DE69923792T2

DE69923792T2 - Chemische wärmepumpe

Info

Publication number: DE69923792T2
Application number: DE69923792T
Authority: DE
Inventors: Staffan Jonsson; Ray Olsson; Mona Karebring-Olsson
Original assignee: ClimateWell AB
Current assignee: ClimateWell AB
Priority date: 1998-12-18
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2019-12-21
Also published as: KR20010101303A; EP1149263B1; ID29863A; IL143724A; ES2238869T3; ATE289404T1; SE9804444D0; AU761482B2; KR100689374B1; JP2002533648A; WO2000037864A1; JP4326155B2; EP1149263A1; PT1149263E; SE9804444L; WO2000037864A8; AU3094400A; CN1334911A; CN1171051C; SE515688C2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine chemische Wärmepumpe.
HINTERGRUND
Das Arbeitsprinzip der chemischen Wärmepumpe ist bekannt, siehe beispielsweise die US-Patente 5,440,889, 5,056,591, 4,993,239, 4,754,805 und die veröffentlichte International Patentanmeldung WO 94/21973. Bei einer chemischen Wärmepumpe wird eine aktive Substanz, das Absorptionsmittel, verwendet, das den eigentlichen Prozess in der Wärmepumpe durchführt und mit einem flüchtigen Medium, dem Absorbat oder Sorbat, zusammenwirkt, welches normalerweise eine bipolare Flüssigkeit und in den meisten Fällen Wasser ist. Als aktive Arbeitssubstanz kann bei der bekannten Technik entweder eine feste Substanz oder eine flüssige Substanz verwendet werden. Eine feste Substanz bietet den Vorteil, dass der Dampfdruck während des gesamten Entladeprozesses zum Erreichen einer konstanten Kühltemperatur und einer relativ großen Wärmespeicherkapazität konstant bleibt. Ein typischer Wert der Speicherkapazität für eine feste Substanz mit Wasser als Sorbat, die als Kühlenergie gezählt wird, beträgt ungefähr 0,3 kWh/l Substanz. Ein weiterer Vorteil, den eine feste Substanz bietet, liegt darin, dass keine bewegbaren Komponenten in dem System erforderlich sind. Wärme wird von der Substanz weg durch einen Lamellen-Wärmetauscher oder einen Platten-Wärmetauscher in homogenem Kontakt mit der Substanz übertragen oder geleitet. Der Nachteil einer festen Substanz besteht in der begrenzten Energieleistung, die aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit fester Substanzen erhalten wird. Bei Systemen, deren Ladezeit bei Aufladung bei Tag durch Sonnenenergie beispiels weise sechs Stunden entspricht und deren Entladezeit einem Zeitraum von zwölf Stunden Abkühlung beispielsweise eines Gebäudes beträgt, stellt dies kein großes Problem dar. Ein Nachteil liegt jedoch darin, dass für eine kontinuierliche Abkühlung während des Tages und der Nacht und auf der Basis von Sonnenenergie zwei parallel arbeitende Anlagen erforderlich sind.
Eine flüssige Substanz bietet den Vorteil einer hohen Energieleistung, da die Substanz sowohl beim Laden als auch beim Entladen über den Wärmetauscher verteilt werden kann, wodurch diese auf effiziente Weise gekühlt bzw. erwärmt werden kann. Der Nachteil einer flüssigen Substanz liegt darin, dass die Kühlkapazität in Abhängigkeit von der Verdünnung des Sorbats abnimmt. Dadurch wird der Arbeitszeitraum, in dem die Substanz verwendet werden kann, stark begrenzt, was wiederum die Speicherkapazität verringert, die wie oben als Kühlenergie pro Liter Substanz gezählt wird. Die meisten in chemischen Wärmepumpen verwendeten flüssigen Substanzen oder Absorptionsmittel weisen Lösungen aus vorzugsweise in Wasser gelösten stark hygroskopischen anorganischen Salzen auf, die zusammen mit Wasser als flüchtige Flüssigkeit, nämlich Sorbat, verwendet werden. Eine weitere Einschränkung besteht in der Tatsache, dass die gelöste Substanz nicht kristallisieren darf. Kristallisation verursacht Probleme mit Sprühdüsen und Pumpen. Somit ist die Verwendung einer flüssigen Substanz auf das Konvertieren von Wärmeenergie in Kühlenergie ohne Wärmespeicherung beschränkt, und Systeme hierfür sind generell bekannt und werden verwendet. Bei einem solche Prozess kann z. B. eine Lithiumbromidlösung verwendet werden, die bei Erwärmung verdampft, um von einer verdünnten Lösung in eine konzentriertere Lösung überzugehen. Dies kann in einer chemischen Wärmepumpe bei niedrigem Druck oder Atmosphärendruck unter Verwendung von Luftströmen erfolgen. Die Menge an Arbeitssubstanz ist relativ klein, da keine "geladene" konzentrierte Lösung gespeichert wird. Die heiße konzentrierte Lösung wird dann gekühlt, und dann wird wieder bewirkt, dass diese das Sobat absorbiert, welches aus einem Wärmetauscher verdampft ist, dessen Wärme beispielsweise den zu kühlenden Räumen entzogen worden ist. Nachteile dieses bekannten Systems kön nen darin liegen, dass die heiße konzentrierte Lösung kontinuierlich gekühlt werden muss, was praktisch zu Energieverlusten führen kann, und dass zu Zeiten, zu denen kein Wärme zugeführt wird, keine Kühlung erfolgen kann. Somit kann ein solches System nachts keine Klimatisierung durchführen.
Im US-Patent 925,039 ist ein Kühlprozess gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben. Ammoniak ist in einem Absorber-/Generatortank von einem festen Salz, nämlich einem Thiocyanat von Ammoniak oder einem Alkalimetall, absorbiert, um eine Lösung zu bilden, wobei der Tank von einen Wärmetauscher durchströmendem Kühlwasser gekühlt wird. Bei der Absorption ist das Lösen von Ammoniak ein endothermer Prozess, bei dem Energie benötigt oder verbraucht wird und bei dem die gesamte latente Wärme der Verdampfung/Kondensierung des Ammoniakgases verwendet wird. Dadurch verringert sich die beim Absorptionsprozess benötigte externe Kühlleistung im Vergleich zu Prozessen, bei denen durch das Lösen Energie freigesetzt wird, wobei letzterer Fall von Vorteil ist, wenn der Prozess auch für die Wärmeerzeugung vorgesehen ist. Die Lösung wird dann durch Leiten von Heißwasser durch den Wärmetauscher erwärmt. Das Ammoniak wird aus der Lösung freigesetzt, durchströmt einen weiteren Wärmetauscher, um gekühlt zu werden, und kondensiert in einem Aufnahmetank. Nach der Kondensierung des größten Teils des Ammoniaks werden Ventile geöffnet, damit sich das Ammoniak ausdehnen und einen dritten Wärmetauscher oder Kühlelement durchströmen kann, dem bei der Ausdehnung des Ammoniakgases Wärme entzogen wird. Das ausgedehnte Gas strömt dann zu dem Absorber-/Generatortank, um einen neuen Zyklus zu starten.
ZUSAMMENFASSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine chemische Wärmepumpe bereitzustellen, die mit Sonnenenergie betrieben werden kann.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine chemische Wärmepumpe bereitzustellen, bei der Vorteile eines Festsubstanzsystems mit Vorteilen eines Flüssigsubstanzsystems kombiniert sind.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine chemische Wärmepumpe bereitzustellen, bei der ein effizienter Wärmeaustausch zwischen einer Flüssigkeitsphase und einem Wärmetauscher erreicht wird.
Bei einem System, bei dem eine feste Substanz verwendet wird, die auch nach der Absorption der flüchtigen Flüssigkeit in einem festen Zustand bleibt, wird ein konstanter Reaktionsdruck der flüchtigen Flüssigkeit zum Erreichen einer konstanten Temperatur der Substanz beibehalten, wenn diese Dampf der flüchtigen Flüssigkeit absorbiert. Der Reaktionsdruck bleibt konstant, bis die gesamte Substanz von der ersten Feststoffphase in die zweite Feststoffphase übergegangen ist. Bei einem System gemäß dem genannten US-Patent, bei dem eine Substanz derart ausgewählt ist, dass, wenn bei dem Entladeprozess Dampf von der Substanz absorbiert wird, die erste Phase die Feststoffphase ist und die zweite Phase die Flüssigkeitsphase, nämlich eine Lösungsphase ist, wird auf ähnliche Weise ein konstanter Reaktionsdruck des Sorbats zum Erreichen einer konstanten Reaktionstemperatur aufrechterhalten. Die Substanz wird dann sukzessive von einem festen Zustand in einen flüssigen Zustand konvertiert. Der Prozess wird bei einem konstanten Reaktionsdruck fortgesetzt, bis die gesamte Substanz in einen flüssigen Zustand übergegangen ist. Auf die gleiche Weise ist der Reaktionsdruck in dem letzten Teil des Ladeprozesses zum Erreichen einer konstanten Temperatur konstant, wenn die Substanz von einem flüssigen in einen festen Zustand konvertiert wird und Dampf aus der Lösung freigesetzt wird. In dem ersten Teil des Ladeprozesses wird die Lösungsphase nur erwärmt und wird kein Dampf freigesetzt. Somit können bei einer solchen Wärmepumpe mit einem Phasenübergang zwischen festen und flüssigen Zuständen Vorteile eines Festsubstanzsystems mit Vorteilen eines Flüssigsubstanzsystems kombiniert werden.
