DE69024660T2 - Kontinuierliche stufung der konstanten druckwerte in feststoff-dampfgemisch-reaktoren - Google Patents
Kontinuierliche stufung der konstanten druckwerte in feststoff-dampfgemisch-reaktorenInfo
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Description
- Die Verwendung von Verbindungen aus der Reihe von Festkörper/Dampf-Verbindungen, die durch Adsorption von Gasmolekülen an einem Festkörper-Adsorbens gebildet werden als Arbeitsmedien für Wärmepumpen ist im Stand der Technik bekannt. Wärmepumpensysteme, die solche Materialien verwenden, haben eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Wärmepumpen für die Klimatisierung von Wohn- und Arbeitsräumen, industriellen Wärmepumpen und Kühlanlagen. Diese Vorteile umfassen einen höheren Temperaturanhub, der durch das Festkörper/Dampf-Medium erzeugt wird im Vergleich zu anderen Sorptionsmedien, so daß die Notwendigkeit von Kühltürmen oder Anhebe-Stufentrennung beseitigt wird. Weiterhin benötigen Vorrichtungen, die für Wärmepumpen mit Festkörper/Dampf-Verbindungen arbeiten - falls überhaupt - wenige bewegliche Teile, was zu einer einfachen und zuverlässigen Geräteauslegung führt. Zusätzlich verwenden solche Systeme nicht die in Verruf geratenen FCKWs.
- Festkörper/Dampf-Verbindungen, die für Wärmepumpen geeignet sind, umfassen komplexe Verbindungen, welche Materialien sind, die Gasmoleküle in Form koordinativer Bindungen adsorbieren, wobei das gasförmige Reaktionsmittel über eine Elektronenversetzung mit dem Festkörper-Adsorbens, für gewöhnlich einem anorganischen Salz eines Festkörpermetalls, koordiniert. Der Adsorptions-/Desorptions-Prozeß gibt eine erhebliche Wärme während der Adsorption frei und adsorbiert Energie während der Desorptionsphase. Im Gegensatz zu den meisten anderen Sorptionsprozessen können die gesamten Adsorptions- oder Desorptionsreaktionen bei einer konstanten Temperatur erfolgen, was Probleme mit heißen und kalten Sorbiererenden beseitigt. Verwendbare gasförmige Reaktionsmittel umfassen Wasser, Ammoniak, Methanol, Methan, Äthan und dergleichen. Eine Anzahl derartiger Materialien ist in den US-Psen 4,822,391 und 4,848,994 beschrieben. Auf diese Verbindungen und ihre Verwendungen, die in den genannten Patenten beschrieben werden, wird hier vollinhaltlich Bezug genommen.
- Wärmeaktivierte Wärmepumpen bestehen aus einem Wärmekraftmotor-Untersystem, der unter hohem Druck stehenden Kühlmitteldampf erzeugt, primär einem thermischen Kompressor und einem Wärmepumpen-Untersystem, das das unter hohem Druck stehende Kühlmittel verwendet, um eine Kühlungs- oder Erwärmungspumpung zu erzeugen. Der thermische Kompressor, die Wärmepumpe und ihre Kombination in einer wärmeaktivierten Wärmepumpe umfassen anwendungsfähige thermodynamische Systeme, welche vorteilhaft Verwendung von Festkörper/Gas-Reaktionen machen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solche Reaktionen mit noch größerem Vorteil und größerer Wirksamkeit zu verwenden. Weiterhin können Speichersysteme für thermische Energie und Kälte ebenfalls unter Verwendung von Stufentrennungs-Techniken der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Lade- und Entladetemperatur, sowie der Energiedichte verbessert werden.
- Es ist aus der US-PS 4,610,148 bekannt, ein Wärmepumpensystem zu schaffen, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 22 aufweist. Vorgesehen ist ein Wärmepumpensystem mit einem Paar von Festkörper-Adsorbensbetten, die mit einer Wärmepumpenschleife und einer reversiblen Wärmeübertragungsschleife verbunden sind. Die Wärmepumpenschleife weist einen Heizer auf, der zwischen ein Ende der Betten und einem kühlendem Wärmetauscher geschaltet ist, der das andere Ende der Betten verbindet, so daß ein Wärmeübertragungsfluid, welches entlang der übertragungsschleife fließt, ein Bett erwärmt und das andere kühlt, wobei der Fluß reversiert wird, um zwischen den Betten zu zyklieren und die Wärmepumpenschleife zu betreiben.
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stufentrennung von Festkörper/Dampf-Verbindungsreaktionen gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe gemäß Anspruch 19, eine Reaktorvorrichtung gemäß Anspruch 22 und eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 33.
- Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun exemplarisch unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
- Figur 1 eine schematische Darstellung und ein Beispiel einer Vorrichtung ist, das in den Systemen der Erfindung verwendet wird;
- Figur 2 ein Phasendiagramm ist, das eine bevorzugte Ausführungsform in dem Prozeß der Erfindung ist, der in der Vorrichtung gemäß Figur 1 durchgeführt wird; und
- Figur 3 eine Ausführungsform einer mechanisch aktivierten Wärmepumpenvorrichtung ist, die in einem System der Erfindung verwendet werden kann.
