DE4431388C2 - Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Diese Vorrichtung kann wahlweise mit Hilfe verschie­ dener Wärmequellen aktiviert und im aktivierten Zustand zu be­ liebigen Zeiten ohne weitere Energiezufuhr genutzt werden. Bekannt sind Vorrichtungen, mit denen Räume oder transportable Gefäße, Fahrzeuge u. ä. mit Hilfe gekühlter oder erwärmter Luft auf für den Menschen oder Geräte geeignete Temperaturen gebracht werden. Neben der grundsätzlich geringen, für die nötige Luftbe­ wegung erforderlichen, meist elektrischen Energie entsteht ein hoher Energiebedarf für Heizung und Kühlung der Raumluft. Bei­ spiele für herkömmliche Aggregate zur Klimatisierung sind Ab­ sorptions- und Kompressionskältemaschinen, Wärmepumpen und Pel­ tierkühler/-heizer.

Es ist ebenfalls allgemein bekannt, daß bestimmte mikroporöse Festkörper wie Zeolithe, Aktivkohle u. a., bestimmte Stoffe unter Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärme­ energie desorbieren können, wodurch die Möglichkeit der Energie­ speicherung über größere Zeiträume gegeben ist. Sind diese Stof­ fe geeignete Kältemittel, kann mit Hilfe eines Kühlaggregates auch Wärme entzogen werden. Ähnliche Prozesse laufen auch bei der Absorption und der Chemisorption sowie physikalischen Zu­ standsänderungen (z. B. Eis-Wasser-Dampf) ab. Diese Möglichkeit der Energiespeicherung kann ebenfalls zur Klimatisierung von Räumen, Gefäßen usw. genutzt werden.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Veröffentlichungen zur Speicherung von thermischer Energie unter Verwendung von Zeolithen und anderen mikroporösen Festkörpern. So wird in DE 41 26 960 A1 ein Sorptionsapparat zum Kühlen und/ oder Heizen beschrieben, mit dessen Hilfe entweder Verdampfungs­ wärme aufgenommen oder Sorptionswärme abgegeben werden kann. In EP 0 091 095 A2 ist dieses Grundprinzip besonders anschaulich dargestellt. Allen bekannten Anordnungen ist gemeinsam, daß ent­ weder die beim Sorptionsprozeß entstehende Wärme und/oder die gleichzeitig entstehende Verdampfungswärme voneinander getrennt genutzt werden. Das ist aus energetischen Gründen auch sinnvoll, da somit beispielsweise die Verdampfungswärme des verwendeten fluiden Mediums der Umwelt entzogen werden und deshalb die aus­ nutzbare Energie bzw. Wärmemenge um den Betrag der Verdampfungs- bzw. Kondensationswärme größer sein kann.

In Firmenschriften (vgl. Fa. Zeo-Tech GmbH: Zeolith Kühl-Boiler) werden die Eigenschaften ausführlich dargestellt. Eine kurze wertende Übersicht zur Kälteanwendung findet sich in Wirt­ schaftsWoche Nr. 28/1994, S. 88. Darüber hinaus liegt umfangreiche wissenschaftliche Literatur vor, wie z. B. Passos u. a.: "Simula­ tion of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar Energy, 42 (2), 103 (1989).

Allen Systemen gemeinsam ist das Bemühen um eine möglichst opti­ mierte Wärmeaufnahme durch Vermeidung von Wärmeleitungs- und Strahlungsverlusten. Zur Kühlung vornehmlich durch die Verdamp­ fungswärme verschiedenster Stoffe sind Veröffentlichungen be­ kannt, die teilweise auch die Sorption dieser Stoffe, beispiels­ weise Ammoniak, Wasser oder verschiedene FCKW auch an mikroporö­ sen Festkörpern behandeln. Verschiedenste Konstruktionen mit ei­ ner Vielzahl von Wirkprinzipien sind schon bei Planck/Kupria­ noff: Die Kleinkältemaschine, Springer Verlag, Berlin, Göttin­ gen, Heidelberg, 1960 S. 256, 322, 505 ff. zu finden. Für einen speziellen Anwendungsfall ist mit DE 28 46 139 A1 ein "Verfahren mit Kühlsystem zur Körperkühlung und ein Wärmeschutz­ anzug dazu" bekannt. Wie auch bei DE-OS 14 35 981 wird die Kühl­ wirkung durch die Verdampfungswärme einer geeignet an einem Schutzanzug deponierten Flüssigkeit erreicht. Dabei kann sowohl eine Flüssigkeit als auch Luft den Abtransport der Körperwärme übernehmen.

