DE69304833T2

DE69304833T2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte und/oder Wärme mittels einer Reaktion zwischen einem festen Körper und einem Gas

Info

Publication number: DE69304833T2
Application number: DE69304833T
Authority: DE
Inventors: Jean F-66450 Pollestres Castaing; Pierre F-66300 Saint-Jean Lasseilles Neveu
Original assignee: Societe National Elf Aquitaine
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1997-04-03
Anticipated expiration: 2013-02-11
Also published as: EP0580848A1; US5445217A; DK0580848T3; DE69304833D1; GR3021689T3; EP0580848B1; WO1993016339A1; CA2107215A1; CA2107215C; ATE143125T1; JPH06507008A; ES2094530T3; FR2687462A1; JP3114154B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch Feststoff-Gas-Reaktion.
-Die von der Erfindung angestrebte Vorrichtung beruht auf der Verwendung des als "thermochemische Pumpe" bezeichneten Systems, das folgende Haupteigenschaften aufweist:
- zum Betreiben des Systems an sich wird Wärmeenergie verwendet; elektrische Energie wird gegebenenfalls nur zur Zirkulation der Wärmeträgerfluide verwendet,
- als "chemischer Motor" wird eine umkehrbare Reaktion zwischen einem Feststoff und einem Gas der Art Feststoff
verwendet.
Die Reaktion ist in Richtung 1 exotherm, was bedeutet, daß sie in dieser Richtung Wärme erzeugt, und in Richtung 2 endotherm, was bedeutet, daß sie in dieser Richtung Kälte erzeugt.
Ein solches System erlaubt das Speichern von Energie in chemischer Form und hat verschiedene Anwendungsbereiche.
Darüberhinaus ermöglicht ein solches System, ausgehend von einer Wärmequelle der Temperatur Ts, die Erzeugung von Wärme der Temperatur Tu derart, daß:
Tu < Ts
In diesem Fall wird das System als "chemische Wärmepumpe" bezeichnet.
Ein solches System ermöglicht auch, ausgehend von einer Wärmequelle der Temperatur T's, die Erzeugung von Wärme der Temperatur T'u derart, daß:
T'u > T's
In diesem Fall wird das System als "chemischer Thermotransformator" bezeichnet.
Dank dieses Systems ist es möglich, ausgehend von einer Wärmequelle, kälteerzeugende Energie und gleichzeitig, ausgehend von einer Wärmequelle der Temperatur T"s, Wärme der Temperatur T"u (T"u< T"s) und kälteerzeugende Energie zu erzeugen.
Je nach Fall erfolgt die Verwendung der erzeugten Wärme oder Kälte gleichzeitig mit dem Verbrauch von Energie hoher Temperatur (Ts, T's, T"s) oder zeitversetzt (Speichereffekt).
Aus der EP-A-0 382 586 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch Feststoff-Gas-Reaktion mit zwei Reaktoren bekannt, die jeweils ein Salz, das mit einem Gas chemisch reagieren kann, einen Kondensator und einen Verdampfer für das Gas aufweisen. Die Bauelemente der Vorrichtung sind so angeordnet, daß das Gas einem Weg von einem Reaktor über den Kondensator und den Verdampfer zum anderen Reaktor folgen kann. Am Ende der chemischen Reaktion hat der gasarme Reaktor eine höhere Temperatur als der Reaktor, der das Gas enthält, das soeben mit dem Salz reagiert hat, wobei sich die beiden Reaktoren auf verschiedenen Druckniveaus befinden. Durch ein Wärmeträgersystem wird Wärme von dem Reaktor mit der höheren Temperatur an den Reaktor mit der niedrigeren Temperatur abgegeben, um dessen Temperatur zu erhöhen. Dann findet die chemische Reaktion in umgekehrter Richtung statt, wobei ein Teil der Wärme des einen Reaktors als Wärmequelle für die Desorption des Gases des anderen Reaktors dient. Diese Wärmeübertragung zwischen den beiden Reaktoren dient zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Systems.
Dieser verbesserte Wirkungsgrad des Systems erfüllt die an ein solches System gestellten handelsüblichen Anforderungen jedoch nicht völlig.