- In der nachfolgenden Beschreibung soll mit der Bezeichnung "Verbindung" jedes Reaktionsprodukt verstanden sein, das durch Adsorption und Desorption eines gasförmigen Reaktionsmittels an einem Festkörper-Reaktionsmittel im Rahmen der Erfindung gebildet wird. Zur Durchführung der kontinuierlichen Stufentrennung eines Konstantdruck-Maschinenzyklus gemäß der Erfindung wird eine Mehrzahl von zwei oder mehr unterschiedlichen Festkörper-Reaktionsmitteln ausgewählt und eine Mehrzahl oder ein Satz von unterschiedlichen Festkörper-Reaktionsmitteln wird in jeden Reaktor in der Wärmepumpenvorrichtung eingebracht. Jede der Verbindungen eines solchen Satzes oder einer Gruppe zeigt jeweils unterschiedliche Dampfdruckkurven, das heißt, hat eine unterschiedliche Dampfdruck/Temperatur-Beziehung, welche unabhängig von der Konzentration des gasförmigen Reaktionsmittels ist. Somit adsorbiert und desorbiert jede der Verbindungen in einem Satz in dem Reaktor das gleiche gasförmige Reaktionsmittel bei einer unterschiedlichen Temperatur bei dem Reaktionsdruck im Reaktor. Die Verbindungen werden ausgewählt und in dem Reaktor in der Reihenfolge eines steigenden Gasdampfdruckes angeordnet. Bevorzugt sind die Verbindungen aus den Serien so ausgewählt, daß keine der Verbindungen im gleichen Reaktor einen zusätzlichen Koordinationsschritt bei einer tieferen Gleichgewichtstemperatur hat, was mehr Reaktionsgas von den anderen Verbindungen während Temperaturgleichgewicht oder einem Abschaltzustand adsorbieren würde, was die Umlaufleistung während intermittierendem Betrieb verringern würde. Weiterhin werden die Massen einer jeden Verbindung so eingestellt, daß die Wärmemenge, die zur Desorbtion einer jeden Verbindung notwendig ist, proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen dieser Verbindung und der Verbindung mit der nächsthöheren Temperatur ist.
- Die Verbindungen werden in den Reaktor in einer Reihenfolge auf der Grundlage des Gasdampfdruckes der Verbindung angeordnet und sind hierbei bevorzugt aufeinanderfolgend in steigender Reihenfolge des Gasdampfdruckes angeordnet. Die Reaktoren sind mit Einrichtungen zum Richten eines Wärmeübertragungsfluides versehen, um thermisch mit den Verbindungen zu kommunizieren. Während des Prozeßablaufes wird das Wärmeübertragungsfluid nach und nach abgekühlt, wenn es durch einen Desorbtionsreaktor läuft, wo die aufeinanderfolgenden Verbindungen das gasförmige Reaktionsmittel bei aufeinanderfolgend niedrigeren Temperaturen desorbieren. Im Adsorbtionsreaktor wird das Fluid nach und nach erwärmt, wenn es aufeinanderfolgend thermisch der Abfolge von Adsorbtions-Verbindungen ausgesetzt wird, wo die jeweils nächste nachfolgende Verbindung in der Reihenfolge bei höherer Temperatur adsorbiert.
- Spezielle Reaktionsmittel, die verwendbar sind, um Verbindungen zur Verwendung in der Erfindung zu bilden, umfassen Metalloxide, Hydride, Halogenide, Karbonate, Nitrite, Nitrate, Oxalate, Sulf ide und Sulfate. Bevorzugte Metalle für die anorganischen Salze werden aus Alkali- und Erdalkah-Metallen, Übergangsmetallen, Aluminium, Zink, Kadmium und Zinn ausgewählt. Bevorzugte Übergangsmetalle sind Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt. Doppelte Metallchloridsalze, wenn die Metalle aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Aluminium, Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt ausgewählt werden, sind ebenfalls verwendungsfähig. Nachfolgend werden diese Reaktionsmittel manchmal als Festkörper, Salze oder Festkörper-Reaktionsmittel bezeichnet.
- Gasförmige Reaktionsmittel, die an den Festkörpern adsorbiert werden, um Verbindungen zu bilden, und die in den Prozeßabläufen der Erfindung besonders verwendbar sind, umfassen Ammoniak, Wasser, Methylamin und Methanol, wobei Ammoniak besonders geeignet ist, da es stabil ist und hochenergetische Komplexe bildet. Wasserstoff, Kohlendioxyd, Schwefeldioxyd, andere niedere Alkanole, niedere Alkane, insbesondere Methan und Äthan, Pyridin, Alkylamine, Polyamine und Phosphine können ebenfalls verwendet werden. Diese gasförmigen Reaktionsmittel können nachfolgend auch als Kühlmittel bezeichnet werden.