Beim Entladen der Substanz, d. h. wenn diese die flüchtige Flüssigkeit absorbiert, wird bewirkt, dass sich die Substanz immer weiter zu einer leicht verdünnten Lösung der Substanz in der flüchtigen Flüssigkeit auflöst, die in ihrem dampfförmigen Zustand um die feste und die flüssige Phase vorhanden ist. Somit wird bewirkt, dass die erzeugte Lösung über und durch die verbleibende feste Substanz tröpfelt und dann ein Filter oder Netz durchläuft, um von der festen Substanz abgeschieden zu werden. Die Lösung, die jetzt zu einer gesättigten Lösung wird, setzt dann Wärme, die sowohl bei der Kondensierung des Dampfes als auch bei der Lösung des Dampfes in der Substanz erzeugt wird, für einen Wärmetauscher frei, der z. B. durch Außenluft gekühlt wird. Dies kann durch Vorsehen einer Pumpe erfolgen, die bewirkt, dass die Lösung einen Wärmetauscher überströmt. Die Lösung wird dann auf einer die Fläche vergrößernden Einrichtung aufgetragen oder verteilt, um wieder an der Absorption von Dampf teilzunehmen. Die die Fläche vergrößernde Einrichtung kann Kugeln, Stäbe, Netze und Fasern aus einem geeigneten Material aufweisen. Der Wärmetauscher und die die Fläche vergrößernde Einrichtung können in einer Einheit kombiniert sein.
Somit wird bei dem Prozess ein Drei-Phasen-System verwendet, bei dem Dampf, eine feste aktive Substanz und die gesättigte Lösung der aktiven Substanz gleichzeitig anwesend sind. Beim Entladeschritt sind diese drei Komponenten die ganze Zeit anwesend. Dadurch wird zum Erreichen einer konstanten Temperatur ein konstanter Dampfdruck aufrechterhalten. Somit befindet sich zu Beginn des Prozesses der größte Teil der Substanz in einem festen Zustand. Ein kleinerer Teil befindet sich in der gesättigten Lösung der Substanz. Beim Entladeprozess verändert sich die Proportion zwischen der Menge an fester Substanz und der Menge an Lösung derart, dass sich am Ende des Prozesses der größte Teil der Substanz in der gesättigten Lösung befindet. Solange ein einzelner Kristall der festen Substanz in dem Reaktor verbleibt, ist die Drei-Phasen-Regelung erfüllt, wodurch der Dampfdruck zum Erreichen einer konstanten Temperatur konstant ist. Ferner ist die Anlage so ausgeführt, dass die feste Substanz und die gesättigte Lösung voneinander getrennt werden, bevor sie die Pumpe durchlaufen und bevor sie die Wärmetauscherstufe durchlaufen. Somit erfolgt der Wärmeaustausch vollständig in der Flüssigkeitsphase, wodurch der Wärmeaustausch effizient gestaltet wird. Es erfolgt kein Schmelzen der Substanz. Die Effizienz des Prozesses wird von der Kapazität des Wärmetauschers und der Reaktion zwischen der gesättigten Lösung und dem Dampf bestimmt, welche wiederum von der Größe des freiliegenden Bereichs der gesättigten Lösung und den Druckabfällen in dem System abhängt.
Beim Ladeprozess muss entsprechend das Drei-Phasen-System betrachtet werden. Sowohl Dampf, feste Substanz als auch gesättigte Lösung können gleichzeitig anwesend sein. Das Laden beinhaltet, dass die Proportion von fester Substanz und gesättigter Lösung in Richtung einer eher festen Substanz verändert wird. Wenn alle drei Komponenten oder Phasen gleichzeitig anwesend sind, ist wie beim Entlanden der Dampfdruck konstant, vorausgesetzt, dass die Temperatur konstant ist. Die gesättigte Lösung und Partikel der festen Substanz werden mittels des Netzes oder Filters voneinander getrennt, und der Wärmeaustausch erfolgt in der Lösungsphase. Die Lösung wird über einen großen Bereich verteilt, um Dampf der flüchtigen Flüssigkeit freizusetzen.
Somit ist der Prozess beim Laden vollständig reversibel, und es wird der gleiche grundlegende Aufbau verwendet wie beim Entladen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass beim Ladeprozess aufgrund der höheren Temperatur die Substanz, die zu Beginn des Ladens fast vollständig in der Lösungsphase vorliegt, bei einem Teil des Ladeprozesses in der Lösungsphase bleibt, da die Löslichkeit der Substanzen mit der Temperatur steigt, und dann das System nur zwei Phasen aufweist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt des Ladeprozesses beginnen Teile der Lösung, in eine feste Substanz zu konvertieren, und dann weist das System wieder drei Phasen auf. Die unterschiedliche Löslichkeit bei unterschiedlichen Temperaturen bedeutet, dass gewissermaßen ein kleiner Anstieg auf der Temperaturskala erfolgt, der offensichtlich erforderlich ist, um den Dampfdruck derart zu erhöhen, dass er höher ist als in dem Kondensator.
Durch das Bewirken, dass die gesättigte Lösung allmählich kristallisiert, wodurch ein konstanter Dampfdruck bei einer vorgegebenen Temperatur erreicht wird, wird der Ladeprozess vereinfacht, da es dann nicht länger erforderlich ist, die Reaktionstemperatur nach Beginn einer Kristallisierung zu erhöhen. Stattdessen würde, wenn die Substanz wie bei einem normalen Absorptions-Kühlprozess im flüssigen Zustand bliebe, die sich schließlich einstellende Ladetemperatur bei typischen Salz/Wassersystemen über 130 °C betragen, während, wie es hier der Fall ist, diese gut unter 100 °C gehalten werden kann, häufig im Bereich von 70–85 °C.
Bei herkömmlichen Absorptions-Kühlsystemen, bei denen beispielsweise eine Lösung aus LiBr verwendet werden kann, muss eine Kristallisierung aus prozesstechnischen Gründen vermieden werden. Bei solchen Prozessen kann die flüchtige Flüssigkeit – Wasser – in der Lösung nur freigesetzt werden, wenn die Temperatur auf gut über 100 °C steigen darf. Dies ist das grundlegende Problem, das bei einer Kühlung mit solarbetriebenen Kühlanlagen unter Anwendung von Absorptionsprozessen auftritt. Zur Lösung dieses Problems muss es möglich sein, dass bei dem Temperaturerhöhungs-Schritt der Wasserdampf frei abgegeben werden kann, wobei Kristalle der festen Substanz – Hydrat – verbleiben. Wenn dies geschieht, d. h. wenn eine Kristallbildung beginnt, erfolgt der Eintritt in den Drei-Phasen-Zustand. Die Temperatur bleibt dann konstant und auf einem beträchtlich niedrigeren Wert als bei einen entsprechenden Absorptions-Kühlprozess, bei dem eine nicht kristallisierende Lösung (ein Flüssigsubstanzsystem) verwendet wird. Bei dieser beträchtlich niedrigeren Temperatur ist das Laden unter Verwendung von Sonnenenergie viel günstiger und kann ohne teuere Sonnenkollektoren mit sich konzentrierendem Vakuum erfolgen. Ferner bietet die feste Substanz – das hydratisierte Salz –, die einen Puffer darstellt, der zur Wärmespeicherung verwendet werden kann, einen Vorteil.
Auf im wesentlichen gleiche Weise ist es möglich, gleichzeitig mit dem Ladeprozess die gesättigte Lösung in dem System für einen Absorptions-Kühlprozess zu verwenden, d. h. die Kühlung kann zur Tageszeit durchgeführt werden, während beim Laden feste Substanzen akkumuliert werden, die für künftigen Bedarf, d. h. wenn die Sonne nicht scheint, vorgesehen sind.
Generell muss die aktive Substanz die folgende Eigenschaft aufweisen: sie sollte sich bei einer ersten niedrigeren Temperatur im festen Zustand befinden, aus dem sie bei Absorbierung der flüchtigen Flüssigkeit und in den meisten Fällen der Dampfphase der Flüssigkeit teilweise direkt in eine Flüssigkeitsphase oder eine Lösungsphase übergeht, und sich bei einer zweiten höheren Temperatur in einem flüssigen Zustand oder in einer Lösungsphase befinden, aus der sie bei Abgabe der flüchtigen Flüssigkeit, die dann in Dampf übergeht, teilweise direkt in einen festen Zustand übergeht. Bevorzugte aktive Substanzen, die mit Wasserdampf zusammenwirken, umfassen typischerweise verschiedene Metallsalze, die im festen Zustand Kristallwasser enthalten. Unter diesen kann vorzugsweise Magnesiumchlorid genannt werden, Magnesiumbromid und Lithiumchlorid und einige andere Salze können jedoch auch geeignet sein.
Der Dampfdruck der flüchtigen Flüssigkeit sollte vorzugsweise so niedrig sein (was äquivalent ist zu der Bedingung, dass die nachstehend definierte Größe ΔT so groß sein sollte), dass eine ausreichend niedrige Kühltemperatur erreicht wird. Ferner sollte der Energiegehalt bei der Reaktion der festen Substanz und des Dampfes ausreichend hoch sein, um für die vorgesehene Anwendungen geeignet zu sein, d. h. die feste Substanz sollte eine ausreichende Menge an Wasser pro Endvolumen der Lösung absorbieren.
Eine feste Substanz, die eine Mischung aus Salzen ist, kann ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt, dass sie die oben beschriebenen Anforderungen erfüllt. Ein Beispiel für eine solche Mischung ist das Dihydrat von Calciumchlo rid, gemischt mit einem kleineren Anteil von ungefähr 10 % (Gewicht) Lithiumchlorid.
