den Fall einer kraftfahrzeugtechnischen Anwendung für Zwecke der Abkürzung oder Vermeidung einer Warmlaufphase aus Gründen der Reduzierung des Kraftstoffverbrauches und der Schadstoffemission eine entscheidende Bedeutung zu. Da ein Kraftfahrzeug, einen solchen Vorwärmspeicher ständig mit sich führen muss, muss auch der unvermeidliche Mehrverbrauch, der durch das ständige Mitführen des Speichergewichtes bedingt ist, kleiner sein als die durch das Vorwärmen der Brennkraftmaschine eingesparte Kraftstoffmenge.

Zwar können die chemischen Wärmespeicher ohne Wärmeisolation, d.h. bei relativ kleinem Volumen, die gespeicherte Wärme praktisch zeitlich unbegrenzt speichern; jedoch sind die eingangs erwähnten Hydridwärmespeieher - wie gesagt relativ schwer und in ihrer Anwendungsmöglichkeit beschränkt und ausserdem gefährlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Wärmespeiehersystem mit chemischem Wärmespeicher anzugeben, welches leichter und weniger gefährlich als Hydridwärmespeieher ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Die für die Solvatbildung oder die Adsorbatbildung geeigneten flüssigen bzw. pulverförmigen Stoffe sind wesentlich leichter als die Metalle von Metallhydridspeichern, sodass sich allein aufgrund der Speicherstoffe eine erhebliche Gewichtseinsparung ergibt. Ausserdem arbeiten die erfinduagsgemässen Speicher mit relativ kleinen Drücken, sodass leicht gebaute Behälter, Rohrleitungen und Armaturen verwendet werden können. Die für eine reversible Solvatbildung bzw. Adsorbatbildung ge-

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eigneten Wärmespeicher stoffe sind ausserdem feuerungefährlich.

Zweckmässigerweise kommt für den zweiten Reaktionspartner, der bei Speieherentladung in den chemischen Wärmespeicher eingeführt und bei Speicheraufladung aus ihm wieder abgeführt wird, Wasser oder ein Wassergemisch mit Alkohol infrage. Beispiele für den ersten Reaktionspartner, mit dem unter positiver Wärmetönung ein Adsorbat gebildet werden kann, wären Kieselgel, Zeolith oder Aktivkohle. Beispiele für stark wärmefreisetz@ade Solvatbildner wären Kaliumhydroxid isnd konzentrierte Schwefelsäure.

Die Freisetzung des zweiten Reaktionspartners aus dem Solvat bzw. aus dem Adsorbat erfolgt dadurch, dass dieser in die dampfförmige Phase überführt wird und sich dadurch von dem ersten Reaktionspartner trennt, der im Reaktionsbehälter des chemischen Wärmespeichers verbleibt. Im Fall der Solvatbildung mittels Säuren oder Laugen muss also die Verdampfungstemperatur des zweiten Reaktionspartners niedriger sein als die des ersten.

Eine weitere Gewichtseinsparung kann durch die Anwendung der Merkmale von Anspruch 11 erzielt werden. Aufgrund dieser Massnahmen, die unter anderem eine Verdampfung des zweiten Reaktionspartners im wesentlichen durch Druckabsenkung vorsehen, kann ein Zwischen-Wärmeträgerkreislauf mit den entsprechenden Wärmetauschern, Rohrleitungen und Flüssigkeitsvolumen eingespart werden; ausserdem braucht die Wärmequelle beim Aufladen des Wärmespeichers kein höheres Temperaturniveau zu haben als der Wärmeverbraucher - Wärmeverbraucher und Wärmequelle können also identisch sein. Dies ist vor allen Dingen im Hinblick auf eine zeitliche Wärmeschiftung zwischen zwei unterschiedlichen Zu-

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ständen eine3 Aggregates bzw. einer Anlage besonders wichtig. Ausser einer Gewichtsreduzierung ergibt sich auch eine ■wesentliche Vereinfachung des Wärmespei eher syst ems durch die genannten Massnahmen.

Weitere zweckmässige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den XJnteransprüchen bzw. der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles für ein Wärmespeichersystem mit chemischem Wärmespeicher gemäss der Erfindung.