- In einem speziellen Beispiel eines Satzes oder einer Serie von Verbindungen, um ein System gemäß der Erfindung darzustellen, werden Salze, nämlich MgBr2, CoCl2, CaBr2 und SrBr2 in einer Wärmepumpe verwendet, welche aus zwei separaten Reaktionsgefäßen aufgebaut ist. Die Verbindungen weisen die Ammoniakligand-Komplexverbindung der erwähnten Salze mit MgBr2, CoBr2, CoCl2 und CaBr2-Salzen auf, die Komplexe mit 2 bis 6 NH3 enthalten, sowie SrBr2, das zwei bis acht NH3 enthält. Figur 1 zeigt schematisch ein Beispiel einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung der stufengetrennten Wärmepumpe mit kontinuierlichem Konstantdruck, wobei die Verbindungen, die mit A-E bezeichnet sind, in der obigen Reihenfolge mit MgBr2. XNH3 beginnen. Die Salze werden in Reaktoren 10 und 20 in aufeinanderfolgend steigender Reihenfolge des Komplex-Verbindungsliganden- Dampfdruckes eingebracht. Somit ist der Satz von Salzen in jedem Reaktor übereinandergeschichtet, wie aufeinanderfolgend durch A-E gezeigt. In jedem Reaktor befindet sich eine Leitung oder eine hierzu äquivalente Einrichtung zur Zufuhr eines Wärmeübertragungsfluides, um thermischen Kontakt mit den Verbindungen zu erhalten. Die Verbindungen können in einer Säule der dargestellten Reihenfolge vorhanden sein, wobei die Zufuhrvorrichtung für das Übertragungsfluid eine Röhre aufweisen kann und geeignete Einrichtungen zur Wärmeaustauschung mit den Verbindungen haben kann. Die Vorrichtung umfaßt einen Brenner oder Ofen 15 mit Leitungen 26, 28, 38 und 42, die das Wärmeübertragungsfluid zwischen dem Ofen 15, den Reaktoren 10 und 20 und einem Wärmetauscher 25 übertragen. Ein Ventil 22 und eine Pumpe 18 stellen eine Einrichtung dar, die Fließrichtung des Wärmeübertragungsfluides in dem System zu unterstützen. Ein Verdampfer 30 und ein Kondensator 32 sind ebenfalls mit den Reaktoren über Röhren 36 und 37 und einem Ventil 34 zum Führen von Ammoniakdampf zu den Reaktoren und von diesen weg verbunden.
- In einer ersten Reaktionsphase oder einem Halbzyklus wird das Ventil 22 so gestellt, daß heißes Wärmeübertragungsfluid über die Leitung 26 in den Reaktor 10 geführt wird. Wenn die Verbindungen abhängig von ihrer steigenden Reihe des Dampfdruckes angeordnet sind, gerät das Wärmeübertragungsfluid aufeinanderfolgend in thermische Verbindung mit den Verbindungen in dem Satz, wenn es entlang der Länge des Reaktors 10 strömt.
- In diesem Reaktionszyklus ist der Reaktor 10 der Desorptionsreaktor, wohingegen der Reaktor 20 der Adsorptionsreaktor ist. Der Reaktor 10 wird auf einen ersten Druckwert unter Druck gesetzt, wohingegen der Reaktor 20 auf einen zweiten Druckwert unter Druck gesetzt ist, der unter dem ersten Druckwert liegt. Die Desorptionsreaktionen im Reaktor 10 werden von dem erhitzten Wärmeübertragungsfluid angetrieben, das in den Reaktor über die Leitung 26 eingebracht wird, wodurch diese Desorptionsreaktionen aufeinanderfolgend in Gang gebracht werden, wobei das Wärmeübertragungsfluid nach und nach abgekühlt wird, wenn es seine Wärme an die Desorbtionsverbindungen abgibt. Das abgekühlte Wärmeübertragungsfluid wird dann über die Leitung 28 durch den Wärmetauscher 25 geführt, wo es weiter abgekühlt wird auf eine Temperatur, die geeignet ist für eine Einbringung in den Reaktor 20 über die Leitung 38. Der Reaktor 20 ist in dieser Phase oder in diesem Halbzyklus des Prozesses der Adsorbtionsreaktor, wo der Satz von Verbindungen hierin das gasförmige Reaktionsmittel in exothermischen Reaktionen adsorbiert. In diesem Reaktor wird das Wärmeübertragungsfluid nach und nach erhitzt, während es entlang des Reaktors geführt wird und nacheinander thermisch dem exothermen Adsorptionsreaktionen bei aufeinanderfolgend höheren Temperaturen ausgesetzt ist. Wenn somit das Wärmeübertragungsfluid den Reaktor 20 über die Leitung 42 verläßt, ist es gegenüber der Temperatur, mit der es über die Leitung 38 eingebracht wurde, erheblich erhitzt. Das Wärmeübertragungsfluid wird dann dem Ofen 15 zurückgeführt, wo es erneut auf die Temperatur erhitzt wird, die zum Betrieb der endothermischen Reaktionen im Reaktor 10 notwendig ist.
- Während dieses Prozeßzyklus wird das gasförmige Reaktionsmittel vom Desorptionsreaktor 10 dem Kondensator 32 zugeführt und das gasförmige Reaktionsmittel für die Adsorptionsreaktionen im Reaktor 20 wird vom Verdampfer 24 erhalten. Der Verdampfer und der Kondensator sind in thermischen Kontakt mit Wärmetauschern (nicht dargestellt) zum Übertragen und zur Zurückgewinnung von Energie zu und aus dem gasförmigen Reaktionsmittel.
- In dem zweiten Halbzyklus oder der zweiten Phase des Prozesses wird der Druck in den Reaktoren umgekehrt, so daß der Reaktor 20 der Desorbtionsreaktor wird und der Reaktor 10 der Adsorptionsreaktor ist. Das Ventil 22 wird so gestellt, daß das erhitzte Wärmeübertragungsfluid anfangs über die Leitung 24 dem Reaktor 20 zugeführt wird, wo die dort erfolgenden Reaktionen wie in der vorher beschriebenen ersten Reaktionsphase sind, wobei jedoch die Reaktionen bezüglich Adsorption und Desorption umgekehrt sind. Am Ende des zweiten Halbzyklus werden die Ventile erneut umgesteuert und der erste oben beschriebene Halbzyklus wird wiederholt.