Zum Erzielen eines kontinuierlichen Arbeitens der Wärmepumpe können die verschiedenen Prozessschritte in getrennten Räumen durchgeführt werden. Somit kann ein erster Raum nur zum Laden einer Substanz, d. h. zum Erwärmen einer Lösungsphase der Substanz zum Erzeugen einer festen Substanz und/oder einer gesättigten Lösung, benutzt werden, kann ein zweiter Raum nur zum Kondensieren des Dampfes benutzt werden, kann ein dritter Raum nur zum Entladen, d. h. zum Bewirken, dass eine gesättigte Lösung und eine feste Substanz Dampf absorbieren, benutzt werden, und kann ein vierter Raum nur für die Verdampfung benutzt werden. Gasleitungen werden derart gelegt, dass sich der Dampf frei zwischen dem ersten und dem zweiten Raum und zwischen dem dritten und dem vierten Raum bewegen kann. Leitungen und Pumpen sind zum Leiten von Lösung und flüchtiger Flüssigkeit zwischen dem ersten und dem zweiten Raum bzw. zwischen den zweiten und dem vierten Raum vorgesehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsformen, die nicht als Einschränkungen angesehen werden dürfen, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer chemischen Wärmepumpe,
2 eine schematische Draufsicht der Absorptionsseite einer chemischen Wärmepumpe,
3 ein Diagramm einer charakteristischen Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von der Temperatur einer gesättigten Lösung aus LiCl in Wasser,
4 ein logarithmisches Diagramm, das in einer unteren Kurve den Dampfdruck in Abhängigkeit von der Temperatur der gleichen Lösung wie in 3 zeigt und in einer oberen Kurve den Dampfdruck von Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt,
5 ein Reaktionsdiagramm der charakteristischen Temperaturdifferenz in Abhängigkeit von der Temperatur eines Reaktionssystems mit LiCl, dem Monohydrat von LiCl und Wasser,
6 eine schematische Draufsicht einer weiteren Ausführungsform der Absorptionsseite einer chemischen Wärmepumpe,
7 eine schematische Darstellung einer Anlage mit einem thermochemischen Akkumulator, und
8 eine schematische Darstellung des in 7 gezeigten thermochemischen Akkumulators.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 zeigt schematisch eine chemische Wärmepumpe zum Kühlen oder zum Erwärmen. Die dargestellte chemische Wärmepumpe weist einen ersten Behälter 1 oder Akkumulator auf, der auch als Absorber/Generator bezeichnet wird und eine Substanz 2, das Absorptionsmittel, enthält, mit dem ein Sorbat, normalerweise Wasser, exotherm absorbiert und endotherm desorbiert werden kann. Der erste Behälter 1 ist über eine feste Gasverbindungsleitungen 4 in Form eines Rohrs, das an seinen Enden mit den oberen Seiten der Behälter verbunden ist, mit einem zweiten Behälter 3 verbunden, der auch als Kondensator/Verdampfer bezeichnet wird. Der zweite Behälter 3 fungiert als Kondensator zum Kondensieren eines gasförmigen Sorbats 6 in ein flüssiges Sorbat 5, wenn die Substanz 2 in dem ersten Behälter 1 das Sorbat endotherm desorbiert, und als Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Sorbats 5 in gasförmiges Sorbat 6, wenn die Substanz 2 in dem ersten Behälter 1 das Sorbat exotherm absorbiert.
Das System, d. h. die inneren Räume in dem ersten und dem zweiten Behälter 1, 3 und die Gasleitung 4, die miteinander in Fluidverbindung stehen, ist vollständig gasdicht und frei von sämtlichen Gasen, mit Ausnahme des Gases 6, das an dem chemischen Prozess teilnimmt und bei dem es sich normalerweise um Wasserdampf handelt. Die Substanz 2 in dem Akkumulator 1 steht in direktem Kontakt mit einem ersten Wärmetauscher 7 in dem Akkumulator. Der erste Wärmetauscher kann über einen Flüssigkeitsstrom 8 Wärme aus der Umgebung aufnehmen oder Wärme an die Umgebung abgeben. Die Flüssigkeit 5 in dem Verdampfer-/Kondensatorteil 3 steht auf im wesentlichen gleiche Weise mit einem zweiten Wärmetauscher 9 in dem Verdampfer/Kondensator in Kontakt. Wärme kann über einen Flüssigkeitsstrom 10 von dem zweiten Wärmetauscher an die Umgebung oder aus der Umgebung an den Wärmetauscher abgegeben werden.
Die unterschiedlichen Komponenten des Systems können in vorteilhafter Weise in einem einzelnen Außenbehältnis angeordnet sein, wie in dem oben genannten US-Patent 5,440,899 von De Beijer et al. dargestellt, wobei die Behältnisse 1 und 3 durch Unterteilen des Behältnisses mittel Zwischenwänden gebildet werden.
Die Substanz 2 in der Wärmepumpe ist hier derart ausgewählt, dass sie bei Temperaturen, für die die Wärmepumpe ausgelegt ist, hinsichtlich eines Übergangs zwischen einem festem und einem flüssigem Zustand arbeiten kann. Die Reaktion in dem Akkumulator 1 erfolgt somit zwischen einem Fest stoffphasen-Zustand und einem Flüssigkeitsphasen-Zustand der Substanz 2. Beim Entladeprozess, bei dem das Sorbat von der Substanz absorbiert wird, ist die erste Phase die Feststoffphase und die zweite Phase die Flüssigkeitsphase, und dann wird ein konstanter Reaktionsdruck des Sorbats bei einer konstanten Temperatur aufrechterhalten. Die Substanz geht dann sukzessive von einem festen in einen flüssigen Zustand über. Der Prozess setzt sich zum Erreichen einer konstanten Temperatur bei konstantem Reaktionsdruck fort, bis die gesamte Substanz von einem festen in einen flüssigen Zustand übergegangen ist. Auf die gleiche Weise ist der Reaktionsdruck bei demjenigen Teil des Ladeprozesses konstant, bei dem die Substanz von einem flüssigen in einen festen Zustand übergeht.
2 zeigt einen Akkumulator 1, der für eine solche Substanz 2 geeignet ist, bei der ein Übergang zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand erfolgt. Die Substanz wird in ihrer festen Form 21 auf eine der Flächen eines Wärmetauschers 22 platziert, der dem in 1 gezeigten Wärmetauscher 7 entspricht. Der Wärmetauscher 22 ist als Platte ausgeführt und weist beispielsweise die Fläche vergrößernde vertikale Flansche an seiner Vorderseite auf, an der sich die feste Substanz 21 befindet. Die Rückseite des Wärmetauschers 22 steht mit einem externen Medium in Kontakt, das Wärme zuführt oder abtransportiert. Ferner ist der Wärmetauscher 22 zusammen mit der festen Form 21 der Substanz in sämtlichen Richtungen vollständig von einem engmaschigen Netz 23 umschlossen, das nur sehr kleine Partikel durchlässt und durch das Flüssigkeit und Gas frei strömen können. Eine Lösung 24, die den flüssigen Zustand der Substanz darstellt, befindet sich auf dem unteren Teil des Akkumulatorbehältnisses 1 und wird in einem freien Raum 24' unmittelbar unterhalb des Wärmetauschers 22 aufgefangen. Dieser Raum weist einen Auslass 24'' auf, der mit einer Pumpe 26 in Verbindung steht. Ein Flüssigkeitsverteilsystem 25 befindet sich in dem Netz 23 über dem Wärmetauscher 22 und ist über eine Leitung 25' mit einer Pumpe 26 verbunden, so dass die Pumpe 26 eine Lösung über den Wärmetauscher 22 verteilen kann. Das Flüssigkeitsverteilsystem kann als Sprühstange ausgeführt sein, erfordert jedoch einen ziemlich hohen Druck, und die darin ausgebildeten kleinen Löcher können von den gebildeten Kristallen leicht verstopft werden. Stattdessen kann in vorteilhafter Weise ein Drehrohr mit großen Öffnungen verwendet werden.
Der in dem Akkumulatorteil 1 ablaufende Prozess, bei dem beispielsweise das Salz MgCl₂·6H₂O als feste Substanz verwendet wird, wird nun beschrieben, und dann kann in dem "Lade"-Schritt beispielsweise Sonnenenergie verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Substanz 2 anfangs "geladen" ist und somit "entladen" wird. Sie liegt dann in ihrer Feststoffphase vor und wird bei 21 mit dem Wärmetauscher 22 in Kontakt gebracht. Die feste Form 21 der Substanz kann als Feinkristalle oder in mehr oder weniger zu einem festen Kuchen gesinterter Form vorliegen und in jedem Fall nicht durch das Netz 23 gelangen. Der Wärmetauscher 22 hat dann beispielsweise die Umgebungstemperatur, beispielsweise die Außentemperatur, von z. B. ungefähr 30 °C, und das Kondensat 5 in dem Kondensator 3 kann die gleiche Temperatur aufweisen. Wenn Wasserdampf von der festen Form 21 des Substrats absorbiert wird, entwickelt sich Wärme in dem Akkumulator 1, dessen Temperatur dann ansteigen kann, normalerweise wird jedoch die Wärme transportiert, d. h. die Substanz wird von dem in dem Wärmetauscher 22 strömenden Medium gekühlt. Energie wird für die Verdampfung in dem Verdampfer/Kondensator 3 verbraucht, dessen Temperatur abgesenkt wird und der somit durch den Wärmetauscher 9 beispielsweise zum Kühlen von Räumen in Häusern verwendet werden kann. Die feste Form 21 der Substanz wird dann teilweise in Lösung 24 transformiert, die von dem Wärmetauscher 22 weg und aus dem umgebenden Netzkorb ausströmt. Die Lösung 24 wird in dem freien Raum 24' unter dem Wärmetauscher 22 aufgefangen, und aus diesem Raum wird sie von der Pumpe 26 durch den Auslass 24'' zu dem Verteilsystem 25 an der oberen Seite des Wärmetauschers 22 transportiert, wo sie über die Wärmetauscherfläche verteilt wird. Die Lösung 24 tröpfelt dann durch die feste Form 21 der Substanz und ist somit immer gesättigt, wenn sie den unteren Teil des Akkumulators erreicht und wenn sie dann von der Verteilstange 25 über den oberen Teil des Wärmetauschers 22 verteilt wird. Der obere Teil des Wärmetauschers 22 wird bald von der festen Substanz 21 befreit, wonach eine gute Wärmeübertragung und dadurch eine hohe Effizienz des Absorptionsprozesses erreicht werden können. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis im wesentlichen die gesamte feste Form 21 in die Lösung 24 konvertiert ist.
Beim "Laden" der Substanz 2 wird angenommen, dass im Anfangszustand diese als Lösung 24 vorliegt. Der Wärmetauscher 22 in dem Akkumulator 1 wird z. B. durch Sonnenergie auf eine geeignete Temperatur von beispielsweise mindestens 50 °C erwärmt, siehe nachstehende Beschreibung, während der Verdampfer/Kondensator auf Umgebungstemperatur gehalten wird, z. B. Innen- oder Außentemperatur, d. h. meistens bei ungefähr 30 °C. Die Lösung 24 wird von da an um den jetzt freien Wärmetauscher 22 gepumpt und über diesen verteilt. Wenn die Lösung 24 in Kontakt mit dem Wärmetauscher erwärmt wird, wird das Sorbat an den Kondensator 3 freigegeben und wird die Lösung 24 konzentriert. Die Löslichkeit der Substanz 2 ist bei hohen Temperaturen jedoch wesentlich höher als bei niedrigen Temperaturen und kann somit beim Laden bei hoher Konzentration in die Lösungsphase getrieben werden.