Das Ausführungsbeispiel zeigt die Anwendung eines Wärmespeichersystems mit chemischem Wärmespeicher 11 für eine Brennkraftmaschine 1. Diese umfasst u.a. einen Zylinderkopf und einen Motorblock 3; ausserdem gehört zu ihr ein Abgassamme Ir ohr 4 sowie ein Kühlwärmetauscher 5· Über letzteren kann bei betriebswarmer Brennkraftmaschine deren Abwärme an die Umgebungsluft abgeführt werden. Die flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine weist einen Kühlwassermantel auf, von dem das erhitzte Kühlwasser mittels einer Kühlkreislaufpumpe 8 über eine Vorlaufleitung 55 dem Kühlwärmetauscher zugeleitet, darin abgekühlt und über eine Rücklaufleitung dem Wassermantel des Motorblocks wieder zugeführt werden kann.

Der chemische Wärmespeicher 11 besteht im wesentlichen aus einem zumindest für kleine über- und Unterdrücke druckfesten Reaktionsbehälter 12, in den der erste Reaktionspartner zum ständigen Verbleib darin eingebracht ist und der von den Wärmetauscherschlangen 22 eines noch zu besprechenden Wärmeträgerkreislaufes l4 durchzogen ist. Mit dem Wärmeträgerkreislauf kann Wärme beim Entladevorgang aus dem Wärmespeicher

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abgeführt oder beim Aufladevorgang in ihn eingebracht werden. Die Brennkraftmaschine ist je nach Zustand entweder Wärmequelle für das Aufladen des Wärmespeichers (betriebswarmer Zustand der Brennkraftmaschine) oder Wärmeverbraucher beim Entladen des Wärmespeichers (vorwärmen der Brennkraftmaschine vor dem Start). Aufgrund dieser Besonderheit des Wärmespeichersystems, bei dem der Wärmeverbraucher und die Wärmequelle identisch sind, ist nur ein einziger unverzweigter Wärmeträgerkreislauf vorgesehen, der zu der Brennkraftmaschine 1 führt. Die Wärmespeicherung dient hier der zeitlichen Wärmeschiftung zwischen Betriebszustand - Ladephase und Vorstartphase - Vorwärmung, Entladung.

Xn den Reaktionsbehälter des chemischen Wärmespeichers mündet eine Dosierleitung 17 ein, über die mittels einer vorzugsweise volumetrisch arbeitenden Dosierpumpe l8 wohldosiert Flüssigkeit zur Aktivierung des chemischen Wärmespeichers eingebracht werden kann. Der Antrieb der Dosierpumpe ist mit einer Temperatursteuerung 19 versehen, die in Abhängigkeit von der im Innern des Reaktionsbehälters herrschenden Temperatur aus beeinflusst wird und bei überschreiten einer justierbaren Temperatur die weitere Flüssigkeitszufuhr abstoppt. Um Überfüllungen des Reaktionsbehälters zu vermeiden, ist am Zulauf ein schwimmerbetätigtes Niveaubegrenzungsventil 20 angebracht, welches bei Erreichen des Füllstandes auf den max. zulässigen Wert - strichpunktierte Linie - den Zulauf verschliesst. Gleichzeitig kann mit dem Niveaubegrenzungsventil auch eine Stillegung der Dosierpumpe verbunden sein.

Durch die Zufuhr von Flüssigkeit, beispielsweise Wasser in den Reaktionsbehälter kommt es unter starker positiver Wärmetönung zu einer Adsorbatbildung mit dem im Innern

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des Reaktionsbehälters befindlichen ersten Reaktionspartners 13, der beispielsweise Kieselgel, Zeolith oder Aktivkohle sein kann. Wenn als erster Reaktionspartner eine Säure oder Lauge, beispielsweise Natriumhydroxid, Schwefelsäure oder dergleichen verwendet wird, kommt es unter starker Wärmeentwicklung zu einer Solvatbildung beim Zuführen von Wasser. Die entstehende Wärme wird über den Wärmekreislauf abgeführt und zum Vorwärmen der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Aus diesem Grunde ist im Wärmekreislauf l4, und zwar in der Vorlaufleitung 56 eine gesondert antreibbare Umwälzpumpe 15 angebracht, weil beim Vorwärmen die Brennkraftmaschine selber noch stillsteht. Zum Stillegen des Wärmeträgerkreislaufes ist darin ein elektromagnetisch betätigbares Absperrventil l6 angeordnet, welches beim dargestellten Ausführungsbeispiel in der Rücklaufleitung 58 des Wärmeträgerkreislaufes sitzt, in der beim Entladen des Wärmespeichers erwärmtes Wasser fliesst. Von der Rücklaufleitung des Wärmeträgerkreislaufes zweigt beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Leitung ab, die über ein Zuschaltventil 7 zu einem Heizwärmetauscher 6 führt, der ein Wärmeverbraucher für gespeicherte und freigesetzte Wärme darstellt. Über ihn kann beispielsweise bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug Wärme ins Innere des Fahrgastraumes zu dessen vorzeitiger Aufheizung und/ oder zur Scheibenentfröstung abgeführt werden.