- Beispielsweise adsorbieren und desorbieren die weiter oben beschriebenen Verbindungen, welche in die Reaktoren eingebracht werden, bei Temperaturen und Drücken, die in der nachfolgenden Tabelle dargestellt sind. Ein Phasendiagramm eines Prozesses, der unter Verwendung dieser oder ähnlicher Verbindungen durchgeführt wird, ist in Figur 2 dargestellt. Beispielsweise wird in dem ersten Halbzyklus gemäß obiger Beschreibung die Desorptionsreaktion im Reaktor 10 bei im wesentlichen konstanten Druck zwischen den Punkten (1) und (3) durchgeführt, wie in dem Diagramm dargestellt. Die allmähliche Temperaturverringerung des Wärmeübertragungsfluides ist ebenfalls dargestellt. Zusätzliche Wärme wird aus dem Wärmeübertragungsfluid zwischen den Punkten (2) und (3) durch den Wärmetauscher 25 gemäß Figur 1 zurückgewonnen oder entfernt. Auf ähnliche Weise werden Adsorptionen im Reaktor 20 bei dem geringeren Druck zwischen den Zustandspunkten (3) und (4) durchgeführt. Das Wärmeübertragungsfluid wird dann auf die erhöhte Temperatur erhitzt, die zwischen den Punkten (4) und (5) dargestellt ist und der Zyklus wird fortgesetzt. Der Prozeß wird dann, wenn gewünscht. oder wenn durch den Betrag von Adsorption und Desorption der Verbindungen in dieser Zyklusphase notwendig gemacht, reversiert. Tabelle 1 Desorbtion (7,31 Bar) Adsorbtion
- Aus diesem Beispiel eines Satzes oder einer Serie von komplexen Verbindungen zeigt sich, daß die Salze in fallender Reihenfolge von Adsorptions- und Desorptionstemperatur angeordnet sind entsprechend einer steigenden Reihenfolge von Verbindungs-Dampfdrücken.
- Falls gewünscht können der Verdampfer und der Kondensator gemäß Figur 1 durch Reaktoren ersetzt werden, die ein Festkörpersalz enthalten, welches das gasförmige Reaktionsmittel adsorbiert und desorbiert, beispielsweise Natriumbromid. Derartige Reaktoren, die mit den Wärmetauschern zusammenarbeiten, erzeugen Erhitzung und Abkühlung auf andere Weise. Während jedes Halbzyklus erzeugt ein Reaktor Kühlung, während der andere aufheizt. Die Vorteile bei der Verwendung von Natriumbromid oder anderen Festkörper-Reaktionsmitteln zum Adsorbieren/Desorbieren des gasförmigen Reaktionsmittels umfassen im Gegensatz zu einer Kondensator/Verdampfer-Anordnung: (1) höhere Energiedichte in den Adsorptions/Desorptions-Reaktionen im Vergleich zur Verdampfung und Kondensation des Gases, was zu höheren Leistungskoeffizienten und geringerer Systemmasse führt, und (2) die Möglichkeit Wärme bei höheren Temperaturen mit geringerem Systemdruck zurückzugewinnen, als es bei der Verwendung von Kühlmittelkondensation notwendig wäre.
- Der Prozeß und das System der Erfindung können auch als thermischer Kompressor verwendet werden, der ein Untersystem einer wärmebetätigten Wärmepumpe ist. Werden beispielsweise gemäß Figur 1 der Kondensator 32 und der Verdampfer 30 entfernt, wirkt das sich ergebende Untersystem als thermisch aktivierter Kompressor, der Niederdruckdampf über die Leitung 31 empfängt und Hochdruckdampf über die Leitung 39 abgibt. Ein derartiger thermischer Kompressor kann als weniger teure Alternative zu einem elektrisch betriebenen Kompressor zum Erhalt von unter Druck stehenden gasförmigen Reaktionsmitteln verwendet werden. Beispielsweise kann das unter hohem Druck stehende Gas von dem Hochdruck-Desorptions-Reaktionsgefäß einer Gasturbine oder einer anderen Vorrichtung mit Mitteln zur Ausnutzung des Gases zur Durchführung mechanischer Arbeit gerichtet werden. Das sich ergebende unter geringerem Druck stehende Gas (gasförmige Reaktionsmittel) wird dann dem Niederdruck-Reaktor zurückgeführt. Eine Stufentrennung bei konstantem Druck mit geeigneten Verbindungen kann eine wirksame thermische Kompression eines jeden gasförmigen Reaktionsmittels erzeugen, beispielsweise von Wasser, Ammoniak, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Methanol und anderen niedrigen Alkanolen, Alkylaminen, Polyaminen und Phosphinen. Wasserstoff kann auch unter Verwendung von Hydriden in den Reaktoren anstelle von Komplexverbindungen komprimiert werden, wohingegen Kohlendioxid mit Metalloxid/Metallkarbonat-Reaktionsmitteln verwendet werden und Wasser kann mit Metalloxid/Metallhydroxid- oder Komplexverbindungs-Reaktionsmitteln verwendet werden. Eine derartige thermische Kompression unter Verwendung eines Prozesses der vorliegenden Erfindung ist effizienter als herkömmliche thermische Kompressoren, da Wärme durch mehrere Stufen kaskadenartig geführt wird und Hochdruckdampf bei jeder Stufe erzeugt wird.