Die Kristallisation, d. h. die Konversion der Substanz in ihren festen Zustand, erfolgt dann spontan in der Lösung 24, und es bilden sich Feinkristalle, die wachsen, bis sie nicht mehr durch das Netz 23 gelangen können, wonach sie am Bodenteil des Wärmetauschers 22 aufgefangen werden. Zum Erreichen einer höchsten gewünschten Konzentration, wenn das System zum erneuten Entladen und Verwenden zu Kühlzwecken bereit ist, wird die Pumpe 26 gestoppt und reversiert, so dass die übrige Lösung 24 in dem Raum 24' in den Raum um den Wärmetauscher 22 gedrückt wird. Gleichzeitig wird der Wärmetauscher 22 beispielsweise auf Umgebungstemperatur gekühlt, z. B. Außen- oder Innentemperatur, nämlich eine Temperatur von ungefähr 30 °C, und die gesamte übrige Substanz 2 in flüssiger Form 24 kristallisiert. Das System kann jetzt beim Entladeschritt zum Kühlen von Räumen verwendet werden, vorausgesetzt, dass der Wärmetauscher 9 in dem Verdampfer/Kondensator 3 in einem Raum in einem Haus oder einer Wohnung angeordnet ist.
Die Wände des Wärmetauschers 22 können vorteilhafterweise zum Beispiel mit Teflon behandelt sein, um einem übermäßig großen Kristallaufbau an den Wänden entgegenzuwirken, so dass sich stattdessen die gebildeten Kristalle im wesentlichen frei innerhalb des Netzes 23 bewegen können. Es wird angenommen, dass der Pegel der Lösung 24 in dem Wärmetauscher 22 dann, wenn die gesamte feste Form 21 der Substanz in die Lösungsphase übergegangen ist, höchstens ungefähr 2/3 der Höhe des Wärmetauschers erreicht.
Es wird angenommen, dass der beschriebene Chemie-Reaktor für eine chemische Wärmepumpe mit einem Kondensator/Verdampfer-Teil kombiniert ist, der in dem gleichen Behälter angeordnet ist und in 2 nicht gezeigt ist. Er ist derart ausgebildet, dass er Platten-Wärmetauscher mit zylindrischer oder flacher Form aufweist und entweder mit kapillarem Ansaugmaterial an zumindest einem Teil der Wärmetauscherfläche oder einem Verteilsystem und einer Pumpe versehen ist, um eine Verteilung z. B. durch Sprühen durchzuführen und dadurch die Flächen des Wärmetauschers beim Verdampfungsprozess zu benetzen.
Eine Anlage des oben beschriebenen Typs ist vorzugsweise derart ausgeführt, dass der Reaktor unten platziert ist und der Kondensator/Verdampfer oben angeordnet ist, damit Überlauf und Spritzer der Substanz in ihrer Flüssigkeitsphase nicht so leicht auf die Kondensator/Verdampfer-Seite gelangen können. Dies kann jedoch aufgrund der starken Gasströmung trotzdem geschehen, und es besteht somit das Risiko, dass das Wasser in dem Verdampfer/Kondensator-Teil mit der Zeit eine zu hohe Konzentration der Substanz aufweist. Um dies zu verhindern, kann nach jedem Entladeprozess, wenn nur eine kleine Menge an Wasser in dem Verdampfer verbleibt, ein nicht gezeigtes Ventil auf dem unteren Teil des Verdampfers geöffnet werden, durch das diese letzten Wasserreste frei in den Reaktor hinab fließen können. Auf diese Weise wird eine Akkumulation von Substanz in dem Kondensator-/Verdampfer-Teil vermieden. Dieses mechanisch freigesetzte Wasser kann vorteilhafterweise die Reaktorpumpe durchlaufen, um diese zu reinigen. Auf die gleiche Weise ist es nach dem Entladeprozess möglich, dass Reinwasser durch dasselbe Ventil in die Pumpe zurückfließt, um konzentrierte Lösung vor dem endgültigen Kühlen des Reaktors/Akkumulators zu entfernen.
Eine etwas andere Ausgestaltung des Reaktors oder Absorbers/Generators 1 ist in 6 gezeigt. In der Ladephase fließt Heißwasser von einem nicht gezeigten Sonnenkollektor durch ein entsprechend eingestelltes Ventil 63 und eine Leitung 61 zu einer Ummantelung 64, die die Pumpe 66 und eine Leitung 66' umgibt, welche die Pumpe mit einer Seite eines externen Wärmetauschers 67 verbindet. Das Heißwasser tritt auf den anderen Seite des externen Wärmetauschers 67 ein und fließt von dort durch eine Leitung 68 zu dem Sonnenkollektor zurück. Die gesättigte Lösung fließt von der von einem Pumpenmotor 65 angetriebenen Pumpe 66 getrieben durch die eine Seite des externen Wärmetauschers 67 zu einem Verteilrohr 69, von wo aus sie über eine die Fläche vergrößernde Einrichtung 70 im oberen Teil des Raums in dem Reaktor und weiter unten über einen internen Wärmetauscher 71, der direkt unter der die Fläche vergrößernden Einrichtung angeordnet ist, jedoch nur eine kleine vertikale Erstreckung aufweist und in dieser Stufe nicht aktiv erwärmt oder gekühlt wird, verteilt wird. Im oberen Teil des Reaktors ist ein Gasfilter 72 angeordnet, und durch dieses strömt der von der gesättigten Lösung abgegebene Dampf zu einer Gasleitung 73, die mit einem Kondensator verbunden ist, der in 6 nicht gezeigt ist. Bei der Verdampfung bilden sich Kristalle, die zusammen mit der verbleibenden Lösung den internen Wärmetauscher 71 hinab und diesen entlang zu dem unteren Teil des Filters oder Netzkorbs 74 fließen, wo sie in dem Korb aufgefangen werden. Die gesättigte Lösung wird am unteren Teil des Reaktors aufgefangen, und zwar in einem Raum unter dem unteren Teil des Netzes 74.
Die die Fläche vergrößernde Einrichtung weist Teflon-Kugeln mit einem Durchmesser von 10 cm auf, die in einer Netzstruktur im oberen Teil des Reaktorraums unter dem oberen Filter 72 angeordnet sind. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Risiko, dass sich Kristalle beim Ladeprozess an unerwünschten Stellen bilden, radikal verringert, und zwar primär durch das Strömen von Heißwasser um die Pumpe und die von der Pumpe kommende Leitung. Kristalle können sich andernfalls in diesen Vorrichtungen bilden, was zu Blockierungen des Stroms gesättigter Lösung führt. Ferner können sich aufgrund der Verwendung eines geschlossenen externen Wärmetauschers 67 bei der Erwärmung des Lösungsdampfs keine Kristalle bilden, und das Risiko des Vorhandenseins von Kristallen in dem Wärmetauscher wird vermieden.
Bei der Entladestufe ist das Einlassventil 63 derart eingestellt, dass ein Kaltwasserstrom von einer Wärmeabfuhreinrichtung, wie z. B. durch Außenluft gekühltes Wasser, nur durch ein Rohr 62 direkt zu dem internen Wärmetauscher 71 fließt, somit den externen Wärmetauscher umgeht, und durch das Auslassrohr 68 zurückfließt, wobei der externe Wärmetauscher 67 beim Entladeprozess nicht aktiv erwärmt oder gekühlt wird. Die gesättigte Lösung wird durch den inaktiven externen Wärmetauscher 67 oder durch eine nicht gezeigte separate Bypass-Leitung zu dem Verteilrohr 69 und von dort die die Fläche vergrößernde Einrichtung 70 hinab gepumpt. Die Lösung absorbiert dann Dampf, wodurch Wärme erzeugt wird. Diese Wärme wird in den internen Wärmetauscher 71 transportiert, und danach durchläuft die Lösung den unteren Teil den Netzkorbs 74, wo sie durch Kontakt mit den verbliebenen Kristallen wieder gesättigt wird. Dann durchströmt sie den Korb und wird wieder zum oberen Teil gepumpt. Das Risiko, dass sich Kristalle unbeabsichtigt bilden, ist in der Entladestufe gering, da die Lösung und die Kristalle Wasser absorbieren.
Als aktive Substanz, die mit Wasser zusammenwirkt, kann ein Hydrat verwendet werden. Die Substanz sollte einen Schmelzpunkt haben, der größer ist als sämtliche bei dem Prozess auftretenden Temperaturen. Beim Absorbieren der flüchtigen Flüssigkeit, vorzugsweise des Dampfs dieser Flüssigkeit, sollte die Substanz in eine gesättigte Lösung konvertieren, deren Dampfdruck beträchtlich niedriger ist als der der flüchtigen Flüssigkeit selbst. Der Dampfdruck sollte so viel niedriger sein, dass die verwendeten Ladetemperaturen und die Soll-Kühltemperaturen die Anforderungen hinsichtlicht der speziellen Verwendung der Anlage erfüllen. Für unterschiedliche Anwendungen können unterschiedliche Substanzen erforderlich sein.