Die Speichermaterialien des geschilderten chemischen Wärmespeichers sind relativ leicht und ungefährlich und arbeiten bei niedrigen Drücken, sodass der chemische Wärmespeicher insgesamt relativ leicht baut. Eine zusätzliche Gewichtsreduzierung kann dadurch erzielt werden, dass - wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel - die Kühlflüssigkeit

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der Brennkraftmaschine unmittelbar selber das flüssige
Medium des z-weiten Reaktionspartners des Wärmespeichers darstellt. Dadurch kann der Wärmeträgerkreislauf lA unmittelbar vom Kühlkreislauf 1, 55, 8, 5 der Brennkraftmaschine ahgezweigt werden. Das Wärmeträgermedium des
Wärmeträgerkreislaufes und die Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine sind daher identisch und ein Austausch der im Wärmeträgerkreislauf vom Speicher abgeführten Wärme
zu der Brennkraftmaschine erfolgt durch Mischen der entsprechenden Medien. Dadurch ist ein Wärmetauscher zwischen beiden Kreisläufen, oder gar ein Zwischenkreislauf zwischen diesen beiden Kreisläufen eingespart, was sich ebenfalls günstig auf das Gewicht des Wärmespeichersystems auswirkt. Die Vorlaufleitung 56 des Wärmeträgerkreislaufes 1Λ zweigt von der Vorlaufleitung 55 des Kühlkreislaufes der Brennkraftmaschine ab, und zwar noch vor der Kühlkreislaufpumpe 8 - Abzweigstelle 51· Die Rücklaufleitung 58 des Wärmeträgerkreislaufes ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel in den Kühlwassermantel des Zylinderkopfes 2 der
Brennkraftmaschine zurückgeleitet - Rückkehrstelle 53·
Der ganze Wärmeträgerkreislauf l4 und auch der Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine haben keinerlei direkte Verbindung mit dem Inneren des Reaktionsbehälters 12, sodass die dort gebildeten Adsorbate bzw. Solvate nicht ins Innere dieser Kreisläufe eindringen können. Als Flüssigkeit sowohl für den Kühlkreislauf als auch für den Wärmeträgerkreislauf ist Wasser besonders gut geeignet, dem aus
Gründen des FrostSchutzes Alkohol beigemischt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass die Zumischung von Methanol
als Alkohol die Wärmeausbeute des Speichers noch erhöht. Aufgrund der direkten Kopplung von Wärmeträgerkreislauf
und Kühlkreislauf ohne trennende Wäremeaustauschflächen
wird im übrigen auch da3 Gewicht für einen Flüssigkeits-

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speicher und ein entsprechendes Flüssigkeitsvolumen zur Ingangsetzung der Entladung des chemischen Wärmespeichers gespart. Diese Flüssigkeit wird nämlich beim dargestellten Au3fülirungsbeispiel dem Kühlkreislauf entzogen, was bei der Vorwärmphase und bei der Anwärmphase - nach dem Start ohne -weiteres zulässig ist. Dies ist sogar insofern günstig, als die aufzuheizende Masse geringer ist, als wenn ein gesondertes Wasserreservoir zur Aktivierung des chemischen Warmespeiehers vorhanden wäre.

Aufgrund der unmittelbaren Kopplung von Wärmeträgerkreislauf und Kühlkreislauf zweigt auch die bereits erwähnte Dosierleitung 17 unmittelbar vom Kühlwassermantel der Brennkraftmaschine ab - Abzweigstelle 52. Die Dosierleitung 17 ist neben der noch weiter unten zu erörternden Dampfabzugsleitunj; 3" die einzige Verbindung zwischen dem Kühlkreislauf und dem Inneren des Reaktionsbehälters. Aufgrund einer Sicherstellung, dass das im Inneren des Reaktionsbehälters gebildete Adsorbat bzw. Solvat nicht rückwärts durch die Dosierleitung fliessen kann, ist gewährleistet: ,dass kein Adsorbat oder Solvat in den Kühlkreislauf gelangt. Hierzu dient einmal die relativ hoch angeordnete Einmündungsstelle innerhalb des Reaktionsbehälters, die jtfiveaubegrenzung, die selbstsperrende Wirkung der volumetrisch arbeitenden Dosierpumpe sowie ein zweckmässiger Weise bei Stillstand der Dosierpumpe selbsttätig schliessendes Absperrventil 21, welches in der Dosierleitung angeordnet ist. Dieses Absperrventil dient nicht nur einer Verhinderung des Abströmens von Solvat bzw. Adsorbat aus dem Reaktionsbehälter, sondern soll auch bei thermisch aufgeladenem Zustand des chemischen Wärmespeichers ein unzeitiges und/ oder schleichendes Entladen des Wärmespeichers aufgrund von Feuchtigkeitszutritt durch die Dosierleitung verhindern.