- Der Konstantdruck-Stufentrennungsprozeß der Erfindung kann auch bei einer Wärmepumpe angewendet werden, welche Hochdruck-Kühlmitteldampf empfängt, Niederdruckdampf abgibt und Kühlung oder Heizung durchführt. Der Hochdruck-Kühlmitteldampf kann von einem mechanischen Kompressor, einem thermischen Kompressor, beispielsweise einem gestaffelten thermischen Kompressor mit Konstantdruck gemäß obiger Beschreibung, oder einer anderen Quelle bereitgestellt werden. Die gestaffelte Wärmepumpe mit Konstantdruck ist besonders vorteilhaft, wenn sie mit einem mechanischen Kompressor gekoppelt wird, da Effizienz und Zuverlässigkeit von mechanischen Kompressoren anwächst, wenn das Kompressionsverhältnis verringert wird und die Stufentrennung senkt das Kompressionsverhältnis für einen gegebenen Temperaturanhub oder verringert den Temperaturanhub bei einem gegebenen Kompressionsverhältnis. Eine derartige Vorrichtung ist in Figur 3 gezeigt, welche ziemlich ähnlich zu der Vorrichtung gemäß Figur 1 ist mit der Ausnahme, daß der Verdampfer, der Kondensator und der Ofen oder Brenner entfernt wurden. Anstelle des Verdampfers und Kondensors wird ein Kompressor 40 verwendet, um Hochdruck-Kühlmitteldampf den Reaktoren in Zusammenwirkung mit den Leitungen zu und von den Reaktoren und dem Ventil 34 zum Führen des gasförmigen Reaktionsmittels zu und von den Reaktoren bereitzustellen. Die Wärmetauscher 25 und 27 werden verwendet, Wärme oder Energie von dem Wärmeübertragungsfluid, welches aufeinanderfolgend zwischen den Reaktoren läuft, zu entfernen oder ihm zuzuführen. Auch hier sind die Verbindungen in einem Satz von Verbindungen in steigender Reihenfolge des Komplexverbindungs-Dampfdruckes eingebracht. Durch die Verwendung der mechanischen Kompressoreinrichtung von Figur 3 zum Antreiben der Reaktionen werden die Drücke in den Gefäßen gemäß der Beschreibung von Figur 1 einfach umgekehrt.
Claims (37)
1. Ein Verfahren zum Stufentrennen von Festkörper/-
Dampf-Verbindungsreaktionen in einem ersten Reaktor
(10), der einen ersten Satz von unterschiedlichen
Verbindungen enthält, die in einer aufeinanderfolgenden
Reihe von Gas-Reaktionsmittel-Dampfdruck angeordnet sind
und in einem zweiten Reaktor (20), der einen zweiten
Satz von unterschiedlichen Verbindungen enthält, die in
aufeinanderfolgender Reihenfolge von
Gas-Reaktionsmittel-Dampfdruck angeordnet sind, wobei jede der
Verbindungen (A-E) ein Reaktionsprodukt aufweist, welches
durch Adsorbtion eines gasförmigen Reaktionsmittels an
einem festen Reaktionsmittel-Adsorbens gebildet wird,
wobei auf besagtem Reaktionsprodukt das gasförmige
Reaktionsmittel abwechselnd in den Reaktionen absorbiert
und desorbiert werden kann und wobei die Verbindungen in
jedem Satz einen unterschiedlichen
Gas-Reaktionsmittel-Dampfdruck haben, der im wesentlichen unabhängig
von der Konzentration des gasförmigen Reaktionsmittels
ist, mit:
Zuführen eines Wärmeübertragungsfluides mit einer
ersten Temperatur zu dem ersten Reaktor (10) in
thermischer Verbindung mit der aufeinanderfolgenden
Reihe des ersten Satzes von Verbindungen, was zu einem
ersten Druck führt, wobei die Verbindung das gasförmige
Reaktionsmittel in einer endothermischen Reaktion
desorbiert;
und Zuführen eines Wärmeübertragungsfluides bei
einer zweiten Temperatur, die geringer ist als die
erste Temperatur zu dem zweiten Reaktor (20) in
thermischer Verbindung mit der aufeinanderfolgenden
Reihe des zweiten Satzes von Verbindungen, wobei der
zweite Reaktor bei einem zweiten Druck betrieben wird,
wodurch die Verbindung hierin das gasförmige
Reaktionsmittel in einer exothermen Reaktion adsorbiert.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei jede der
Verbindungen des ersten Satzes und der Verbindungen des
zweiten Satzes das gleiche gasförmige Reaktionsmittel
bei einer Temperatur adsorbieren bzw. desorbieren, die
sich bei dem Reaktionsdruck von derjenigen der anderen
Verbindung in jedem der Sätze unterscheidet.
3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite
Druck niedriger als der erste Druck ist.
4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verbindungen in
jedem der entsprechendem ersten und zweiten Sätze die
gleichen sind.
5. Das Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das
Wärmeübertragungsfluid vor der Zufuhr zu dem ersten
Reaktor auf die erste Temperatur erwärmt wird und nach
und nach abgekühlt wird, wenn es durch den ersten
Reaktor in aufeinanderfolgender thermischer Verbindung
mit den Verbindungen hierin geführt wird.