Zum Stand der Technik gehört ebenfalls die in der Zeitschrift "Luft- und Kältetechnik" 1991/3, S. 127 bis 132 beschriebene An­ ordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, die es gestattet, unter Ausnutzung von Adsorptions- und Desorp­ tionsprozessen eines geeigneten Kältemittels an einem Speicher­ medium, ohne weitere Energiezufuhr die Klimatisierung eines Rau­ mes über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abga­ be von Wärmeenergie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird anhand des in Fig. 1 dargestellten Schemas näher erläutert.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur Raumklimatisierung aus einem abgeschlossenen Raum 5, der mit den Wärmetauschern 3; 7 in einem von einem Ventilator 2 betriebenen lufttechnischen System in Reihe betrieben wird. Wärmetauscher 3 ist mit einem Verdampfer 4, d. h. mit einer Kühlvorrichtung, verbunden und Wär­ metauscher 7 mit einem Wärmespeicher 6, der seinerseits ein Me­ dium zur Wärmespeicherung enthält. Die Komponenten 2 bis 7 be­ finden sich dazu in einem gemeinsamen Gehäuse 1. Als Medium zur Wärmespeicherung werden vorzugsweise mikroporöse Festkörper, insbesondere Zeolithe, eingesetzt, wobei jedoch auch andere bekannte, geeignete Medien verwendet werden können. Die vakuumdichte Verbindung zwischen Verdampfer 4 und Wärmespei­ cher 6 erfolgt über das von einer geeigneten elektronischen Vor­ richtung 8 gesteuerte Ventil 15. Temperaturmeßvorrichtungen und Luftmengenregulierung sind nicht dargestellt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Nutzung von zeitlich versetzt vorliegender Fahrzeugabwärme oder über­ schüssiger elektrischer Energie, wie sie beispielsweise bei der Bremsung von Fahrzeugen anfällt, vorgesehen. Zu diesem Zweck kann der Wärmespeicher 6 auf Temperaturen bis zu 350°C erwärmt werden, wobei auf an sich bekannte Weise das adsorbierte fluide Medium desorbiert wird und entweder bei geöffnetem Ventil 15 im Verdampfer 4 kondensiert oder durch Öffnung eines Ventils 9 im Kondensator 10 kondensiert und im Kondensatbehälter 11 gelagert wird. Nach Unterbrechung der externen Energiezufuhr ist die Vor­ richtung bei dann geschlossenen Ventilen 9 und 15 geladen und kann bis auf Umgebungstemperatur abkühlen.

Zu einem anschließenden beliebigen Zeitpunkt wird durch Öffnen des Ventils 15 der umgekehrte Vorgang eingeleitet.

Entsprechend der im Wärmespeicher 6 in der Zeiteinheit adsor­ bierten Stoffmenge, die dort ihre Kondensationswärme und die stoffspezifische Adsorptionswärme abgibt und an den entsprechen­ den Wärmeübertrager 7 weitergibt, wird im Verdampfer 4 die zur Kondensationswärme analoge Verdampfungswärme der vom Ventilator 2 auf den Wärmeübertrager 3 gerichteten Luft entzogen. Dieser Vorgang kann besonders vorteilhaft dadurch gesteuert werden, daß sich im Kondensatbehälter 11 befindliches Kondensat, beispiels­ weise Wasser, über das aus den Elementen Rückschlagventile 12; 13 und Einspritzpumpe 14 bestehende elektronisch angesteuerte Einspritzsystem in den Verdampfer 4 eingespritzt wird. Insbeson­ dere bei der wegen der besonders hohen Verdampfungswärme vorzu­ ziehenden Verwendung von Wasser wird auf diese Weise ein Ein­ frieren und damit erschwertes Verdampfen im Verdampfer 4 vermie­ den. Die durch Konvektion am Wärmetauscher 3 abgekühlte Luft dient zur Kühlung des abgeschlossenen Gefäßes 5. Die nach Pas­ sieren des Gefäßes 5 erwärmte Luft wird über den Wärmeübertra­ ger 7 geleitet und kühlt diesen soweit ab, daß eine möglichst große Adsorptionskapazität des Wärmespeichers 6 erreicht wird. Die Umkehrung des Luftstromes und entsprechend sinnvolle Steue­ rung der Elemente 8 bis 15 kann zur Erwärmung des Raumes 1 ge­ nutzt werden und dabei durch die Nutzung der Abluft des Gefä­ ßes 5 die temperaturabhängige Verdampfungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums im Verdampfer 4 erhöhen, was wiederum zur Erhö­ hung der Temperatur des Wärmespeichers 6 führt.

