DE3130671A1

DE3130671A1 - "verfahren zur erhoehung der temperatur von gasfoermigen, inertem traegermedium beim abziehen von nutzwaerme aus einem mittels wassersorption arbeitenden speichermedium"

Info

Publication number: DE3130671A1
Application number: DE19813130671
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. 8000 München Sizmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-08-03
Filing date: 1981-08-03
Publication date: 1983-02-10
Also published as: IL66207A0; JPS5831257A; SE8204507L; IT1157293B; NL8203086A; ATA261082A; IT8222437A1; IT8222437A0; GB2107851A; BE894010A; CA1205002A; FR2510592A1; DE3130671C2; US4461339A; GB2107851B; ES514435A0; IL66207A; ES8307881A1; FR2510592B1; AT387451B

Description

03.August 1981

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Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigem, inertemTrägennedium "beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Y/assersorption arbeitenden Speichermedium

Die Erfindung betrifft den Gegenstand der Patentansprüche.

Es ist bereits bekannt, Energie aus der Umwelt in einem mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium zu akkumulieren und diese Energie bei Bedarf aus dem Speichermedium abzuziehen. Solche Energie aus der Umwelt kann insbesondere aus solarer Einstrahlung stammen, siehe hierzu den Aufsatz in Solar Energy, 2J (1979), S. 489-4-95, wo die Adsorptionswärme von Feuchtigkeit an Zeolith-Molekularsieben ausgenutzt wird. Als weitere Beispiele für Speichermedien seien Kieselgel und CaCl₂ oder auch Lithiumchlorid, Lithiumbromidlösung und Schwefelsäure genannt.

Diese Speichersysteme arbeiten nach den folgenden Gleichungen, wobei die festen Speichermedien hier als "Sorptionsmittel" bezeichnet werden und diese Sorptionen der folgenden allgemeinen Gleichung entsprechen:

AB + Wärme A + B Beispiele für einzelne Systeme.sind: 3H₂O(fest) ^_I_ LiCl(fest) + 3 H₂O(gas)

H₂SO₄TH₂OUlUSSi₅)' ;ς=_- H₂SO₄- (r-n)H₂0(flüssig) + . . · 21H₂O(gas)

Sorptionsmittel· H_,0(fest) ^Z_± Sorptionsmittel (fest) +

H₂O(gas)

Bei dem Abziehen von Nutzwärme aus einem solchen mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium wird das wasserfreie oder wasserärmere Speichermedium mit möglichst feuchter Luft beaufschlagt, durch die Absorption des in dieser Zuluft enthaltenen Wasserdampfgehaltes durch das Speichermedium

wird Wärme freigesetzt, die an das gasförmige, inerte Trägermedium abgegeben wird und dessen Temperatur erhöht. Dieses gasförmige, inerte Trägermedium, das sich dann auf einem höheren Temperaturniveau befindet, kann dann die in ihm enthaltene Nutzwärme in einem Wärmetauscher, beispielsweise an ein Heizungssystem, abgeben.

Der Vorteil solcher mittels Wassersorption arbeitender Speichermedien liegt darin, daß in ihnen die gespeicherte Energie beliebig lange aufbewahrt werden kann, vorausgesetzt, daß der Zutritt von Wasser zu dem Speichermedium verhindert wird. Dies ist jedoch ohne weiteres möglich, wenn das mit Energie beladene, d. h. weitgehend oder vollständig trockene Speichermedium gegenüber der Atmosphäre, d. h. dem Zutritt von feuchter Luft, oder gegenüber dem Zutritt von Wasserdampf in einem geschlossenen System abgeschlossen wird. Dies ist bei der üblichen Aufbewahrung des Speichermediums bei solchen Anlagen in Behältern ohne weiteres möglich. Bei Bedarf kann dann durch Zufuhr von feuchter Luft die Nutzwärme aus dem Speichermedium abgezogen werden, beispielsweise kann ein Speichermedium im Sommer oder im Fall der Verfügbarkeit von trockener Luft energetisch beladen werden und dieses trockene Speichermedium in abgeschlossenen Kolonnen bis zur kalten Jahreszeit im energiebeladenen Zustand aufbewahrt werden und dann in dieser kalten Jahreszeit Nutzwärme aus dem Speichermedium für Heizzwecke durch Einleiten von feuchtem Trägermedium abgezogen werden.