Die bei dem Prozess verwendete Substanz, die, wie oben beschrieben, beispielsweise MgCl₂·6H₂O, Magnesiumchlorid-Hexahydrat, sein kann, sollte in festem Zustand sofort beim Absorbieren des Sorbats (Wasser) teilweise in einen flüssigen Zustand übergehen. Magnesiumchlorid-Hexahydrat hat einen Schmelzpunkt von über 100 °C, geht jedoch sofort in eine Lösung, d. h. in flüssige Form, über, wenn mehr Wasser absorbiert wird. Der Gleichgewichtsdruck bei der Reaktion von Hexahydrat in eine gesättigte Lösung beträgt bei einer Temperatur von 20 °C ungefähr 4,6 mm Hg, was einer ΔT von 20 °C entspricht. ΔT ist hier die Temperaturdifferenz, die bei einem Druckgleichgewicht zwischen den drei Phasen, d. h. der festen Substanz, der gesättigten Lösung und Dampf und der flüchtigen Flüssigkeit in dem Kondensator/Verdampfer besteht. Eine geeignete ΔT für ein solarbetriebenes System mit Wasser/Wasserdampf als Sorbat liegt im Bereich von 20–40 °C. Mit der Reaktion kann somit das Sorbat in dem Verdampfer beim Entladeprozess auf ungefähr 20 °C unter der aktuellen Temperatur der Substanz gekühlt werden. Beispielsweise kann, wenn die Substanz beim Entladeprozess auf eine Außentemperatur von 30 °C gekühlt bleibt, Kühlwasser für die Raum-Kühlung bei einer Temperatur von 10 °C erzeugt werden, was für Klimatisierungssysteme sehr gut geeignet ist. Auf die gleiche Weise braucht beim Ladeprozess, wenn der Kondensator auf einer Außentemperatur von 30 °C gehalten wird, die Substanz nur auf eine Temperatur von über (30 + 20) °C = 50 °C erwärmt zu werden.
Die Speicherkapazität in kWh Kühlenergie pro Liter Substanz hängt primär von der Löslichkeit der Substanz in dem Sorbat ab. Ein Mol Magnesiumchlorid-Hexahydrat absorbiert 3,5 Mol Wasser bei 30 °C, um in Lösung zu gehen, was ungefähr 0,25 kWh Kühlenergie pro Liter fertiger Lösung entspricht. Der Energiegehalt und die Temperaturdifferenz ΔT variieren beträchtlich zwischen den Substanzen. Die entsprechende Berechnung für LiCl·H₂O, das Monohydrat von Lithiumchlorid, führt zu über 0,3 kWh/l für eine Temperaturdifferenz ΔT von 32 °C. Die Anzahl verwendbarer Substanzen ist begrenzt. Geeignet Substanzen umfassen LiCl, LiBr, LiI, MgCl₂, MgBr₂, MgI₂, CaCl₂, CaBr₂, CaI₂, SrI₂, KOH, NaOH, ZnCl₂, ZnBr₂ ZnI₂, AlCl₃, AlBr₃ und AlI₃ und von diesen können MgCl₂, MgBr₂, LiCl, CaCl₂, CaBr₂, ZnCl₂ und NaOH als besonders geeignet angesehen werden.
Ferner können Mischungen aus Salz verwendet werden. Somit bildet Calciumchlorid CaCl₂ vier Hydrate, nämlich ein Mono-, ein Di-, ein Tetra- und ein Hexahydrat. Das Hexahydrat wird direkt in eine Lösung konvertiert, wenn es Wasserdampf ausgesetzt ist. Die Energiedifferenz ΔT ist und der Energiegehalt sind jedoch zu klein. Das Hexahydrat schmilzt bereits bei ungefähr 30 °C und ist somit aufgrund des zu niedrigen Schmelzpunkts ungeeignet, da die Temperatur bei den Entladeprozessen häufig höher ist als 30 °C. Die Substanz wird normalerweise durch die Außenluft gekühlt. Das Tetrahydrat absorbiert Wasserdampf und konvertiert dann direkt in eine gesättigte Lösung, vorausgesetzt, dass die Temperatur über 30 °C liegt und dass sich keine Kristalle des Hexahydrats bilden können. Der Schmelzpunkt des Tetrahydrats liegt bei ungefähr 45 °C. Die Temperaturdifferenz ΔT und der Energiegehalt sind jedoch zu klein.
Wenn jedoch beispielsweise ungefähr 10 % (Gewicht) LiCl mit dem Dihydrat gemischt wird, sinken die Schmelzpunkte sämtlicher Hydrate. Sowohl das Hexahydrat als auch das Tetrahydrat haben dann Schmelzpunkte, die unter den hier betrachteten Entladetemperaturen liegen. Dann kann der Prozess unter Verwendung des Dihydrats (mit LiCl dotiert) als Ausgang der festen Substanz ablaufen. Das Dihydrat absorbiert dann Wasserdampf und geht in eine gesättigte Lösung über. Jetzt wird eine Energiedifferenz ΔT gleich 26 °C zum Erreichen einer Substanztemperatur von 30 °C erzielt. Der Energiegehalt, der als Kühlenergie gezählt wird, beträgt mehr als 0,3 kWh pro Liter fertiger Lösung.
Bei einer Drei-Phasen-Reaktion des Typs (feste Substanz) → (feste Substanz + Dampf) wird ein konstanter Reaktionsdruck aufrechterhalten, vorausgesetzt, dass der Prozess bei einer konstanten Temperatur abläuft. Ferner ist ΔT für unterschiedliche Temperaturen ziemlich konstant. Das bedeutet, dass der Dampfdruck der Reaktion bei unterschiedlichen Temperaturen im wesentlichen dem Verlauf der Dampfdruckkurve der flüchtigen Flüssigkeit, d. h. im bevorzugten Fall Wasser, folgt. ΔT repräsentiert die Differenz zwischen den Kurven, d. h. für den gleichen Druck über der Wasserfläche wie über der Reaktionsmischung muss die Differenz der Temperaturen im Wasser und der Reaktionsmischung ΔT betragen. Diese Bedingung ist ziemlich konstant, und zwar unabgängig von dem Temperaturniveau des Wassers und der Substanz.
Die Bedingungen bei einer Drei-Phasen-Reaktion des hier betrachteten Typs (feste Substanz) → (gesättigte Lösung + Dampf) sind etwas komplizierter. Die Phasenkomponente gesättigte Lösung ist ein variabler Parameter. Lösungen, die bei unterschiedlichen Temperaturen gesättigt werden, enthalten unterschiedliche Konzentrationen der gelösten Substanz. Dies führt dazu, dass sich ΔT bei Laden bei einer ersten konstanten Temperatur von ΔT beim Entladen bei einer zweiten konstanten Temperatur unterscheidet. Die Abweichung von ΔT zum Erreichen unterschiedlicher Temperaturen der Reaktion von LiCl·H₂O → (LiCl·H₂O + gesättigte Lösung von LiCl + Wasserdampf) ist in dem Diagramm aus 3 dargestellt. Die entsprechenden Dampfdrücke sind in einem logarithmischen Diagramm in 4 dargestellt, in dem die untere Kurve für die Reaktion und die obere Kurve für H₂O aufgetragen ist. Somit ist beim Entladen ΔT = 32 °C, wenn die Substanz auf 30 °C gekühlt ist. Zum Laden bei 80 °C beträgt ΔT mehr als 45 °C. Folglich kann beim Laden, das beispielsweise bei einer konstanten ΔT gleich 32 °C zum Erreichen einer Kondensations temperatur von 30 °C bei etwas über 62 °C erfolgen kann, jetzt keine Temperatur von unter 75°C verwendet werden. Eine niedrigere Kühltemperatur kann jedoch verwendet werden, obwohl die Außentemperatur hoch ist.
Bei groben Berechnungen kann ΔT jedoch in vielen Fällen als konstant angesehen werden.
Zum Beschreiben der unterschiedlichen Phasenzustände der Substanz beim Laden und Entladen in Abhängigkeit von der Substanztemperatur und ΔT kann ein Reaktionsdiagramm, wie das in 5 gezeigte, hilfreich sein. Das Diagramm bezieht sich auf LiCl und zeigt auf der horizontalen Achse H₂O pro Mol LiCl und auf der vertikalen Achse ΔT. Hinsichtlich 0 Mol H₂O ist auf der linken Achse in dem Diagramm der Zustand von trockenem LiCl gezeigt. Im Bereich zwischen 0 und 1 Mol H₂O ist mit dem Monohydrat gemischtes trockenes LiCl gezeigt, wobei ΔT = 60 °C beträgt. Der Arbeitsbereich einer hier beschriebenen Wärmepumpe liegt rechts von der vertikalen Linie 1 Mol H₂O/Mol LiCl. Die Reaktion beginnt mit dem Entladen des festen Monohydrats bei einer Temperatur von 30 °C. Die Reaktion folgt der unteren horizontalen Linie rechts in Richtung des Pfeils. ΔT beträgt dann, wie oben beschrieben, ungefähr 32 °C. Die Reaktion erfolgt an dieser Linie, solange alle drei Phasen gleichzeitig bestehen. Am Ende der Linie ist das Monohydrat aufgebraucht und ist die gesamte Substanz in die gesättigte Lösung übergegangen. Somit befindet sich das System nicht mehr in einer Drei-Phasen-Reaktion und bleibt so, wenn das Laden beginnt. Dann wird der schrägen Linie "gesättigte Lösung" nach links oben gefolgt. Wenn die gesättigte Lösung erwärmt wird, steigt die Löslichkeit von LiCl, d. h. die Löslichkeit steigt mit der Temperatur. Gleichzeitig steigt die ΔT der Lösung, wenn Wasserdampf aus der Lösung freigesetzt wird. Bei einer vorgegebenen Molarität wird die Lösung übersättigt und wird mit dem Erzeugen von Kristallen des Monohydrats begonnen. Das System arbeitet dann wieder als Drei-Phasen-Reaktion, und ΔT ist bei dem dargestellten Beispiel gleich 46 °C zum Erreichen einer Substanztemperatur von 80 °C. Dadurch, dass das System zu einer Drei-Phasen-Reaktion zurückkehrt, ist somit die La detemperatur auf einen relativ niedrigen Pegel begrenzt. Wenn die gesamte gesättigte Lösung zu Monohydrat konvertiert ist, kann die Substanz auf 30 °C gekühlt werden und wird der Zyklus dann wiederholt. Die Region zwischen Monohydrat und gesättigter Lösung repräsentiert beim Entladen eine beträchtliche Kühlkapazität von ungefähr 0,3 kWh pro Liter fertiger gesättigter Lösung.