Die beschriebene Vorrichtung kann stationär, beispielsweise zur Klimatisierung von Fahrzeugen zu beliebigen Zeiten ohne wesent­ liche Energiezufuhr als lediglich die für die elektronische Steuerung und die Luftbewegung erforderliche Energie eingesetzt werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz für die Klimatisie­ rung, hier insbesondere die Kühlung transportabler Gefäße wie beispielsweise Schutzanzüge, bei der Medizintechnik und ähnli­ chem.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an ei­ nem Beispiel näher erläutert.

Zum Zwecke der Nutzung in Verbindung mit einem Schutzanzug ist hier die erfindungsgemäße Vorrichtung tragbar ausgebildet. Unter der Annahme, daß der Mensch unter körperlicher Belastung eine Eigenwärmeleistung von etwa 200 W aufweist und bei Verwendung von Wasser als fluidem Medium, ist es möglich, durch den Ver­ dampfer 4 der Luft diese Wärmemenge über beispielsweise etwa 3 Stunden zu entziehen, wenn in dieser Zeit etwa 1 Liter Wasser mit einer spezifischen Verdampfungswärme von 0,627 kWh/l ver­ dampft und im Wärmespeicher 6 adsorbiert wird. Dies wird dadurch ermöglicht, daß sich je nach den speziellen Parametern der ver­ wendeten Stoffe etwa 5 kg, beispielsweise Zeolith, im Wärmespei­ cher 6 befinden. Gleichzeitig werden in diesem Beispiel etwa 1 bis 1,5 kWh Wärmeenergie über den Wärmeübertrager 7 an die Ab­ luft abgegeben. Für die Kühlung der sich sonst unter Verringe­ rung ihrer Adsorptionskapazität auf Temperaturen weit über 100°C erwärmenden Zeolithe im Wärmespeicher 6 wird die im Ge­ fäß 5 auf in diesem Beispiel höchstens 30 bis 35°C erwärmte Luft verwendet. Sinngemäß ist die Umkehrung des Luftstromes zur Erwärmung des Gefäßes 5 geeignet und dessen Abluft dient nunmehr der schnelleren Verdampfung im Verdampfer 4, wenn sie Wärme im Wärmeübertrager 3 abgibt. Der dadurch höhere Dampfdruck ermög­ licht eine schnellere und besser steuerbare Erwärmung des das Gefäß 5 erwärmenden Luftstroms.

Eine optimierte technische Anordnung unter Verwendung dieses Prinzips kann mit einer Gesamtmasse von etwa 10 kg auskommen und ermöglicht einem damit ausgestatteten Menschen das Überleben in heißer und bei Kombination mit geeigneten Filtern auch kontami­ nierter Luft über einen längeren Zeitraum.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Ventilator

3

Wärmetauscher

4

Verdampfer

5

Gefäß

6

Wärmespeicher

7

Wärmetauscher

8

Elektronische Steuerung

9

Ventil

10

Kondensator

11

Kondensatbehälter

12

Rückschlagventil

13

Rückschlagventil

14

Einspritzpumpe

15

Ventil

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie in einem Gehäuse, das mit einem abgeschlossenen Gefäß verbunden ist, wel­ ches sich in Reihe mit einem Ventilator, einem als Kühlaggregat dienenden Verdampfer mit Wärmetauscher und einem als Adsorber oder Absorber dienenden Wärmespeicher mit Wärmetauscher befindet, wobei der Verdampfer und der Wärmetauscher vakuumdicht über ein Ventil miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (4) und der Wärmetauscher (6) neben dem Ventil (15) mit einem weiteren Ventil (9), einem Kondensator (10) und einem Kondensatbehälter (11) ausgestattet sind sowie die als Kon­ densateinspritzanlage fungierende Kombination zwei Rückschlagven­ tile (12; 13), eine elektronische Steuerung (8) und eine Ein­ spritzpumpe (14) umfaßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich im Wärmespeicher (6) befindende Medium zur Wärmespeicherung aus mikroporösen Festkörpern, insbesondere einem oder mehreren Zeolithen, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Gehäuse (1) verbundene Gefäß (5) ein zu klimatisie­ render ortsfester oder beweglicher Raum ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (5) ein Schutzanzug ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sensible Wärme des Verdampfers (7) und des Wärmespeichers (6) ebenfalls zur Klimatisierung herangezogen werden.