Es hat sich nun herausgestellt, daß beim Abziehen von Nutzwärme aus einem solchen energiebeladenen, d. h. trockenen, Speichermedium durch Zufuhr von feuchter Luft zur kalten Jahreszeit und insbesondere an kalten Wintertagen, an denen ein besonders hohes Temperaturniveau der abgezogenen Nutzwärme erforderlich ist, die Zufuhr von feuchter Zuluft zu dem beladenen Speichermedium kein wünschenwert hohes Temperaturniveau, ζ-. B. von 60 ⁰C ergibt, wie dies zum

Λ-

Betrieb einer üblichen Eadiatorheizung wünschenwert wäre. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei dem Abziehen von Nutzwärme aus dem beladenen Speichermedium normalerweise Umgebungsluft verwendet wird, die beispielsweise durch Abziehen von Luft aus dem Boden gewonnen werden kann. Ein solches Abziehen von Luft aus dem Boden ist insbesondere zur kalten Jahreszeit und an Prosttagen vorteilhaft oder sogar auch erforderlich, da sonst keine ausreichend feuchte Luft mit geeigneter Temperatur als Zuluft zur Verfugung steht. Versuche haben jedoch ergeben, daß man selbst an kalten Wintertagen durch Abziehen von Luft aus frostfreien Schichten eines, geeignet durchlässigen Bodens, der eventuell auch künstlich durch eine Eiesschüttung vorbereitet ist, Zuluft von im Durchschnitt 10 ⁰C und 80 bis 100 % relativer Feuchte erhalten kann.

Wenn solche Zuluft von 10 ⁰C und 100 % relativer leuchte zu trockenem, d. h. energiebeladenem Kieselgel als Speichermedium zugeführt wird, kann eine Temperatursteigerung um 30 K erreicht werden, d. h. die aus diesem Speichermedium abgezogene Nutzwärme liegt auf einem Temperaturniveau von etwa 40 ⁰C. Dies ist, wie bereits zuvor ausgeführt, jedoch an kalten Tagen, an denen besonders ein höheres Temperaturniveau erwünscht wäre, oder für andere Anwendungen wie Brauchwarmwasserbereitung, oft nicht aüreichend.

Gemäß einem eigenen älteren Vorschlag in der deutschen Patentanmeldung P 30 22 583.3 wurde vorgeschlagen, zur Erhöhung des Temperaturniveaus der liutzwärme eine Nachbefeuchtung durchzuführen, siehe die Arbeitsweisen gemäß JTig. 4 und 5 dieser älteren Patentanmeldung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die dort beschriebenen Arbeitsweisen der-Nachbefeuchtung noch weiter zu

verbessern und das Temperaturniveau der aus dem Speichermedium abgezogenen Nutzwärme noch weiter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren, wie es in den Patentansprüchen näher beschrieben ist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung sind:

Hg. 1 eine schematische Darstellung einer nicht unter die Erfindung fallenden Anlage zum Abziehen von Nutzwärme aus einem Speichermedium, wobei hier feuchte Umgebungsluft verwendet wird;

Pig. 2 eine schematische Darstellung einer Anlage, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem offenen System arbeitet und bei welchem eine Nachbefeuchtung der zugeführten Zuluft stattfindet;

Fig. 3. eine schematische Darstellung einer Anlage, welche ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, jedoch mit einem geschlossenen System arbeitet und bei welchem ebenfalls eine Nachbefeuchtung durchgeführt wird ·

In der Fig. 1 ist eine vorbekannte Verfahrensweise dargestellt, wobei sich in der Kolonne I im schraffierten Bereich bereits energieentladenes Speichermedium und oberhalb hiervon noch energiebeladenes, d. h. trockenes Speichermedium, im vorliegenden Fall in Form eines engporigen Kieselgels, befindet. Diesem Speichermedium I wird am Unterteil der Kolonne feuchte. Zuluft mit einer Temperatur T^= 10 ⁰C und einer relativen Feuchte ^= 100 fo zugeführt. Eine solche Zuluft kann als Umgebungsluft aus einer frostsicheren, luftdurchlässigen, gegebenenfalls mit Wasser berieselten Bodenschicht ohne weiteres gewonnen werden. Bei adiabatischer Führung des Verfahrens tritt aus dem Oberteil der mit dem Speichermedium I beladenen Kolonne trockene Luft aus, da die Feuchtigkeit der Zuluft in dem trockenen, engporigen Kieselgel vollscandig absorbiert wurde. Das Temperaturniveau der austretenden Luft ergab sich bei Messungen zu 39 ⁰C. Aus dieser Luft als gasförmigem, inertem Trägermedium, das sich auf 39 °C befindet, kann in