Die komplette chemische Wärmepumpe gemäß der vorstehenden Beschreibung kann, wie oben dargestellt, zum Konvertieren von Sonnenenergie in zur Klimatisierung vorgesehene Kühlung verwendet werden. Wenn Kühlung nur zu Tageszeiten benötigt wird, werden zwei relativ kleine Anlagen miteinander kombiniert, die intermittierend betrieben werden. Durch die hohe Energie, die jede dieser Anlagen erzeugt, können die Durchlaufzeiten sehr kurz ausfallen. Eine geeignete Durchlaufzeit kann ungefähr eine Stunde betragen. Frühmorgens wird eine der Anlagen eine Stunde lang geladen, wonach sie in die Entladephase geschaltet wird und die Klimatisierung beginnen kann. Während diese Anlage entladen wird, wird die andere Anlage geladen. Diese Prozedur wird dann den ganzen Tag lang intermittierend wiederholt. Bei einer vorgesehenen kompletten Doppelanlage mit einer Kühlleistung von 2 kW werden nur zwischen 10 und 20 Liter Substanz in dem Reaktor und ein Raum für ungefähr 10 Liter Wasser in dem Kondensator/Verdampfer-Teil benötigt.
Zum Erreichen einer Klimatisierung auch in der Nacht können mehrere technische Lösungen entwickelt werden. Beispielsweise besteht eine Möglichkeit zur Klimatisierung sowohl am Tage als auch in der Nacht im Kombinieren einer kleinen Wärmepumpenanlage des oben beschriebenen Typs mit einer größeren Anlage des gleichen Typs, die die Speicheranforderungen für die Kühlung bei Nacht erfüllt. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von nur einer einzelnen großen Anlage des oben beschriebenen Typs, die Energie zum Kühlen bei Nacht speichert, wobei jedoch gleichzeitig mit dem Ladeprozess ein Strom gesättigter Lösung abgeleitet wird, die abgeleitete Lösung separat gekühlt wird und diese Lösung Wasserdampf aus einem ähnlich separaten Ver dampfer absorbieren kann. In diesen Fällen muss der Sonnekollektor derart bemessen sein, dass er die höhere Leistung bewältigt, da die Energie zum Kühlen auch bei Tag entnommen wird. Die Energie sollte ferner zum Laden der großen Anlage zwecks Kühlung während der kommenden Nacht ausreichen.
Somit kann eine Anlage mit einem thermochemischen Akkumulator, wie in 6 gezeigt und durch die schematische Darstellung in 7 dargestellt, an allen Tagen des Jahres für Kühlung, Erwärmung und heißes Leitungswasser sorgen. Bei einer solchen Anlage ist eine Haupteinheit 91 mit mindestens einer Slave-Einheit 92 kombiniert, um Eigenschaften analog zu denen eines elektrischen Akkumulators bereitzustellen. Die Haupteinheit 91, in der die überschüssige Ladewärme von dem Sonnenkollektor gespeichert wird, weist eine große Anlage des anhand von 1, 2 oder 6 beschriebenen Typs auf. Ihre Speicherkapazität ist an den Energieverbrauch für eine komfortable Kühlung, heißes Leitungswasser oder Erwärmung des Hauses zu der Zeit des Tages, zu der es keinen Sonnenschein gibt, angepasst. Die Slave-Einheit 92 ist kleiner als die Haupteinheit 91 und bewirkt kontinuierlich Kühlung in der heißen Jahreszeit und kann Wärme während der kalten Jahreszeit erzeugen.
Eine solche Anlage mit einer einzelnen Slave-Einheit funktioniert wie folgt: zur Tageszeit wird Wärme von dem Sonnenkollektor 93 von erwärmtem Wasser transportiert, welches von einer Pumpe 94 derart in einer geschlossenen Schleife getrieben wird, dass es zunächst einen Leitungswasser-Erhitzer 95 passiert, um das darin enthaltene Wasser zu erwärmen, und dann zu dem Wärmetauscher 96 des Reaktors 97 der Haupteinheit transportiert wird. Das Kondensieren erfolgt in dem Verdampfer/Kondensator 98 der Haupteinheit, dessen Wärmetauscher 99 von einem im Freien angeordneten Kühler 100 unter Verwendung von von einer Pumpe 101 getriebenem Kühlwasser gekühlt wird. Gleichzeitig und unabhängig davon wird der Reaktor 102 der Slave-Einheit 92 entladen, wobei der Reaktor auch durch das von dem im Freien angeordneten Kühler 100 zu dem Wärmetauscher 102' des Slave-Reaktors zirku lierenden Wärmetauscher-Wasser gekühlt wird. Der Verdampfer 103 der Slave-Einheit 92 gibt Wasserdampf an den Slave-Reaktor 102 ab und bietet eine komfortable Kühlung über einen Wärmetauscher 104 und Raum-Kühler 105. Während der Hauptreaktor 95 und der Haupt-Kondensator/-verdampfer 98 den größten Teil der Substanz und des Wassers für künftigen Speicherbedarf aufnehmen, arbeitet die Slave-Einheit 92 mit kleinen Mengen der Substanz. Somit wird der Slave-Verdampfer 103 von dem Hauptverdampfer 98 intermittierend mit Wasser beaufschlagt, und entladene Lösung wird von dem Slave-Reaktor 92 zu dem Hauptreaktor 95 geliefert, wonach geladene heiße gesättigte Lösung wieder dem Slave-Reaktor 92 zugeführt wird, in dem diese gekühlt wird, wobei sich Kristalle bilden und sowohl die Kristalle als auch die gesättigte Lösung Wasser von dem Slave-Verdampfer absorbieren. Die Wiederholperiode kann dabei ungefähr 10 Minuten bis 2 Stunden betragen.
Somit ist in dem in 7 gezeigten System der Arbeitsbereich der Substanz im Vergleich zu dem in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Prozess etwas erweitert. Ferner kann die gesättigte Lösung somit zumindest für einige der verwendeten Substanzen Dampf absorbieren. Dabei wird vorausgesetzt, dass die gesättigte Lösung einen ausreichend niedrigen Dampfdruck aufweist, um eine gewisse Effizienz beim Absorptionsprozess zu erreichen. Einige Substanzen, wie ZnCl₂, weisen eine zu große ΔT bei der Fest-Flüssig-Reaktion auf, und es ist besser, diese nur in der Lösungsphase zu verwenden. Die Speicherkapazität ist niedriger und die ΔT ist auf einem variierenden Niveau, es ist jedoch immer noch ein exzellentes Arbeiten in einem thermochemischen Reaktor möglich, wie hier beschrieben.
Die Energie, die nicht zum Bewirken einer Kühlung und Erzeugen von heißem Leitungswasser verbraucht wird, wird in der Haupteinheit 91 gespeichert. Wenn keine Sonnenenergie mehr zur Verfügung steht, arbeitet die Slave-Einheit 92 weiterhin wie zuvor und verbraucht dann gespeicherte Energie. Der Hauptreaktor 95, der jetzt nicht mehr automatisch geladen wird, geht nach Passieren des Gleichgewichtszustands des Systems in den Entladezustand über. Dies könnte im Sommer bei ungefähr 60 °C erfolgen. Somit wird nun Wärme für heißes Leitungswasser von dem Hauptreaktor 96 erzeugt, wobei durch entsprechendes Einstellen eines Ventils 106 bewirkt wird, dass der Strom von Wärmetauscher-Wasser jetzt nur den Leitungswasser-Erhitzer 95 und nicht den Sonnenkollektor 93 durchläuft, während der Slave-Reaktor 92 eine Kühlung bewirkt.
Das Verfahren zum Ableiten kleiner Mengen von geladener Substanz und Wasser zu den Slave-Einheiten 92 führt dazu, dass der Hauptreaktor 95 nicht konvertiert werden muss, d. h. in eine Stufe zum Bewirken einer komfortablen Kühlung gehen muss, da die benötigte Kühlung von den Slave-Einheiten bewirkt wird. Dadurch dass der Hauptreaktor 95 stattdessen in heißem Zustand, nämlich dem Entladezustand (Gleichgewichtszustand) gehalten wird, wird das Risiko der Kristallbildung an unerwünschten Stellen in dem Reaktor noch weiter reduziert. Der Haupt-Kondensator/-verdampfer 98 wird weiterhin von dem im Freien angeordneten Kühler gekühlt. Generell benötigt die Anlage ein Minimum an Ventilen zum Umschalten der Ströme.
Die Slave-Einheiten 92 arbeiten nur in einer Richtung, d. h. in einem Entladezustand, welcher hinsichtlich unerwünschter Kristallbildung der günstigste ist. Im Winter arbeitet die Haupteinheit 91 auf die beschriebene Weise und befindet sich nachts im Gleichgewicht, wobei die Gleichgewichtstemperatur ungefähr 35 bis 40 °C beträgt. Dadurch wird das Leitungswasser nachts vorgewärmt, wobei das Leitungswasser von einer nicht gezeigten elektrischen Widerstandsheizung auf eine höhere Temperatur erwärmt wird. In der kalten Jahreszeit weisen die Wärmetauscher 102' und 104 der Slave-Einheiten eine im Vergleich zu der in 7 gezeigten umgekehrte Verbindung auf, welche nicht gezeigt ist. Somit ist der im Freien angeordnete Kühler 100 dann mit dem Slave-Verdampfer und den Raum-Kühlern 105 verbunden, die jetzt zum Erwärmen des Slave-Reaktors verwendet werden. Die Slave-Einheiten erzeugen dann Wasser mit einer Temperatur von ebenfalls 35 bis 40 °C zum Erwärmen der Räume unter Verwendung der Raum-Kühler 105.