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Nach Erreichen einer bestimmt an Vorwärmtemperatür der Brennkraftmaschine kann diese gestartet werden. Die Vorwärmtemperatur wird z-weckmä3Siger Weise so gewählt, dass eine Gemischanreicherung nicht mehr erforderlich ist, sodass vermehrter Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoss vermieden werden. In aller Regel wird jedoch die Vorwärmtemperatur niedriger sein als die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine; man wird eine unnötig grosse Auslegung des Wärmespeichers vermeiden.

Um bei noch nicht vollständig thermisch entladenem Wärmespeicher die noch in ihm gespeicherte Restwärme mit zur möglichst raschen vollständigen Aufreizung der Brennkraftmaschine bis zur Betriebstemperatur nach dem Motorstart ausnützen zu können und um Stromenergie zum Antrieb der Umwälzpumpe 15 zu ersparen, ist eine Verbindungsleitung zwischen den beiden Vorlauf leitungen 55 und 56 des Kühlkreislaufes bzw. des Wärmeträgerkreislaufes vorgesehen, welche Terbindungsleitung 57 jeweils in Strömungsrichtung hinter den Pumpen 8 bzw. 15 in die entsprechenden Vorlaufleitungen einmündet. Durch dieae Anordnung kann der Wärmeträgerkreislauf nach dem Motorstart auch durch die Kühlkreislaufpumpe 8 in Umlauf gehalten werden.

Zum thermischen Wiederaufladen des chemischen WarmeSpeichers muss aufgrund von Wärmezufuhr das Adsorbat bzw. das Solvat wieder in die beiden Reaktionspartner zerlegt und diese von einander weggeführt werden. Dazu wird die als zweiter Reaktionspartner verwendete Flüssigkeit aus dem Solvat bzw. Adsorbat verdampft, in dieser Form aus dem Reaktionsbehälter abgezogen und zu Flüssigkeit wieder kondensiert. Da die Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine in betriebswarmem Zustand nur eine begrenzte Temperatur annehmen darf - es wird bewusst dafür Sorge getragen, dass es nicht zu

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einem Sieden der Kühlflüssigkeit kommt -, 'iaim mittels der heiasen Kühlflüssigkeit bzw. Wärmeträgerflüssigkeit aliairie das Solvat bzw. Adsorbat nicht zum Sieden gebracht werden. Die Erfindung sieht deswegen zusätzlich zu der Erhitzung des Solvates bzw. Adsorbates in der Aufladephase des chemischen Wärmespeichers durch den "tfärmeträgerkreislauf auch noch eine Druckabsenkung des Reaktionsbehälters vor. Zu diesem Zweck ist an einer geodätisch möglichst hoch liegenden Stelle am Reaktionsbehälter eine Dampfabzug3leitung 32 sowie eine Dampfabzugspumpe 33 vorgesehen, die ein Teilvakuum in dem Reaktionsbehälter trotz eines stark ausdampfendem Adsorbates bzw. Solvates aufrecht erhalten kann. Die Dampfabzugsleitung ist in den Wassermantel der Brennkraftmaschine zurückgeleitet - Rückkehrsteile 54. Innerhalb des Wassermantels der Brennkraftmaschine ist in der Dampfabzugsleitung noch eine Kondensationsstrecke 44 vorgesehen, die aussenseitig von Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird. Die Kondensationswärme wird daher ebenfalls der Kühlflüssigkeit zugeführt. Sollte der Ladevorgang des Speichers bereits vor Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine beginnen, so kann durch die Rückspeisung der Kondensationswärme in die Kühlflüssigkeit ein möglichst rasches Erreichen der Betriebstemperatur damit bewirkt werden. Um hinter der Dampfabzugspumpe einen gewissen Gegendruck aufzustauen und um den Durchfluss des Dampfes durch die Kondensationsstrecke auf zweckmässige Geschwindigkeiten zu beschränken, ist · am Ende der Dampfabzugsleitung eine Rückstaudrossel 45 vorgesehen. Anstelle einer Einspeisung der Kondensationswärme in den Wassermantel der Brennkraftmaschine kann auch - eventuell aufgrund einer Umschaltung - die Einspeisung in den Kühlwärmetauscher 5 erfolgen, von wo diese Wärme an die Umgebung abgeleitet wird.

