DE9014138U1 - Device for the simultaneous generation of cold and heat - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum gleichzeitigen Erzeugen von Kälte und Wärme. Allgemein sind Vorrichtungen, die beabsichtigt oder unbeabsichtigt gleichzeitig Kälte und Wärme erzeugen, aus verschiedensten Anwendungsbereichen bekannt.The invention relates to devices for simultaneously generating cold and heat. In general, devices that intentionally or unintentionally generate cold and heat simultaneously are known from a wide variety of application areas.
So erzeugen die bekannten Kältemaschinen auf Absorptionsoder Verdichtungsbasis sämtlich in an sich unerwünschter Weise auch Wärme. Diese muß abgeführt werden und läßt sich nicht gezielt verwerten. Zudem besteht ein Nachteil der bekannten physikalischen Kälte erzeugenden Maßnahmen darin, daß man ohne Netz-, Batterie- oder Verbrennungsmotoranschluß nicht auskommt. Dies gilt im allgemeinen auch für die meisten gebräuchlichen Wärmepumpen, die ebenfalls prinzipiell zwei Temperaturniveaus erzeugen.For example, all known absorption or compression-based refrigeration machines generate heat in an undesirable way. This must be dissipated and cannot be used in a targeted manner. Another disadvantage of the known physical methods of generating cold is that they cannot be used without a mains, battery or combustion engine connection. This also generally applies to most common heat pumps, which also generate two temperature levels in principle.
Daneben sind auch bereits chemische Effekte in Betracht gezogen worden, wobei z.B. durch Zusammenbringen zweier miteinander reagierender Substanzen über eine hierbei ablaufende endotherme oder exotherme Reaktion entweder eine Abkühlung oder eine Erwärmung der Umgebung hervorgerufen werden. Hierdurch ist man zwar von zusätzlichen Energiequellen unabhängig, ein umweltbelastender Nachteil ist jedoch darin zu sehen, daß die Substanzen und das Reaktionsbehältnis nach erfolgter Reaktion und Ausnutzung deren thermischer Wirkung als Abfall anfallen. Auch gibt es kaum chemische endotherme Reaktionen mit ausreichendem Kühleffekt. Wollte man auf dieser Grundlage ein System mit gleichzeitiger gezielter Abkühlung und Erwärmung realisieren, müßte man zudem versuchen, unterschiedliche chemische Reaktionen gleichzeitig ablaufen zu lassen, wodurch sich die Abfallmenge der dabei zusammengebrachten Chemikalien noch weiter erhöhen würde.Chemical effects have also been considered, for example by bringing two substances together that react with one another, either cooling or heating the environment through an endothermic or exothermic reaction. This means that one is independent of additional energy sources, but one disadvantage that is harmful to the environment is that the substances and the reaction container are disposed of as waste after the reaction has taken place and their thermal effect has been exploited. There are also hardly any chemical endothermic reactions with a sufficient cooling effect. If one wanted to create a system with simultaneous, targeted cooling and heating on this basis, one would also have to try to allow different chemical reactions to take place at the same time, which would further increase the amount of waste from the chemicals brought together.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, die unabhängig von äußeren Energiequellen eine gezielte gleichzeitige Erwärmung und Abkühlung gestattet und dabei möglichst umweltfreundlich ist.The invention is based on the object of specifying a device which allows targeted simultaneous heating and cooling independently of external energy sources and is as environmentally friendly as possible.
Erfindungsgemäß wird einem zu kühlenden Medium bzw. einer zu kühlenden Umgebung die zur Entladung eines Tieftemperaturhydrids notwendige Wärme entzogen. Andererseits wird gezielt an einem Ort gewünschter Erwärmung durch katalytische Verbrennung des freigesetzten Wasserstoffgases Wärme erzeugt.According to the invention, the heat required to discharge a low-temperature hydride is extracted from a medium or environment to be cooled. On the other hand, heat is generated in a targeted manner at a location where the desired heating is required by catalytic combustion of the released hydrogen gas.