6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das
Wärmeübertragungsfluid auf die zweite Temperatur vor der Zufuhr zu
dem zweiten Reaktor gekühlt wird und nach und nach
erwärmt wird, wenn es durch den zweiten Reaktor in
aufeinanderfolgender thermischer Verbindung mit den
Verbindungen hierin geführt wird.
7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei in einem ersten
Reaktionszyklus der erste Reaktor bei einem ersten Druck
und der zweite Reaktor bei einem zweiten Druck und in
einem zweiten Reaktionszyklus der erste Reaktor bei dem
zweiten Druck und der zweite Reaktor bei dem ersten
Druck betrieben wird.
8. Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das
Kondensieren eines gasförmigen Reaktionsmittels,
das von den Verbindungen während der Desorption
freigegeben wird und Zurückgewinnen von Wärme aus
der Kondensation des gasförmigen Reaktionsmittels
und das Verdampfen wenigstens eines Teils des
kondensierten gasförmigen Reaktionsmittels und
Erzeugen einer Kühlwirkung aus der Verdampfung.
9. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Reaktoren
mit dem gasförmigen Reaktionsmittel von einem externen
Adsorber/Desorber-Reaktor versorgt werden.
10. Das Verfahren nach Anspruch 7, wobei wenigstens ein
Teil des gasförmigen Reaktionsmittels aus den
Desorptionsreaktionen einem externen
Adsorber/Desorber-Reaktor zugeführt wird, der ein
Festkörper-Reaktionsmitteladsorbens beinhaltet und wobei wenigstens ein
Teil des gasförmigen Reaktionsmittels für
Adsorptionsreaktionen von einem externen Adsorber/Desorber-Reaktor
zugeführt wird.
11. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gasförmige
Reaktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird,
welche beinhaltet: Ammoniak, Wasser, Wasserstoff,
Kohlendioxid, Schwefeldioxid, niedere Alkanole,
Alkylamin, Polyamin und Phosphin.
12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das
Festkörper-Reaktionsmittel ein Metalloxid oder Hydrid oder Halogenid
oder Karbonat oder Nitrat oder Nitrit oder Sulfat oder
Oxalat oder Sulfid ist.
13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Metall des
Festkörper-Reaktionsmittels aus der Gruppe ausgewählt
wird, die aufweist: Alkalimetalle, Erdalkalimetalle,
Übergangsmetalle, Aluminium, Zink, Kadmium und Zinn.
14. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das
Festkörper-Reaktionsmittel ein Doppelmetallchlorid aufweist,
wobei die Metalle aus der Gruppe ausgewählt werden,
welche aufweist: ein Alkalimetall, ein Erdalkalimetall,
Aluminium, Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt.
15. Das Verfahren nach Anspruch 13, wobei das gasförmige
Reaktionsmittel Ammoniak ist und das
Festkörper-Reaktionsmittel ein Halogenid des Metalls ist.
16. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem:
in einem ersten Reaktionszyklus ein
Wärmeübertragungsfluid mit der ersten Temperatur dem ersten Reaktor in
aufeinanderfolgender thermischer Verbindung mit dem
ersten Satz von Verbindungen zugeführt wird, was zu dem
ersten Druck führt, wobei die Verbindungen das
gasförmige Reaktionsmittel in endothermischen Reaktionen
desorbieren und ein Wärmeübertragungsfluid mit der zweiten
Temperatur, die niedriger als die erste Temperatur ist,
dem zweiten Reaktor in aufeinanderfolgender thermischer
Verbindung mit dem zweiten Satz von Verbindungen
zugeführt wird, was zu dem zweiten Druck führt, der geringer
ist als der erste Druck, wobei die Verbindungen das
gasförmige Reaktionsmittel in exothermen Reaktionen
adsorbieren;
in einem zweiten Reaktionszyklus Wärmeübertragungsfluid
mit der ersten Temperatur dem zweiten Reaktor in
aufeinanderfolgender thermischer Verbindung mit dem zweiten
Satz von Verbindungen zugeführt wird, was zu dem ersten
Druck führt, wobei die Verbindungen das gasförmige
Reaktionsmittel in endothermischen Reaktionen desorbieren
und ein Wärmeübertragungsfluid mit der zweiten
Temperatur
dem ersten Reaktor in aufeinanderfolgender
thermischer Verbindung mit dem ersten Satz von Verbindungen
zugeführt wird, was zu dem zweiten Druck führt, wobei
die Verbindungen das gasförmige Reaktionsmittel in
exothermen Reaktionen adsorbieren; und wenigstens ein
Teil der Energie zurückgewonnen wird, die in den
exothermen und endothermen Reaktionen übertragen wird.
17. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein gasförmiges
Reaktionsmittel von einem Reaktor mit höherem Druck
einer Gasturbine oder einer Expansionsvorrichtung zur
Leistung mechanischer Arbeit zugeführt wird.
18. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens ein
Teil des gasförmigen Reaktionsmittels von den
Desorptionsreaktionen einer Vorrichtung zum Kondensieren und
Verdampfen des gasförmigen Reaktionsmittels zugeführt
wird.