Der erste Reaktionspartner 13 soll vollständig im Reaktionsbehälter verbleiben; es sollen auch keine Spritzer des flüssigen Solvates bzw. Adsorbates bei

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der thermischen Aufladung des chemischen Wäraiespeichers in den Kühlkreislauf gelangen. Aus diesem Grunde ist an der Anschlußstelle der Dampfabzugsleitung 32 an das Innere des Reaktionsbehälters ein Filter 4l vorgesehen. Dieser soll Spritzer des Solvates bzw. Adsorbates und auch staubähnliche Partikel, des völlig getrockneten pulverförmig en ersten Reaktionspartners - im F^alle der Verwendung von Adsorbatbildnern - zurückhalten. Um bei einer - evtl. auch nur vorübergehenden - nachlassenden Saugwirkung der Dampfabzugspumpe den Unterdruck im Reaktionsbehälter nicht zusammenbrechen zu lassen, ist in der Dampfabzugsleitung, und zwar in Strömungsrichtung vorzugsweise hinter der Dampfabzugspumpe ein Rückschlagventil ^3 angebracht, welches in Richtun,? auf den Reaktionsbehälter hin selbsttätig sperrt.Bei einer Federvorspannung dieses Rückschlagventiles kann dieses zum anderen auch die Funktion der Rückstaudrossel übernehmen. Vor allen Dingen ist bei einer Vorspannung des Ventilverschlusskörpers des Rückschlagventiles sichergestellt, dass bei vollständig aufgeladenem chemischen Wärmespeicher nicht etwa Feuchtigkeit von dem erhitzten Kühlkreislauf unbeabsichtigt rückwärts durch die Dampfabzugsleitung und den Filter in das Innere des Reaktionsbehälters gelangen kann und zu einer vorzeitigen unbeabsichtigten Teilentladung des chemischen tfärsnespeichers führt. Eine wirksame Absperrung der Dampfabzugsleitung verhindert also eine ungewollte Selbstentladung des chemischen Wärmespeichers.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist für den Antrieb der Dampfabzugspumpe eine vom Abgas der Brennkraftmaschine beaufschlagbare Turbine 34 vorgesehen, deren entspannte Gase von der Auspuffleitung 37 abgeführt werden. Da die D^mpfabzugspumpe zweckmässigerweise starr mit der Abgas-

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turbine gekoppelt ist, jedoch nicht ständig angetrieben zu -werden braucht, sondern nur in der Aufladephase, ist zur Steuerung des Antriebes der D^mpfabzugspumpe eine an der Abgasturbine vorbeiführende Umgehungsleitung 35 3owie eine Umschaltklappe 36 vorgesehen. Dank des abgasseitigen Antriebes der Dampfabzugspumpe -wird zum Aufbau des Unterdruckes im Innern des Reaktionsbehälters während der Aufladephase die Abgasenergie der Brennkraftmaschine ausgenützt. Um in Zeitintervallen während der Aufladephase des chemischen Wärmespeichers, in denen die Brennkraftmaschine nur mit sehr geringer Leistung oder gar im Leerlauf läuft, den Unterdruck im Reaktionsbehälter nicht zusammenzubrechen zu lassen, ist parallel zu der abgasseitig angetriebenen Dampfabzugspumpe 33 in einer Parallelleitung k2 eine elektromotorisch antreibbare HilfsDampf abzugspumpe 39 vorgesehen mit einem Elektromotor als Antrieb. Diese zusätzliche Dampfabzugspumpe kann ■während der Aufladephase ständig mitlaufen, sie kann jedoch auch druckabhängig oder in Abhängigkeit von der Drehzahl der Haupt-Dampfabzugspumpe zugeschaltet werden. Um nicht unnötigerweise einen Unterdruck im Reaktionsbehälter ständig, d.h. auch nach Beendigung der Aufladephase aufrecht zu erhalten, ist eine Temperatursteuerung 38 für den Antrieb der Dampfabzugspumpen vorgesehen. Hierzu wird die Temperatur im Wärmeträgerkreislauf in der Vorlaufleitung 56 und in der Rücklaufleitung 58 gemessen. Auch während der thermischen Aufladung des chemischen Wärmespeichers wird der Wärme.trägerkreislauf - und zwar durch die Kühlflüssigkeit spumpe 8 - umgewälzt, wobei Wärme an das Solvat bzw. Adsorbat abgegeben wird. Solange die Zulauftemperatur grosser ist als die Ablauftemperatur, wird während der Aufladung dem Warmeträgerkreislauf Wärme entzogen und die Flüssigkeit ist aus dem Solvat bzw. Adsorbat