In dem gesamten thermochemischen Wärmeakkumulator aus 7 können unterschiedliche Wärmetauscher-Typen verwendet werden, siehe den externen Platten-Wärmetauscher 67 und den internen Röhren-Wärmetauscher 70 aus 6. Platten-Wärmetauscher werden für den gesamten Wärmeaustausch verwendet, wenn das Wärmetransportmedium Umlaufwasser ist, wie z. B. beim Laden in den Reaktoren und Entladen in den Verdampfern. Dann wird nur die Lösung/das Wasser auf ihrem/seinem Weg vom untere Teil des Behältnisses zum oberen Teil erwärmt. Beim Entladeprozess werden stattdessen Röhren-Wärmetauscher in den Reaktoren verwendet, welche Röhren aufweisen, die mit langen horizontalen Röhren im Zickzack angeordnet sind. Der Slave-Reaktor 102 arbeitet nur beim Entladen und benötigt somit nur einen internen Wärmetauscher, der wiederum ein Röhren-Wärmetauscher ist. Beim Ladeschritt in dem Reaktor wird die Lösung dann in einem geschlossenen Raum erwärmt, aus dem kein Dampf austreten kann. Die Löslichkeit steigt, wodurch eine Kristallbildung verhindert wird. Nur wenn die Lösung das Verteilrohr verlässt, um über die die Fläche vergrößernde Einrichtung zu strömen, kann Dampf freigesetzt werden und können sich dann Kristalle bilden. Der entsprechende in einem internen Wärmetauscher ablaufende Prozess beinhaltet das Risiko der Akkumulation von Salzkristallen auf den heißen Flächen des Wärmetauschers. Beim Entladen in dem Reaktor wird der Wärmetauscher gekühlt, wodurch ein offensichtliches Risiko der Kristallbildung in einem geschlossenen Platten-Wärmetauscher besteht. In einem offenen Röhren-Wärmetauscher in dem Reaktor wird die Lösung gekühlt und gleichzeitig Wasserdampf ausgesetzt. Dadurch erfolgen gleichzeitig eine Absorption von Wasser und eine Kühlung, so dass trotz Kühlung so leicht keine Kristallbildung erfolgen kann.
Eine Anlage gemäß 7 für ein Einfamilienhaus im Mittelmeerraum, das aus Leichtbeton gebaut ist und eine Fläche von 200 m² aufweist, kann einen Sonnenkollektorbereich von 25 m² und eine Speicherkapazität von 50 kWh für Kühlung oder 65 kW für Erwärmung benötigen. Die maximale Ladeleistung beträgt 15 kW und die maximale Kühlleistung 6 kW. Der thermochemische Akkumulator mit einer Haupteinheit und einer Slave-Einheit kann einen Durchmesser von ungefähr 800 mm und eine Höhe von 1800 mm einschließlich Wärmeisolierung aufweisen.
8 zeigt eine genauere Darstellung eines thermochemischen Akkumulators mit einer Haupteinheit 91 und einer Slave-Einheit 92 gemäß 7, wobei die Haupteinheit einen Reaktor 95 aufweist, der im wesentlichen so aufgebaut ist, wie in 6 gezeigt. Der Heizmantel 64 um die Pumpe 66 und um die von der Pumpe in dem Hauptreaktor 95 kommenden Leitung 64' und der externe Wärmetauscher 67 und der interne Wärmetauscher 71 sollten beachtet werden. Da die Haupteinheit 91 beim Entladen nur eine Erwärmung des Leitungswasser-Erhitzers über den internen Wärmetauscher 71 bewirkt, kann dieser Wärmetauscher klein ausgeführt und in dem oberen Teil des Reaktors 95 angeordnet sein und typischerweise mehrere im wesentlichen horizontale in einem Zickzack-Muster in Reihe und/oder parallel geschaltete Rohrabschnitte aufweisen. Typischerweise sind nur einige wenige kW erforderlich. Die Hauptleistung wird beim Laden in den externen Wärmetauscher 67 übertragen, in dem die Leistung typischerweise 15 kW betragen kann. Der Slave-Verdampfer 103 ist im wesentlichen gleich aufgebaut wie der Haupt-Kondensator/-verdampfer 98 und weist eine Pumpe 107, ein Verteilrohr 108 und eine die Fläche vergrößernde Einrichtung 109 auf, die im oberen Teil des Innenraums unmittelbar unter dem Verteilrohr angeordnet ist. Der Wärmetauscher 104 des Slave-Verdampfers ist ein externer Platten-Wärmetauscher, der für eine Kühlleistung von 64 kW ausgelegt ist, wobei dieser Wärmetauscher nur das von der Pumpe 107 von dem unteren Teil des Verdampfers zu der Verteilstange gepumpte kondensierte Sorbat kühlt. Der Slave-Reaktor 102, der nur beim Entladen arbeitet, weist einen großen zickzackmäßig ausgeführten Röhren-Wärmetauscher 102' auf, der eine Kapazität von ungefähr 8 kW hat und in dem Slave-Reaktor angeordnet ist. Dieser Wärmetauscher fungiert auch als eine die Fläche vergrößernde Einrichtung, die Lösung von einem Verteilrohr 110 aufnimmt, welche von einer Pumpe 111 von dem unteren Teil des Slave- Reaktors gepumpt wird. Ein Zwei-Wege-Ventil 112 ist in der Leitung zwischen der Pumpe und dem Verteilrohr geschaltet und ist für den Normalzustand beim Entladen derart eingestellt, dass es die Lösung von dem unteren Teil nur zu der Verteilstange gelangen lässt. Der andere Auslass des Ventils führt durch die mit einem Einlass der Pumpe 66 des Hauptreaktors verbundene Leitung, so dass es das Ventil bei Veränderung seiner Einstellung ermöglicht, dass verbrauchte Lösung in den Hauptreaktor 95 weggepumpt wird. Der Einlass heißer gesättigter Lösung von dem unteren Teil des Hauptreaktors erfolgt durch eine Leitung 113 mit einem Ein/Aus-Ventil 114, die beide eine Ummantelung 115 aufweisen, die von von dem Einlassventil 63 kommendem Heißwasser durchströmt wird. In dem Slave-Verdampfer 103 wird nur Wasser verbraucht. Neues Wasser wird durch eine Leitung 116 von dem Haupt-Kondensator/-verdampfer zugeführt, wobei die Leitung 116 an einem Zwei-Wege-Ventil 117 endet, das in der von der Pumpe 119 kommenden Leitung mit dem Wärmetauscher 99 des Haupt-Kondensators/-verdampfers 98 verbunden ist. Eine Leitung 117' verbindet über ein Ein/Aus-Ventil 118 den Bodenraum des Haupt-Kondensators/-verdampfers mit der Oberseite des Hauptreaktors 95, wobei der Haupt-Kondensator/-verdampfer über dem Hauptreaktor 95 angeordnet ist. Zum Erreichen einer korrekten Einstellung des Ventils 117 kann die Pumpe 107 des Slave-Verdampfers Wasser pumpen, das möglicherweise von der zu dem Haupt-Kondensator/-verdampfer zurückströmenden Substanz "kontaminiert" sein kann. Hinsichtlich eines offenen Ventils 118 kann solches "kontaminiertes" Restwasser von dem Haupt-Kondensator/-verdampfer in den Hauptreaktor abgezapft werden, wobei dieses Ventil normalerweise geschlossen ist.
Die Kontaminierung enthält Reste des aktiven Salzes oder der aktiven Salze, die beim Laden den Gasstrom durch das Gasfilter begleiten und in dem Wasser gesammelt werden. Wenn dies über zahlreiche Zyklen erfolgt, wird der Dampfdruck des Wassers reduziert und steigt die Kühltemperatur und sinkt die Temperatur des heißen Leitungswassers. Das Abzapfen von kondensiertem Wasser erfolgt somit, wenn das System entladen ist und daher eine klei ne Menge an Wasser in dem Haupt-Kondensator/-verdampfer 98 vorhanden ist, z. B. bei jedem zehnten Zyklus.
Der Haupt-Kondensator/-verdampfer 98 weist die Pumpe 119 auf, die Wasser vom unteren Teil des Innenraums des Kondensators/Verdampfers durch eine Leitung pumpt, welches von dem externen Wärmetauscher 99 erwärmt wird, der dem Wärmetauscher 104 des Slave-Verdampfers im wesentlichen gleich ist, jedoch eine größere Kapazität zu einem Verteilrohr 120 im oberen Teil aufweist, von dem aus beim Ladeschritt das Wasser über die die Fläche vergrößernde Einrichtung 121, welche ebenfalls im oberen Teil angeordnet ist, zu dem unteren Teil des Kondensators/Verdampfer hinabströmt, um verdampft zu werden. Die Gasverbindung 73 des Hauptreaktors 95 ist mit dem oberen Teil des Kondensators/Verdampfers verbunden, was in 8 nicht gezeigt ist. Eine im wesentlichen gleiche Gasleitung oder -verbindung 122 verbindet den Slave-Reaktor 102 und den Slave-Verdampfer 103 miteinander.
Eine Gruppe von vier Zwei-Wege-Ventilen 123, 124, 125, 126 ist in den den im Freien angeordneten Kühler und die Raum-Kühler/Heizeinrichtungen mit dem Slave-Reaktor und dem Slave-Verdampfer verbindenden Leitungen geschaltet. Zum Erreichen einer korrekten Einstellung dieser Ventile zu Kühlungszwecken im Sommer ist der im Freien angeordnete Kühler mit dem Wärmetauscher 102' des Slave-Reaktors verbunden und sind die Raum-Kühler/Heizeinrichtungen mit dem Wärmetauscher 104 des Slave-Verdampfers verbunden. Zum Liefern von Wärme in der kalten Jahreszeit sind die Ventile derart eingestellt, dass der im Freien angeordnete Kühler mit dem Wärmetauscher des Slave-Verdampfers verbunden ist und die Raum-Kühler/Heizeinrichtungen mit dem Wärmetauscher des Slave-Reaktors verbunden sind.
Generell kann gesagt werden, dass es mehrere Kombinationsmöglichkeiten gibt, die sowohl große Anlagen, die nur mit einer festen Substanz oder festen Substanzen bei einem Fest-Flüssig-Phasenübergang entsprechend der vorstehenden Spezifikation arbeiten, als auch kleine Anlagen umfassen, die auf Sub stanzen basieren, bei denen die gleiche Art von Phasenübergang erfolgt. Es liegt im Ermessen des Anwenders, die Art von System auszuwählen, die seinen Klimatisierungsbedürfnissen am besten entspricht, wobei Größe, Funktion und Kosten des Systems berücksichtigt werden müssen. Der hier beschriebene Prozess, bei dem Substanzen verwendet werden, die bei dem interessierenden Temperaturbereich einen Phasenübergang zwischen einem festen und einem flüssigen Zustand aufweisen, stellt einen wichtigen Beitrag zu der Möglichkeit der kommerziellen Nutzung von Sonnenenergie zu Klimatisierungszwecken dar.