dem anschließenden Wärmetauscher A Nutzwärme Q₁J abgezogen werden, wobei die Temperatur der Luft beim Austritt aus dem Wärmetauscher A auf 30 ⁰C abgesunken ist. Nutzwärme Q^ mit einem Temperaturniveau von maximal 39 ⁰C kann dann für Heizzwecke oder zur Bereitung von Warmwasser verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie dies in der Pig. 2 dargestellt ist, wird diese aus dem Wärmetauscher A austretende, sich noch auf dieser höheren Temperatur befindliche Luft durch einen zweiten Wärmetauscher B geleitet, in welchem die Restwärme der Luft von 30 ⁰C an Wasser abgegeben wird. Dieses Wasser wird durch den Wärmetauscher B im Kreislauf geführt und kann eine Maximaltemperatur von 17 C erreichen. Dieses Wasser von höherer Temperatur wird zum Oberteil eines vor die Kolonne mit dem Speichermedium I vorgeschalteten Befeuchters geführt und dient zur Erhöhung der Temperatur der am Unterteil des Befeuchters zugeführten Zuluft und zu deren vollständigen oder weitgehend vollständigen Befeuchtung, d. h. zur Erreichung eines möglichst 100 % erreichenden Wertes der relativen Feuchte % . Das am Unterteil des Befeuchters austretende und abgekühlte Wasser wird dann wieder zu dem Unterteil des Wärmetauschers B geführt, in welchem es im Gegenstrom zu dem Trägermedium, d. h. im vorliegenden Falle Luft, strömen gelassen wird. Der Wasserkreislauf muß natürlich eine Wasserzufuhr besitzen, da in dem Befeuchter laufend Feuchtigkeit an die Zuluft abgegeben wird. Ein solche Wasserzufuhr ist über eine automatisch sich regelnde Einspeisung möglich.

Als Befeuchter wird vorteilhafterweise ein ßieselturm verwendet, es ist Jedoch auch möglich, als Befeuchter einen Turm

zu verwenden, in welchem das Wasser im Obex'teil über Düsen eingedüst wird.

Weiterhin ist es noch möglich, das im Kreislauf geführte Wasser über Reinigungsstufen zu führen, um in dem Befeuchter aus der zugeführten Zuluft störende, feste oder gasförmige Bestandteile zu entfernen, beispielsweise hierin vorliegendes SO« oder in der Zuluft vorhandene oder hiervon mitgerissene, feste Teilchen wie Staub, Ruß usw.. Dieser Wasserkreislauf kann daher als zusätzliche Reinigungsstufe für die zugeführte Zuluft dienen. In einem solchen Pail kann eine Aufbereitung des Wassers in diesem Kreislauf erforderlich werden. Beim Betrieb einer solchen Anlage unter den zuvor genannten Bedingungen, d. h. Verwendung von Zuluft mit T_u = 10 ⁰C und einer relativen Feuchte von % = 100 % ergab sich bei Versuchen, daß die Luft aus dem Befeuchter mit einer Temperatur T. = 17 ⁰C und einer relativen Feuchte von Xa- 100 % austritt. Wenn diese Luft mit T_± ■ 17 ⁰C und % _± = 100 % in eine Speicherkolonne I, welche mit trockenem, engporigem Kieselgel gefüllt ist, eingeführt wird, ergibt sich am Austritt der Kolonne für das Speichermedium I eine Temperatur T^ = 60 ⁰C, d. h. ein um 21 K höherliegendes Temperaturniveau der Nutzwärme. Die Temperatur T_Q der aus dem Wärmetauscher A austretenden Luft wurde auf 30 ⁰C gehalten, diese Luft von 30 ⁰C wurde dann in dem Wärmetauscher B zum Aufheizen des im Kreislauf geführten Wassers, das am Oberteil des Befeuchters zugeführt wurde, verwendet.