Die US-A-5 025 635 beschreibt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme mit zwei Reaktoreinheiten, wobei jede Einheit mehrere Reagenzblöcke aufweist, von denen jeder Block ein anderes Salz enthält. Die Vorrichtung weist außerdem einen Wärmeträgerkreislauf auf, der die beiden Einheiten verbindet, indem er jeden Reagenzblock durchquert.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch Feststoff-Gas- Reaktion vorzuschlagen, bei welcher die Wärmeübertragung zwischen den verschiedenen Reaktionskammern der Vorrichtung optimiert ist.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch chemische Reaktion vorgeschlagen, wobei diese Vorrichtung wenigstens vier Reaktoren umfaßt, die jeweils ein Salz, das mit einem Gas chemisch reagieren kann, einen zur Aufnahme des Gases der Reaktoren vorgesehenen Raum und einen Raum aufweisen, der dazu vorgesehen ist, den Reaktoren das Gas zuzuführen, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß bei der chemischen Reaktion zwei Reaktoren ein gleiches, höheres Druckniveau haben und eine erste Einheit bilden, und zwei Reaktoren ein gleiches, niedrigeres Druckniveau haben und eine zweite Einheit bilden, wobei die Vorrichtung weiterhin einen geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislauf aufweist, der zur Wärmeübertragung zwischen den beiden Einheiten dienen soll, und wobei dieser Kreislauf weiterhin eine Kühleinrichtung und eine Heizeinrichtung für das Wärmeträgerfluid hat, die sich dadurch auszeichnet, daß die Reaktoren, die ein gleiches Druckniveau haben, konzentrisch angeordnet sind, damit der Wärmeübergang zwischen den benachbarten Reaktoren ausschließlich durch Leitung erfolgen kann.
Die Vorteile sowie die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung klarer ersichtlich, die auf nicht beschränkende Weise mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen angefertigt wurde, in denen
Fig. 1A und 1B je ein Clapeyron-Diagramm für eine erste Bauweise einer Vorrichtung,
Fig. 2A und 2B je eine schematische Ansicht der ersten Bauweise einer Vorrichtung,
Fig. 3A und 3B je ein Clapeyron-Diagramm für eine zweite Bauweise einer Vorrichtung,
Fig. 4A und 4B je eine schematische Ansicht der zweiten Bauweise einer Vorrichtung, wobei diese beiden Bauweisen der Vorrichtung zum besseren Verständnis der Erfindung beschrieben werden, und
Fig. 5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung basiert auf der Reaktion zwischen einem Salz und einem Gas. Da es sich um eine echte chemische Reaktion handelt, hat man ein univariantes Gleichgewichtssystem, d.h. es besteht eine eindeutige Beziehung zwischen Temperatur und Druck der Art log P = A - B/T, wobei P der Druck, T die Temperatur in ºK und A und B charakteristische Konstanten des verwendeten Salz/Gas-Paares sind.
In der folgenden Beschreibung sind die Betriebsphasen in einem Clapeyron-Diagramm dargestellt, wie es in Fig. 1A und 1B gezeigt ist, die Gleichgewichtsgeraden der verwendeten Salze aufweisen.
In Fig. 2A und 2B ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte durch Feststoff-Gas-Reaktion dargestellt. Die Vorrichtung hat vier Reaktionskammern 10, 12, 14, 16, die Reaktoren genannt werden und von einem Raum gebildet werden, der eine Mischung aus einem Salz und geblähtem, eventuell wieder verdichteten Graphit enthält. Die Vorrichtung weist außerdem einen Verdampfer 18 für das Gas sowie einen Kondensator 20 auf, die so ausgebildet sind, daß sie mit ihrer Umgebung Wärme austauschen können.
Die Reaktoren 10 und 12 sind in dem in Fig. 2A dargestellten Beispiel mit dem Kondensator 20 über Leitungen 22 und 24 verbunden, die mit einem Ventil 26 versehen sind, damit sie selektiv den Übergang von Gas zwischen den Reaktoren 10, 12 und dem Kondensator 20 erlauben können. Auf analoge Weise sind die Reaktoren 14 und 16 mit dem Verdampfer 18 über Leitungen 30 und 32 verbunden, die mit einem Ventil 34 versehen sind, damit sie selektiv den übergang von Gas zwischen den Reaktoren 14, 16 und dem Verdampfer 18 erlauben können.
Zu einem gegebenen Zeitpunkt des Reaktionszyklus haben die Reaktoren 10, 12, 14, 16 die im Diagramm von Fig. 1A dargestellten Temperaturen und Drücke. Wie sich aus dem Diagramm ergibt, hat der Reaktor 10 eine höhere Temperatur als der Reaktor 12, und der Reaktor 14 hat eine niedrigere Temperatur als der Reaktor 16.