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noch nicht vollständig verdampft. Er3t -wenn die Ablauftemperatur gleich gross ist -wie die Zulauft emp era tür, ist dies ein Zeichen, dass dem Wärmeträgerkreislauf keine Wärme mehr im chemischen Wärmespeicher entzogen wird und dass sämtliche Flüssigkeit verdampft ist. Die Temperaturgleichheit im Vor- und Rücklauf indiziert also die Beendigung des Ladevorganges; die Dampfabzugspumpen können nun stillgelegt- werden.

Um die Aufladephase zu beschleunigen, kann das Temperaturniveau im Kühlkreislauf und im Wärmeträgerkreislauf vorübergehend angehoben werden. Hierzu sind in der Vorlaufleitung 55 des Kühlkreislaufes strömungsmässig parallel nebeneinanderliegend zwei auf unterschiedlich hohes Temperaturniveau eingestellt Thermostatventile 9 und lO vorgesehen, die in zwei parallel nebeneinander verlaufenden Kanalabschnitten 59a bzw. 59b angeordnet sind. Die der Temperatur des umgebenden Mediums ausgesetzen Thermostatventile öffnen erst oberhalb einer bestimmten Temperatur und geben einen Durchfluss frei. Das Thermostatventil 9 ist das niedriger eingestellte Ventil, beispielsweise 8o° C und das Thermostatventil 10 sei beispielsweise auf 100 C eingestellt. In dem Kanalabschnitt 59a des niedriger eingestellten Thermostatventiles 9 ist zusätzlich noch ein f embetätigbares Absperrventil 6o angeordnet, welches die Wirkung dieses Thermostatventiles ausschalten kann. Damit ist ausschliesslich noch das höher eingestellte Thermostatventil 10 wirksam. Durch Schliessen des Absperrventiles 6o kann also das Temperaturniveau im Kühl- und Wärmeträgerkreislauf auf das Temperaturniveau des höher eingestellten Thermostatventiles angehoben werden. Zweckmässigerweise wird das Absperrventil 60 ebenfalls in die Temperatursteuerung für die Dampfabzugspumpen einbezogen, derart, dass

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es -während der Aufladung des chemischen Wärme Speichers geschlossen und nach Beendigung des Ladevorganges wieder geöffnet wird.

Zur Abkürzung des Aufladevorganges isb auch noch die Ausnützung der im Abgas der Brennkraftmaschine enthaltenen Wärme vorgesehen. Hierzu ist ein Wärmerohrsystem 6l installiert, -welches mit seiner Wärmeaufnahmesexte 62 ins Innere des Abgassammeirohres hineinragt und mit seiner Wärmeabgabeseite'63 in wärmeleitender Verbindung mit der Wandung oder dem Inneren des Reaktionsbehälters 12 steht. Da die Abgaswärme bei einem höheren Temperaturniveau an-

fällt als die in der Kühlflüssigkeit enthaltene Abwärme der Brennkraftmaschine, ist bei Ausnutzung der Abgaswärme ein höheres Temperaturgefälle und somit eine schnellere Verdampfung möglich. Dies ist bei Kurzstreckenverkehr besonders wichtig.

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 13 21k/k Stuttgart -Untertürkheim 5. August 198O

Ansprüche

Wärmespeichersystem mit einer Wärmequelle, einem Wärmeverbraucher und einem thermisch an den Wärmeverbraucher bzw. die Wärmequelle über eine zwangskonvektiv in einem Wärmeträgerkreislauf umwälzbare Wärmeträgerflüssigkeit und über Wärmeaustauschflächen ankoppelbaren chemischen Wärmespeicher sowie mit Mitteln zum Ingangsetzen des Speicher- bzw. Entladevorganges, welcher chemische Wärmespeicher einen gasdichten druckfesten Reaktionsbehälter umfasst, der wenigstens einen ersten Reaktionspartner des chemischen Wärmespeichers ständig aufnimmt und in den wenigsten ein zweiter Reaktionspartner beim Entladevorgang einführbar bzw. - beim Speichervorgang aus ihm abführbar ist, dadurch gekennzeichnet , dass von den Reaktionspartnern bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck einer flüssig ist und der andere in einer beliebig mit dem einen mischbaren Form vorliegt und dass für beide Reaktionspartner solche Stoffe ausgewählt sind, die nach dem Mischen unter Freisetzung von Wärme ein Sölvat oder Adsorbat bilden, welches bei - gegenüber der Solvat- bzw. Absorbatbildung - erhöhter Temperatur und/oder abgesenktem Druck reversibel in die einzelnen Stoffe trennbar ist.