Die hier beschriebene chemische Wärmepumpe ist nicht auf die Verwendung von Sonnenenergie beschränkt, sondern kann jede beliebige Wärmequelle verwenden, insbesondere geringhaltige Wärmequellen, die Wärme von nicht zu hohen Temperaturen liefern. Ferner ist die von der chemischen Wärmepumpe bewirkte Kühlung oder Erwärmung nicht auf das Kühlen oder Erwärmen von Häusern beschränkt, sondern kann an jedem beliebigen Ort angewendet werden, an dem Bedarf an beispielsweise Kühlung besteht, wie z. B. in Kühlboxen oder -taschen und Kühlschränken und in Kraftfahrzeugen zur Klimatisierung unter Verwendung von von dem Motor abgegebener Wärme.
Ein thermochemischer Akkumulator, wie er oben beschrieben ist, ist eine aufwendige solarbetriebene Kühl-/Wärmepumpe, bei der es sich um eine komplette chemische Wärmepumpe handelt, die die Anforderungen hinsichtlich heißem Leitungswasser, Komfort-Kühlung und -Erwärmung für ein Haus an allen Tagen des Jahres erfüllen kann. Sie bietet als Einzeleinheit sowohl Akkumulierung von Wärme als auch Konvertierung von zum größten Teil geringer Wärme zu Erwärmungs- und Kühlzwecken. Die Einheit enthält sämtliche Ventile und Umwälzpumpen und einen Steuerprozessor für die Anlage in einem Haus und nimmt nur einen kleinen Teil des Bodenbereichs in dem Haus ein.

Claims

Chemische Wärmepumpe mit einem Hauptreaktor (2; 95), der einen ersten Raum aufweist, einem Hauptkondensator/-verdampfer (3; 98), der einen zweiten Raum aufweist, einer aktiven Substanz (2) in dem ersten Raum und einer flüchtigen Flüssigkeit (6, 5), deren Dampfphase (6) in einem Entladeschritt von der aktiven Substanz bei einer ersten Temperatur absorbiert wird und in einem Ladeschritt durch die aktive Substanz bei einer zweiten höheren Temperatur desorbiert wird, wobei sich die aktive Substanz bei der ersten Temperatur in einem festen Zustand befindet, von dem die aktive Substanz beim Absorbieren der Dampfphase der flüchtigen Flüssigkeit direkt teilweise in einen flüssigen Zustand oder eine Lösungsphase übergeht, und sich bei der zweiten Temperatur in einem flüssigen Zustand oder einer Lösungsphase befindet, von dem/der die aktive Substanz beim Desorbieren der flüchtigen Flüssigkeit beim Ladeschritt direkt teilweise in einen festen Zustand übergeht, wobei die Dampfphase (6) der flüchtigen Flüssigkeit beim Ladeschritt nach dem Desorbiertwerden durch die aktive Substanz in dem zweiten Raum in eine Flüssigkeitsphase (5) kondensiert wird, wobei der zweite Raum durch eine erste Leitung (4), die den Hauptreaktor und den Hauptkondensator/-verdampfer miteinander verbindet, in Fluidverbindung mit dem ersten Raum steht, und die Flüssigkeitsphase der flüchtigen Flüssigkeit während des Entladeschritts beim Absorbieren der Dampfphase durch die aktive Substanz in die Dampfphase umgewandelt wird; einem ersten Wärmetauscher (7; 71, 67) mit einer Fläche in dem ersten Raum zum Halten während des Entladeschritts, bei dem die aktive Substanz beim Absorbieren der flüchtigen Flüssigkeit fortlaufend von einem festen in einen flüssigen Zustand übergeht, der aktiven Sub stanz in einem festen Zustand und einem flüssigen Zustand bei der ersten Temperatur, gekennzeichnet durch eine Trenneinrichtung (23; 74, 72) in dem ersten Raum zum Trennen der im festen Zustand befindlichen aktiven Substanz (2) von der im flüssigen Zustand oder in der Lösungsphase befindlichen aktiven Substanz, und eine Verteileinrichtung (25, 26; 69, 70), die bewirkt, dass die im flüssigen Zustand oder in der Lösungsphase befindliche getrennte aktive Substanz in Kontakt mit der Fläche des ersten Wärmetauschers (7; 71, 67) und der im festen Zustand befindlichen aktiven Substanz kommt.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung ein Netz oder ein Filter (23; 74) aufweist, das zumindest einen Teil der Fläche des ersten Wärmetauschers (7) umschließt.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung ein Netz (23; 74) aufweist, das zumindest einen unteren Teil der Fläche umschließt, wobei eine Kammer (24') zum Aufnehmen der im flüssigen Zustand oder in der Lösungsphase befindlichen aktiven Substanz unter einem Unterteil des Netzes ausgebildet ist.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Netz an Wänden des ersten Raums angebracht ist.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung ein an einem oberen Teil der Fläche angebrachtes Filter (72) aufweist, das den ersten Raum in zwei Kammern unterteilt, damit Dampf der flüchtigen Flüssigkeit zwischen einer Region an der Fläche und der Leitung (4; 73) strömen kann.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteileinrichtung eine Pumpe (26; 66) aufweist, die mit einem am oberen Teil der Fläche angeordneten Verteiler (25; 69) zum Verteilen der im flüssigen Zustand oder in der Lösungsphase befindlichen aktiven Substanz (2) über einen oberen Bereich des ersten Wärmetauschers (7; 71, 67) vorgesehen ist.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (25; 69) ein mit Öffnungen versehenes Rohr aufweist.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher einen Innenteil (71) und einen Außenteil (67) aufweist, wobei der Innenteil die genannte Fläche aufweist und der Außenteil Wärme mit der in einem flüssigen Zustand oder einer Lösungsphase befindlichen aktiven Substanz (2) direkt vor dem Durchströmen der Verteileinrichtung (69) austauscht.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–8, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmetauscher (9) und eine zweite Verteileinrichtung (120) in dem Hauptkondensator/-verdampfer (3; 98) für den zweiten Raum, die bewirken, dass die sich in der Flüssigkeitsphase (6) befindliche flüchtige Flüssigkeit in dem zweiten Raum den zweiten Wärmetauscher (9) durchströmt, um dann in dem zweiten Raum verteilt zu werden.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verteileinrichtung eine mit dem auf dem oberen Teil der Fläche des zweiten Wärmetauschers (9) befindlichen zweiten Verteiler (120) gekoppelte Pumpe (119) aufweist.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verteiler (120) ein mit Öffnungen versehenes Rohr aufweist.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptreaktor (95) und der Hauptkondensator/-verdampfer derart angeordnet sind, dass sich der zweite Raum über dem ersten Raum befindet und dass der untere Teil des zweiten Raums über eine mit einem Ventil (118) versehene dritte Leitung (117') mit dem oberen Teil des ersten Raums in Fluidverbindung steht.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des zweiten Raums über die dritte Leitung (117'), über die die sich in der Flüssigkeitsphase (5) befindliche flüchtige Flüssigkeit zu dem ersten Raum geleitet werden kann, um eine mögliche aktive Substanz aus dem zweiten Raum zu entfernen, mit dem ersten Raum in Fluidverbindung steht.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–13, gekennzeichnet durch einen Slave-Reaktor (102), der einen dritten Raum aufweist, und einen Slave-Kondensator/-Verdampfer (103), der einen vierten Raum aufweist, wobei der dritte und der vierte Raum über eine zweite Leitung (122) in Fluidverbindung miteinander stehen, wobei der dritte Raum derart angeordnet ist, dass er intermittierend die im flüssigen Zustand oder in der Lösungsphase befindliche aktive Substanz (2) bei der zweiten Temperatur von dem in dem Hauptreaktor (95) angeordneten ersten Raum aufnimmt und die aktive Substanz in einem flüssigen Zustand oder einer Lösungsphase zu dem ersten Raum zurückleitet, wobei der vierte Raum derart angeordnet ist, dass er intermittierend die in der Flüssigkeitsphase (6) befindliche flüchtige Flüssigkeit von dem in dem Hauptkondensator/-verdampfer (98) angeordneten zweiten Raum aufnimmt.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Substanz (2) ein Metallsalz aufweist, das in seinem festen Zustand Kristallwasser enthält, und die flüchtige Flüssigkeit Wasser aufweist, wobei das Metallsalz derart ausgewählt ist, dass es bei der Absorption von Wasserdampf Wärme freisetzt.
Chemische Wärmepumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallsalz derart ausgewählt ist, dass es in Wärme freisetzendem Wasser gelöst ist.
Chemische Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Substanz (2) ein Salz aufweist, das aus Calciumchlorid, Calciumbromid, Magnesiumchlorid, Magnesiumbromid, Lithiumchlorid, Zinkdichlorid und Natriumhydroxid ausgewählt ist.
Verfahren zum Kühlen und/oder Erwärmen, bei dem bewirkt wird, dass eine aktive Substanz (2) beim Entladen eine Dampfphase (6) einer flüchtigen Flüssigkeit bei einer ersten Temperatur absorbiert, um zu bewirken, dass sich die entladene aktive Substanz in einem flüssigen Zustand oder einer Lösungsphase befindet, und beim Laden die Dampfphase der flüchtigen Flüssigkeit bei einer zweiten höheren Temperatur desorbiert wird, um zu bewirken, dass sich die geladene aktive Substanz in einem festen Zustand befindet, wobei die Dampfphase separat kondensiert wird, um eine Kondensflüssigkeit (5) zu produzieren, die dann verdampft wird und von der geladenen aktiven Substanz absorbiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die geladene, im festen Zustand befindliche aktive Substanz von der entladenen, in einem flüssigen Zustand oder einer Lösungsphase be findlichen aktiven Substanz getrennt wird, wobei die entladene aktive Substanz über eine Wärmetauscherfläche und über die geladene, im festen Zustand befindliche aktive Substanz verteilt wird.