Anstatt daß Wärme von einem ersten Reaktor mit hoher Temperatur und einem niedrigen Druckniveau auf einen zweiten Reaktor mit niedriger Temperatur und höherem Druckniveau übertragen wird, findet die Wärmeübertragung zwischen zwei Reaktoren statt, die das gleiche Druckniveau haben.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist jeder der Reaktoren 10, 12, 14, 16 mit einem zugeordneten Wärmeaustauscher 38, 40, 42 und 44 versehen, wobei diese Austauscher miteinander über eine Leitung 46 zur Bildung eines Wärmeträgerkreislaufs 45 verbunden sind. Eine Kühleinrichtung 48 ist in der Leitung 46 zwischen den Reaktoren 12 und 14 angeordnet, und eine Heizeinrichtung, beispielsweise ein Brenner 50, ist in der Leitung 46 zwischen den Reaktoren 16 und 10 angeordnet.
Wenn die Vorrichtung in Betrieb genommen wird, strömt das Gas durch die Leitungen 22, 24 und 30, 32 zwischen den Reaktoren, dem Kondensator 20 und dem Verdampfer 18, wie es in dem in Fig. 1A gezeigten Zyklus dargestellt ist. Zu einem gegebenen Zeitpunkt des Zyklus haben die Reaktoren 10, 12, 14 und 16 die in Fig. 1 dargestellten Temperaturen und Drücke, wobei die Reaktoren 10 und 12 einen hohen Druck und die Reaktoren 14 und 16 einen niedrigeren Druck haben. Der Wärmeträgerkreislauf 45 wird in Betrieb genommen, indem das Wärmeträgerfluid durch die Wirkung einer Pumpe (nicht gezeigt) in Richtung der Pfeile 52 zirkuliert.
Vom Reaktor 10 kommende Wärme mit einer Temperatur T&sub1; wird dem Reaktor 12 zugeführt, der eine niedrigere Temperatur T&sub2; hat. Das Wärmeträgerfluid, das nach seinem Durchgang durch den Reaktor 12 abgekühlt ist, wird anschließend von der Kühleinrichtung 48 noch weiter abgekühlt und tritt aus letzterer mit einer Temperatur T&sub3; aus. Das abgekühlte Wärmeträgerfluid strömt anschließend durch den Reaktor 14 und dann durch den Reaktor 16, der eine Temperatur T&sub4; hat, bevor es durch den Brenner 50 strömt, um wieder auf das Ausgangstemperaturniveau T&sub1; gebracht zu werden.
Die Reaktion zwischen den in den Reaktoren verwendeten Salzen und dem Gas, das beispielsweise Ammoniak ist, ist umkehrbar, wobei die Reaktionen in den beiden Richtungen zusammen einen Zyklus bilden. Zur Beendigung eines Zyklus werden die Reaktoren 10 und 12 über Leitungen 52 und 54 mit dem Verdampfer 18 verbunden, und die Reaktoren 14 und 16 werden über Leitungen 56 und 58, wie in Fig. 2B dargestellt, mit dem Kondensator 20 verbunden. Am Ende der Reaktion befinden sich die Reaktoren 10 und 12 und die Reaktoren 14 und 16 in umgekehrten Positionen zu den in Fig. 1A dargestellten. Anschließend wird der Wärmeträgerkreislauf in umgekehrter Richtung in Gang gesetzt, wie es durch die Pfeile 60 in Fig. 1B dargestellt ist. Die durch den Durchgang des Wärmeträgerfluids hervorgerufene Wärmeübertragungswirkung ist analog zu der vorstehend beschriebenen.
In Fig. 4A und 4B ist eine zweite Bauweise der Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte oder Wärme durch Feststoff-Gas-Reaktion gezeigt. Diese Vorrichtung unterscheidet sich von der in Fig. 2 gezeigten dadurch, daß der Kondensator 20 und der Verdampfer 18 durch Reaktoren ersetzt wurden. Folglich weist die Vorrichtung sechs Reaktoren 80, 82, 84, 86, 88 und 90 auf, von denen vier, und zwar 82, 84, 88 und 90, über einen Wärmeträgerkreislauf 96 mit einem Brenner 92 und einer Kühleinrichtung 94 verbunden sind.