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2. Wärmespexchersystem nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Reaktionspartner der flüssige ist.
3. Wärmespei eher syst em nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Reaktionspartner Wasser oder ein Wassergemisch ist.
4. Wärmespeichersystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , dass das Wassergemisch einen Alkohol, vorzugsweise Methanol enthält.
5. Wärmespei eher syst em nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungstemperatur des zweiten Reaktionspartners niedriger ist, als die des anderen Reaktionspartners.

6. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reaktionspartner Kieselgel ist.

7- Wärmespeiehersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , dass der erste Reaktionspartner Zeolith ist.

8. Wärmespeiehersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Reaktionspartner Aktivkohle ist.

9- Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dass

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der erste Reaktionspartner ein Alkalihydroxid, vorzugsweise Kaliumhydroxid ist.

10. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , dass der erste Reaktionspartner konzentrierte Schwefelsäure ist.

11. Wärmespeiehersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , dass als erster Reaktionspartner ein mit der Wärmeträgerflüssigkeit und den am Wärmeträgerkreislauf (l4) beteiligten Materialien verträglicher Stoff vorgesehen ist, dass der zweite Reaktionspartner die Wärmeträgerflüssigkeit der Wärmequelle bzw. des Wärmeverbrauchers (l) ist, dass eine absperrbare Dosierleitung (17) von dem Wärmeträgerkreislauf {l4t) in das Innere des Reaktionsbehälters (12) mündet, dass eine absperrbare Dampfabzugsleitung (32) an einer geodätisch möglichst hoch liegenden Stelle vom Innern des Reaktionsbehälters (12) ausgeht und in den Wärmeträgerkreislauf (lk) zurückführt, wobei in der Dampfabzugsleitung (32) eine einen Unterdruck im Reaktionsbehälter (12) gegenüber dem Wärmeträgerkreislauf (Ik) aufbauende Dampfabzugsptmpe (33) enthalten ist.

12. Wärmespeichersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass ein Überdruck-Sicherheitsglied (3l) am Reaktionsbehälter (12) angeordnet ist.

13· Wärmespeichersystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in

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der Dosierleittmg (17) eine vorzugsweise voltunetrisch arbeitende Dosierpumpe (l8) ajigeordnet ist.

14. Wärmespei eher syst em nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass eine auf den Antrieb der Dosierpumpe (l8) einwirkende Temperatursteuerung (19) vorgesehen ist, die die Dosierung nach Maßgabe der Temperatürerhöhung der Warmeträgerflässigkeit im chemischen Wärmespeicher (11) bei der thermischen Speicherentladung beeinflusst.

15. Wärmespeicher sys tem nach Anspruch 13 oder l4, dadurch gekennzeichnet, dass am Reaktionsbehälter (l2) eine auf den Flüssigkeitszulauf und/oder auf den Antrieb der Dosierpumpe (l8) einwirkende Niveauüberwachung (20) für eine maximale Füllung vorgesehen ist.

16. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Dosierleitung (17) zusätzlich zu der Dosierpumpe (l8) ein Absperrventil (2l) vorgesehen ist.

17. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatursteuerung (38) für den Antrieb der Dampfabzugspumpe (33i 39) vorgesehen ist, derart, dass die Dampfabzugspumpe (33t 39) bei kleiner oder verschwindender Abkühlung der Wärmeträgerflüssigkeit bei der Aufheizung des chemischen Wärmespeichers (ll) während des thermischen Ladevorganges abschaltbar ist.

18. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 17,

ORIGINAL INSPECTED

It · Λ *

ί * η ♦

4 · HO

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dadurch ge kennzeichnet, dass an der Anschlußstelle der Dampfabzugsleitung (32) an das Innere des Reaktionsbehälters (12) ein Filter (4l) vorgesehen ist.

19. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 11 bis l8, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der Dampfabzugspumpe (33> 39) in der Dampfabzugsleitung (32) ein Rückschlagventil (43) angeordnet ist.

20. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 19t dadurch gekennzeichnet, dass

in Strömungsrichtung hinter der Dampfabzugspumpe (33i 39) in der Dampfabzugsleitung (32) eine Kondeneationestrecke vorgesehen ist.

21. Wärmespeichersystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , dass die Kondensationsstrecke (44) aussenseitig von Wärmeträgerflüssigkeit der Wärmequelle (Brennkraftmaschine l) beaufschlagbar ist.

22. Wärmespeiehersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung hinter der DQ-mpf ab zugspumpe (33* 39) in der Dampfabzugsleitung (32), vorzugsweise an deren Ende, eine Rückstaudrossel (45) angeordnet ist.

23. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche Il bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmeträgerkreislauf (l4) ein Absperrventil (l6) angeordnet ist.

oder von Kühlflüssigkeit im Kühlwärmetauscher (5)

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24. Wärme Sp β ich. er sys tem nach, einem der Ansprüche Il bis für Maschinen oder Kraftfahrzeuge, die von einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine antreibbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlflüssigkeitskreislauf (l, 8, 55, 5) der Brennkraftmaschine (l) mit der gleichen Flüssigkeit wie der Wärmeträgerkreislauf (14) betrieben wird, dass der Wärmeträgerkreislauf (l4) vom Kühlflüssigkeitskreislauf (l, β, 55, 5) abzweigt und in ihn wieder zurückgeführt ist, dass auch die Dosierleitung (17) vom Kühlflüssigkeitskreislauf (l, 8, 55, 5) abzweigt und dass die Dampfabzugsleitung (32) in den Kühlflüssigkeitskreislauf (l, 8, 55t 5) zurückgeführt ist.

25. Wärme spei eher sys tem nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , dass der Abzweigpunkt (5i) des Wärmeträgerkreislaufes (i4) vom Kühlflüssig-

. keitskreislauf (l, 8, 55, 5) an der Vorlaufleitung (55) zwischen Brennkraftmaschine (l) und Kühlwärmetauscher (5) in Strömungsrichtung vor der in der Vorlaufleitung (55) angeordneten Umwälzpumpe (8) des Kühlflüssigkeitskreislauf es (l,8, 55, 5) angeordnet ist.

■5)

26. Wärmespeichersystem nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , dass innerhalb des Wärmeträgerkreislaufes (l4) in der Vorlaufleitung (56) zwischen Brennkraftmaschine (l) und chemischem Wärmespeicher (H) eine Umwälzpumpe (15) angeordnet ist.

27· Wärmespei eher syst em nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet , dass die beiden Vorlaufleitungen (56» 55) des Wärmeträger- (l4) und des Kühlflüssigkeitskreislaufes (l, 8, 55, 5) jeweils in

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Stromuagsri.ch.tung hinter den Umwälzpumpen (8, 15) durch eine Verbindungsleitung (57) verbunden sind.

28. Wärmespeicher syst em nach einem der Ansprüche 2k bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der zum Wärmeträgerkreislauf (ik) gehörigen Rücklaufleitung (58) zwischen chemischem Wärmespeicher (ll) und Brennkraftmaschined) ein wahlweise zuschaltbarer luftbeaufschlagbarer Wärmetauscher (6) als weiterer Wärmeverbraucher vorgesehen ist.

29. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 2k bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass in der zum Kühlkreislauf (l, 8, 55» 5) gehörigen Vorlaufleitung (55) in Strömungsrichtung hinter der Umwälzpumpe (8) parallel nebeneinander zwei auf unterschiedliche Temperaturniveaus eingestellte Thermostatventile (9i 10) angeordnet sind und dass in dem zum niedriger eingestellten Thermostatventil (9) gehörigen Kanalabschnitt (59a) zusätzlich ein ftrabetätigbares Absperrventil (60) vorgesehen ist.

30. Wärmespeichersystem nach einem der Ansprüche 2k bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Dampfabzugspumpe (33) von einer durch den Abgasstrom der Brennkraftmaschine (l) beaufschlagbaren Turbine(34) antreibbar ist.

31. Wärmespeiehersystem nach Anspruch 3O₁ dadurch gekennzeichnet , dass parallel zu der abgasseitig getriebenen Dampfabzugspumpe (33) noch eine weitere elektromotorisch {kO) antreibbare Dampfabzugspumpe (39) vorgesehen ist.

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32. Wärmespeiehersystem nach einem der Ansprüche 2% bis 31j dadurch gekennzeichnet, dass dem chemischen Wärmespeicher (ll) und/oder der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine (l) Wärme aus dem Abgas (Abgassammelrohr 4) der Brennkraftmaschine (l) insbesondere mittels sogenannter Wärmerohre (6l) zuführbar ist.