19. Ein Verfahren zum Betreiben einer mechanisch oder
mit Druck betriebenen Wärmepumpe, mit: einem ersten
Reaktor (10), der einen ersten Satz von
unterschiedlichen Verbindungen enthält, die in aufeinanderfolgender
Reihe des Dampfdruckes des gasförmigen Reaktionsmittels
angeordnet sind und einem zweiten Reaktor (20), der
einen zweiten Satz von unterschiedlichen Verbindungen
enthält, die in aufeinanderfolgender Reihen des
Dampfdruckes des gasförmigen Reaktionsmittels angeordnet
sind, wobei jede der Verbindungen (A-E) ein
Reaktionsprodukt aufweist, das durch Adsorbieren eines
gasförmigen Reaktionsmittels an einem festen Reaktionsmittel-
Adsorbens gebildet wird und wobei auf dem
Reaktionsprodukt das gasförmige Reaktionsmittel abwechselnd
adsorbiert und desorbiert werden kann und wobei jede der
Verbindungen eines jedes Satzes unterschiedliche
Dämpfdrücke des gasförmigen Reaktionsmittels hat, welche im
wesentlichen unabhängig von der Konzentration des
gasförmigen
Reaktionsmittels sind; und einem mechanischen
oder druckbetriebenen Kompressor (40), wobei das
Verfahren aufweist:
in einem ersten Reaktionszyklus das Unterdrucksetzen des
ersten Reaktors (10) mit dem gasförmigen Reaktionsmittel
mit einem ersten Druck und des zweiten Reaktors mit dem
gasförmigen Reaktionsmittel mit einem zweiten höheren
Druck,
das Zuführen eines Wärmeübertragungsfluides mit einer
ersten Temperatur zu dem ersten Reaktor in thermischer
Verbindung mit der aufeinanderfolgenden Reihe des ersten
Satzes von Verbindungen, wobei eine Verbindung hierin
das gasförmige Reaktionsmittel in einer endothermischen
Reaktion desorbiert, das Zuführen eines
Wärmeübertragungsfluides mit einer zweiten Temperatur, die höher als
die erste Temperatur ist zu dem zweiten Reaktor in
thermischer Verbindung mit der aufeinanderfolgenden Reihe
des zweiten Satzes von Verbindungen, wobei eine
Verbindung hierin das gasförmige Reaktionsmittel in einer
exothermen Reaktion adsorbiert; und in einem zweiten
Reaktionszyklus, das Unterdrucksetzen des zweiten Reaktors
mit dem gasförmigen Reaktionsmittel auf den ersten Druck
und des ersten Reaktors mit dem gasförmigen
Reaktionsmittel auf den zweiten Druck, das Zuführen des
Wärmeübertragungsfluides mit der ersten Temperatur zu dem
zweiten Reaktor zur Verbindung mit den Verbindungen in
aufeinanderfolgender Reihenfolge, wobei die Verbindung
hierin das gasförmige Reaktionsmittel in einer
endothermen Reaktion desorbiert und das Zuführen des
Wärmeübertragungsfluides mit der zweiten Temperatur zu dem
ersten Reaktor in Verbindung mit den Verbindungen in
aufeinanderfolgender Reihenfolge, wobei die Verbindung
hierin das gasförmige Reaktionsmittel in einer
exothermen Reaktion adsorbiert, und wobei die desorbierten
und adsorbierten gasförmigen Reaktionsmittel zu dem
Kompressor (40) hin und von diesem weggeführt werden.
20. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei jede der
Verbindungen aus dem ersten Satz und jede der Verbindungen aus
dem zweiten Satz das gleiche gasförmige Reaktionsmittel
bei einer Temperatur adsorbieren und desorbieren, welche
von derjenigen der anderen Verbindungen in jedem der
entsprechenden Sätze bei den Reaktionsdrücken
verschieden ist.
21. Das Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Verbindungen
in jedem der ersten bzw. zweiten Sätze die gleichen
sind.
22. Eine Vorrichtung mit:
einer Mehrzahl von zwei oder mehr Reaktoren (10, 20),
wobei jeder Reaktor eine Verbindung enthält, die ein
Reaktionsprodukt ist, das durch Adsorbieren eines
gasförmigen Reaktionsmittels an einem festen
Reaktionsmittel-Adsorbens gebildet ist;
Einrichtungen (26, 28, 39, 42) zur Zufuhr eines
Wärmeübertragungsfluides zu und von den Reaktoren,
Einrichtungen zum Führen des Wärmeübertragungsfluides durch die
Reaktoren in thermischer Verbindung mit den Verbindungen
hierin, Einrichtungen (36, 37) zum Leiten eines
gasförmigen Reaktionsmittels zu und von den Reaktoren, und
Wärmetauschereinrichtungen (15, 25) zum Erwärmen
und/oder Kühlen des Wärmeübertragungsfluides und zum
wahiweisen Zurückgewinnen von Wärme und/oder zur
Erzeugung einer Kühlwirkung hiervon;
dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reaktor eine Mehrzahl
von zwei oder mehr unterschiedlichen Verbindungen
enthält, von denen jede ein Reaktionsprodukt ist, das durch
Adsorbieren eines gasförmigen Reaktionsmittels an einem
Festkörper-Adsorbens gebildet ist, wobei jede der
Verbindungen einen unterschiedlichen Dampfdruck des
gasförmigen Reaktionsmittels hat, der im wesentlichen
unabhängig von der Konzentration des gasförmigen
Reaktionsmittels hierin ist und wobei die Verbindungen in
fallender
Reihenfolge des Dampfdruckes des gasförmigen
Reaktionsmittels angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22 mit Aufnahmeeinrichtungen
zum Behandeln des gasförmigen Reaktionsmittels, welches
von den Reaktionen weggeleitet wird.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die
Aufnahmeeinrichtungen Einrichtungen zum Kondensieren und Verdampfen des
gasförmigen Reaktionsmittels aufweisen.
25. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die
Aufnahmeeinrichtungen Einrichtungen zum Adsorbieren und Desorbieren des
gasförmigen Reaktionsmittels aufweisen.
26. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die Einrichtungen
zum Adsorbieren und Desorbieren Reaktoren aufweisen,
welche ein Festkörper-Adsorbens oder flüssiges Adsorbens
beinhalten.
27. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die
Aufnahmeeinrichtungen eine druckaktivierte Wärmepumpe aufweisen.
28. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die
Aufnahmeeinrichtungen einen mechanischen Kompressor aufweisen.
29. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei die
Aufnahmeeinrichtungen eine Mehrzahl von zwei oder mehr Reaktoren
aufweisen, wobei jeder Reaktor eine Mehrzahl von zwei oder
mehr unterschiedlichen Verbindungen enthält mit einem
festen Reaktionsmittel-Adsorbens und einem gasförmigen
Reaktionsmittel-Adsorbens hierauf, wobei jede der
Verbindungen einen unterschiedlichen Dampfdruck des
gasförmigen Reaktionsmittels hat, der im wesentlichen
unabhängig von der Konzentration des gasförmigen
Reaktionsmittels hierin ist, wobei die Verbindungen in
steigender Reihe des Dampfdruckes des gasförmigen
Reaktionsmittels
angeordnet sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das gasförmige
Reaktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird,
welche aufweist: Ammoniak, Wasser, Wasserstoff,
Kohlendioxid, Schwefeldioxid, niedriges Alkanol,
Alkylamin, Polyamin und Phosphin.
31. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei das feste
Reaktionsmittel ein Metalloxid, Hydrid, Halogen,
Karbonat, Nitrat, Nitrit, Sulfat, Oxalat oder
Sulfid ist und wobei das Metall aus der Gruppe
ausgewählt wird, welche aufweist: Alkalimetalle,
Erdalkalimetalle, Übergangsmetalle, Aluminium,
Zink, Kadmium und Zinn.
32. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei das feste
Reaktionsmittel ein doppeltes Metallchlorid aufweist, wobei
die Metalle aus der Gruppe ausgewählt werden, die
aufweist: ein Alkalimetall, Erdalkalimetall, Aluminium,
Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt.
33. Eine mechanische oder durch Druck aktivierte Wärmepumpe
mit: einer Mehrzahl von zwei oder mehr Reaktoren (10,
20), wobei jeder Reaktor eine Verbindung enthält, die
ein Reaktionsprodukt aufweist, das durch Adsorbieren
eines gasförmigen Reaktionsmittels auf einem festen
Reaktionsmittel-Adsorbens gebildet ist;
Einrichtungen (26, 28, 38, 48) zur Übertragung eines
Wärmeübertragungsfluides zu und von den Reaktoren,
Einrichtungen zum Leiten des Wärmeübertragungsfluides
durch die Reaktoren in thermischer Verbindung mit der
Verbindung hierin,
und Einrichtungen (34) zum Leiten des gasförmigen
Reaktionsmittels zu und von den Reaktoren;
gekennzeichnet durch Kompressoreinrichtungen (40) zur
Bereitstellung von gasförmigem Reaktionsmittel mit hohem und
niedrigem Druck für die Reaktoren;
und dadurch, daß jeder Reaktor eine Mehrzahl von
zwei oder mehr unterschiedlichen Verbindungen enthält,
von denen jede ein Reaktionsprodukt ist, das durch
Adsorbtion eines gasförmigen Reaktionsmittels an einem
festen Adsorbens gebildet ist, wobei jede der
Verbindungen einen unterschiedlichen Dampfdruck des
gasförmigen Reaktionsmittels hat, der im wesentlichen
unabhängig von der Konzentration des gasförmigen
Reaktionsmittels hierin ist, wobei die Verbindungen in steigender
Reihenfolge des Dampfdruckes des gasförmigen
Reaktionsmittels angeordnet sind.
34. Vorrichtung nach Anspruch 33 mit
Wärmetauschervorrichtungen zum Erwärmen und Kühlen des
Wärmeübertragungsfluides und zum wahlweisen Zurückgewinnen und/oder
Adsorbieren von Wärme hiervon.
35. Vorrichtung nach Anspruch 33, wobei das gasförmige
Reaktionsmittel aus der Gruppe ausgewählt wird, welche
aufweist: Ammoniak, Wasser, Wasserstoff, Kohlendioxid,
Schwefeldioxid, niedriges Alkanol, Alkylamin, Polyamin
und Phosphin.
36. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei das feste
Reaktionsmittel ein Metalloxid, Hydrid, Halogen, Karbonat,
Nitrat, Nitrit, Sulfat, Oxalat oder Sulfid ist und wobei
das Metall aus der Gruppe ausgewählt wird, welche
aufweist:
ein Alkalimetall, Erdalkalimetall, Übergangsmetall,
Aluminium, Zink, Kadmium und Zinn.
37. Vorrichtung nach Anspruch 35, wobei das feste
Reaktionsmittel ein doppeltes Metalichlond aufweist, wobei die
Metalle aus der Gruppe ausgewählt werden, welche
aufweist: ein Alkalimetall, Erdalkalimetall, Aluminium,
Mangan, Eisen, Nickel und Kobalt.
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