Zu einem gegebenen Zeitpunkt des Reaktionszyklus haben die Reaktoren die in Fig. 3A dargestellten Temperaturen und Drükke. Die Reaktoren 80, 82 und 84 befinden sich auf dem gleichen Druckniveau, haben aber verschiedene Temperaturen. Die Reaktoren 86, 88 und 90 befinden sich auf einem gleichen, niedrigeren Druckniveau, haben aber ebenfalls verschiedene Temperaturen. Anschließend wird der Wärmeträgerkreislauf 96 in Gang gesetzt, wobei das Wärmeträgerfluid in Richtung der Pfeile 98 zirkuliert. Wie es auch bei der Vorrichtung von Fig. 2 der Fall war, überträgt das Wärmeträgerfluid die Wärme nacheinander zwischen den Reaktoren 84 und 82, die sich auf dem höheren Druckniveau befinden, wobei die Reaktoren zugeordnete Temperaturen T&sub1; und T&sub2; haben. Das Wärmeträgerfluid strömt anschließend durch die Kühleinrichtung 94, um auf die Temperatur T&sub3; reduziert zu werden, bevor es nacheinander durch die Reaktoren 88 und 90 strömt, wobei sich die Fluidtemperatur bei diesem übergang von T&sub3; auf T&sub4; erhöht. Wie im Beispiel von Fig. 1 wird das Wärmeträgerfluid anschließend im Brenner 92 wieder auf eine Temperatur T&sub1; erhitzt.
Analog zur Vorrichtung von Fig. 1B erfolgt die Reaktion anschließend in umgekehrter Richtung, und die Reaktoren haben zu einem gegebenen Zeitpunkt des Zyklus die in Fig. 3B angegebenen Temperaturen und Drücke. Wie in Fig. 3B und 4B dargestellt ist, zirkuliert das Wärmeträgerfluid in entgegengesetzter Richtung, wie es durch die Pfeile 100 angezeigt ist.
So gewährleistet auf jeder Stufe des Reaktionszyklus ein Wärmeträgerkreislauf den Wärmeübergang zwischen den Reaktoren, die sich auf einem gleichen hohen Druckniveau befinden, wobei die Wärme von einem Reaktor mit einer gegebenen Temperatur zu einem Reaktor mit einer niedrigeren Temperatur übergeht. Was die Reaktoren betrifft, die sich auf einem gleichen, niedrigeren Druckniveau befinden, so wird das Wärmeträgerfluid bei seinem Durchgang durch die aufeinanderfolgenden Reaktoren wieder erwärmt, wobei das Wärmeträgerfluid von einem Reaktor mit gegebener Temperatur zu einem Reaktor mit höherer Temperatur strömt.
Die Vorrichtungen von Fig. 1 bis 4 umfassen je einen Wärmeträgerkreislauf, der Wärme von einem ersten Reaktor auf einen zweiten übertragen soll. In Fig. 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, bei der die Wärme von einem Reaktor zu einem anderen der gleichen Serie nur durch Leitung übergeht, das heißt, ohne daß auf einen Wärmeträgerkreislauf zwischen den Reaktoren zurückgegriffen wird.
In diesem Beispiel ist ein zylindrischer Reaktor 112 im Inneren eines ersten ringförmigen Reaktors 114 angeordnet, der selbst im Inneren eines zweiten ringförmigen Reaktors 116 angeordnet ist, wobei die drei Reaktoren so ausgebildet sind, daß eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen ihnen gewährleistet ist. Ein Wärmeaustauscher 118, der mit einem schematisch bei 120 dargestellten Wärmeträgerkreislauf verbunden ist, ist im Inneren des zylindrischen Reaktors 112 angeordnet. Diese Einheit der drei Reaktoren 112, 114 und 116 ist im gezeigten Beispiel mit einer zweiten analogen Einheit verbunden, die aus drei Reaktoren 122, 124 und 126 besteht. Das Wärmeträgerfluid strömt nach seinem Durchgang durch den Wärmeaustauscher 118 durch einen anderen Wärmeaustauscher 128, der in thermischer Verbindung mit dem Reaktor 116 steht. Das Fluid strömt anschließend durch eine Kühleinrichtung 130, einen in thermischer Verbindung mit dem Reaktor 126 stehenden Wärmeaustauscher 132, einen Austauscher 134, der im Inneren des Reaktors 122 angeordnet ist, und einen Brenner 136, bevor es durch den Austauscher 118 zurückströmt. Die Funktionsweise dieser Vorrichtungsart ist analog zu der der Vorrichtung von Fig. 3 und 4.