Ein weiterer, durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Vorteil ist, daß in dem hier beschriebenen Pail das Kieselgel bis zur maximalen Wasseraufnähme beladen werden konnte, während bei einer Verfahrensführung gemäß Fig. 1 eine Endbeladung des Kieselgels mit Wasser von nur etwa 51 % möglich

war, d. h. die in dem Kieselgel gespeicherte Energiemenge konnte nur zu 51 % abgezogen, werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere bei Verwendung von Kieselgel, bevorzugt von engporigem oder mittelporigem Kieselgel, als Speichermedium geeignet. Als Zeolith-Speichermedien können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl synthetische als auch natürliche Zeolithe und insbesondere die als Molekularsiebe bekannten Zeolithe eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als offenes System betrieben werden. In einem solchen Pail ist natürlich nur Luft als Trägermedium möglich.

Es gibt jedoch auch Situationen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren als geschlossenes System betrieben wird, insbesondere wenn die Luft sonst wegen zu großer Schadbestandteile aufbereitet werden müßte oder wegen ungünstigen Bodenverhältnissenein Ansaugen von feuchter Luft an kalten Tagen oder im Winter nicht oder nur unzureichend möglich ist. In einem solchen Pail wird die Temperatur der mit solchen Schadbestandteilen beladenen Luft oder die Temperatur des Bodens in einem weiteren Wärmetauscher C über einen Solekreislauf, siehe Pig. 3 j auf das Trägermedium des geschlossenen Systems übertragen und.dieses durch Wasserzufuhr von außen befeuchtet. Dieses Trägermedium muß dann nicht aus Luft bestehen, sondern es kann sich auch um ein Inertgas wie Stickstoff, Edelgase oder CO^ handeln.

Die erforderliche Wärmemenge zur Verdampfung des von außen dem Trägermedium zugeführten Wassers muß aus der Anergie der dem Wärmeaustauscher C zugeführten Luft oder der Anergie, welche aus dem Boden beispielsweise über den Solekreislaufsystem abgezogen wird, .zugeführt werden. In diesem Pail kann

Jedoch ebenfalls normalerweise nur eine Temperatur T des zugefüixrten Trägermediums von 10 ⁰C bei einer maximalen relativen Feuchte von ^_u von 100 % erreicht werden, so daß sich letztlich die gleichen Temperaturverhältnisse vor und nach dem Wärmetauscher A wie im Fall der Verfahrensweise gemäß Fig. 1 ergeben wurden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Einschaltung der zusätzlichen Befeuchtungsstufe, wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, lassen sich jedoch praktisch die gleichen Temperaturverhältnisse wie bei dem offenen System gemäß Fig. 2 erreichen. In dem in der Fig. 3 gezeigten Beispiel wurde die erforderliche Wärmemenge über einen Solekreislauf aus dem Boden zugeführt. In dem 1. Befeuchter wird dann dem Trägermedium Wasserdampf bis zur möglichst vollständigen Sättigung, d. h./^ = 100 # zugeführt, in dem 2* Befeuchter wird die Temperatur von T_u auf T^ erhöht und gleichzeitig durch die Wasserzufuhr der Sättigungsgrad auf einem Wert von ^i= 100 i> oder nur wenig darunter gehalten. Der 1. Befeuchter kann ebenso wie der 2. Befeuchter ein Rieselturm oder eine andere an sich bekannte Einrichtung sein.

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Claims

Dipl. Chem. Dr. Knud Lorenzen ; * *..; ' .""I . ."I *\ Patentanwalt "..**,.* "«.' ',.* *..* A- München 5 · Morassistraße 8/IV O3.August 1981 Telefon 2220OO (Vorwahl: O89) S-2-A Prof. Dr. R. Sizmann München Patentansprüche

1.!Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigem, ^-/ inertem Trägermedium beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, daß Restwärme des Trägermediums nach dem Abziehen der Nutzwärme zur Temperaturerhöhung von Wasser ausgenutzt wird, und daß dieses Wasser mit höherer Temperatur zur vollständigen oder weitgehend vollständigen Befeuchtung und Temperaturerhöhung des Trägermediums vor dessen Einleiten in das Speichermedium verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Trägermedium Luft verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium Kieselgel verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium Zeolith verwendet wird.

5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung des Trägermediums mit Wasser im Gegenstrom in einem Rieselturm durchgeführt wird.