Die Leistung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch chemische Feststoff-Gas-Reaktion kann bewertet werden, indem man den wirtschaftlichen Begriff des Leistungskoeffizienten (Lk) heranzieht.
Als Beispiel wird der Lk einer Vorrichtung, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist, berechnet.
In diesem Beispiel enthalten die Reaktoren 12 und 14 je CaCl&sub2;, das mit 4 Mol Ammoniak reagiert, also CaCl&sub2;.8NH&sub3; zu 4NH&sub3;, wobei die Reaktoren 10 und 16 je NiCl&sub2; enthalten, das mit 4 Mol Ammoniak reagiert, also NiCl&sub2;.6NH&sub3; zu 2NH&sub3;.
Die Temperatur des aus dem Brenner 50 austretenden Wärmeträgerfluids beträgt 285ºC, die Temperatur T&sub3; beträgt 35ºC und die Temperatur beim Austritt aus dem Verdampfer beträgt 5ºC.
Der durch das Verhältnis der erzeugten kalten Energien zur Energie mit hoher Temperatur definierte Lk beträgt 1,07, wenn die Erwärmung oder Abkühlung des Wärmeträgerfluids in einem Reaktor bei der Absorption oder Desorption des Gases 80% der maximal möglichen Erhöhung oder der maximal möglichen Verringerung entspricht. Das entspricht der Abweichung zwischen der Eintrittstemperatur des Wärmeträgerfluids und der Gleichgewichtstemperatur des Reagenzes bei dem betrachteten Druck.
Wenn bei der gleichen Vorrichtung der Kondensator durch einen Reaktor 80 ersetzt wird, der BaCl&sub2; (8-ONH&sub3;) enthält und der Verdampfer durch einen Reaktor 86 ersetzt wird, der das gleiche Salz enthält, ist der Lk 1,60.
Bei jeder Ausführungsform wird Wärme zwischen Reaktoren übertragen, die sich zu einem Zeitpunkt des Zyklus auf einem gleichen gegebenen Druckniveau befinden. Diese Wärmeübertragung kann durch ein Wärmeträgerfluid oder durch einfache Leitung erfolgen. Die Reaktoren, die sich auf dem gleichen Druckniveau befinden, können mit einem zugeordneten Wärmeträgerkreislauf oder mit einem Kreislauf verbunden sein, der allen Reaktoren der Vorrichtung gemeinsam ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zwei Reaktoreinheiten auf, wobei jede Einheit aus mehreren Reaktoren gebildet wird und mit einem Kondensator oder einem Verdampfer verbunden werden soll. Alternativ können der Kondensator und der Verdampfer je durch einen zugeordneten Reaktor ersetzt werden, der das Gas aufnehmen oder freisetzen soll.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Kälte und/oder Wärme durch chemische Reaktion

- mit wenigstens vier Reaktoren, die jeweils ein Salz, das mit einem Gas chemisch reagieren kann, einen zur Aufnahme des Gases der Reaktoren vorgesehenen Raum und einen Raum aufweisen, der dazu vorgesehen ist, den Reaktoren das Gas zuzuführen,

- wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß bei der chemischen Reaktion zwei Reaktoren ein gleiches, höheres Druckniveau haben und eine erste Einheit bilden, und zwei Reaktoren ein gleiches, niedrigeres Druckniveau haben und eine zweite Einheit bilden,

- wobei die Vorrichtung weiterhin einen geschlossenen Wärmeträgerfluidkreislauf aufweist, der zur Wärmeübertragung zwischen den beiden Einheiten dient, und

- wobei dieser Kreislauf weiterhin eine Kühleinrichtung und eine Heizeinrichtung für das Wärmeträgerfluid hat, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Reaktoren, die ein gleiches Druckniveau haben, konzentrisch angeordnet sind, damit der Wärmeübergang zwischen den benachbarten Reaktoren ausschließlich durch Leitung erfolgen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme des Gases vorgesehene Raum einen Kondensator und der zur Zuführung des Gases vorgesehene Raum einen Verdampfer aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Aufnahme des Gases vorgesehene Raum und der zur Zuführung des Gases vorgesehene Raum jeweils einen Reaktor aufweisen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einheit drei Reaktoren umfaßt.