Die Eigenschaft einer Reihe von bereits untersuchten Hydriden, insbesondere Metallhydriden und metallartigen Hydriden, bei bestimmten Temperaturen und Drücken Wasserstoff zu speichern und freizugeben, ist zwar hinreichend bekannt und findet sogar Anwendung in Wärmepumpen mit zwei auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeitenden Hydriden. Hierbei strömt jedoch Wasserstoffgas zwischen den beiden Hydriden und wird im Gegensatz zur Erfindung während des Prozesses nicht verbraucht. Ferner ist die Leistung dieser Hydrid-Wärmepumpen vor allem von der Kinetik der H2-Aufnahme in dem auf dem höheren Temperaturniveau arbeitenden Hydrid begrenzt, von dem größere Wärmemengen abgeführt werden müssen. Da erfindungsgemäß die Wärme durch die katalytische Verbrennung von H2 erzeugt wird und nicht durch die Aufnahme von H2 in einem Hydrid, entfällt diese Begrenzung. Erfindungsgemäß ist die Leistung nur von der H2-Freisetzungskinetik aus dem Tieftemperaturhydrid begrenzt. Die relativ niedrige, zur Entladung des Tieftemperaturhydrids notwendige Energie kann dabei schnell aus dem zu kühlenden Medium entnommen werden.The ability of a number of previously investigated hydrides, in particular metal hydrides and metal-like hydrides, to store and release hydrogen at certain temperatures and pressures is well known and is even used in heat pumps with two hydrides operating at different temperature levels. However, hydrogen gas flows between the two hydrides and, in contrast to the invention, is not consumed during the process. Furthermore, the performance of these hydride heat pumps is limited primarily by the kinetics of H 2 uptake in the hydride operating at the higher temperature level, from which larger amounts of heat must be dissipated. Since according to the invention the heat is generated by the catalytic combustion of H 2 and not by the uptake of H 2 in a hydride, this limitation does not apply. According to the invention, the performance is only limited by the H 2 release kinetics from the low-temperature hydride. The relatively low energy required to discharge the low-temperature hydride can be quickly extracted from the medium to be cooled.
Gegenüber den eingangs erwähnten chemischen Reaktionen sind nicht nur insbesondere effektivere Kühlwirkungen erzielbar, sondern es besteht auch der Vorteil, daß z.B. zum Kühlen und Erwärmen von Lebensmitteln kritische chemische Substanzen vermieden sind.Compared to the chemical reactions mentioned at the beginning, not only are more effective cooling effects achievable, but there is also the advantage that critical chemical substances, for example for cooling and heating food, are avoided.
Die gleichzeitige Erzeugung der Wärme über die katalytische Verbrennung ist ferner nicht umweltbelastend. Wasserstoff ist ein besonders umweltfreundlicher Brennstoff mit Wasser als Verbrennungsprodukt und ohne C02-Produktion. Die flammenlose katalytische Verbrennung ist sehr emissionsarm und läuft bei niedrigen Temperaturen ab. Dadurch können Stickoxide weitestgehend vermieden werden. Zudem erreicht diese Verbrennung sehr hohe Wirkungsgrade. Bei sämtlichen möglichen Anwendungen, die Wärme im niedrigen oder mittleren Temperaturbereich verlangen, ist der auf die Nutzenergie bezogene Wirkungsgrad besonders günstig.The simultaneous generation of heat via catalytic combustion is also not harmful to the environment. Hydrogen is a particularly environmentally friendly fuel with water as a combustion product and no CO 2 production. Flameless catalytic combustion has very low emissions and takes place at low temperatures. This means that nitrogen oxides can be largely avoided. This type of combustion also achieves very high levels of efficiency. The efficiency in relation to the useful energy is particularly good for all possible applications that require heat in the low or medium temperature range.
Der erfindungsgemäß genutzte kombinierte Effekt der Abkühlung durch die endotherme H2-Freisetzung und der gleichzeitigen Erwärmung durch die katalytische H2-Verbrennung bietet die Möglichkeit, einfache umweltfreundliche Vorrichtungen zu schaffen, mit denen man unabhängig von weiteren Energiequellen kühlen und Wärme erzeugen kann. Insbesondere für mobile Anlagen, in Wochenendhäusern, dem gesamten Freizeit- und Campingbereich und für die Verwendung in Naturschutzgebieten bieten sich solche Vorrichtungen an. Auch eine vorteilhafte Verwendung in der Raumfahrt und in U-Booten ist denkbar.The combined effect of cooling through endothermic H 2 release and simultaneous heating through catalytic H 2 combustion used according to the invention offers the possibility of creating simple, environmentally friendly devices that can be used to cool and generate heat independently of other energy sources. Such devices are particularly suitable for mobile systems, in weekend homes, the entire leisure and camping sector and for use in nature reserves. Advantageous use in space travel and in submarines is also conceivable.
Da im Gegensatz zu den erwärmten Wärmepumpen nur ein Tieftemperaturhydridspeicher bzw. Behälter benötigt wird, lassen sich verhältnismäßig leichte, auch tragbare Vorrichtungen realisieren.Since, in contrast to heated heat pumps, only a low-temperature hydride storage tank or container is required, relatively light, even portable devices can be realized.
Da das Hydridmaterial die Eigenschaft hat, wiederbeladbar zu sein, ist es vorteilhaft, abkoppelbare Speicher vorzusehen, wobei leere Hydridspeicher durch neu beladene ersetzbar sind. Eine Wiederbeladung über ein Pfandsystem ist in vorteilhafter Weise organisierbar.Since the hydride material has the property of being rechargeable, it is advantageous to provide detachable storage units, whereby empty hydride storage units can be replaced by newly charged ones. Recharging via a deposit system can be organized in an advantageous manner.
Tieftemperaturhydride, die im Temperaturbereich der zu kühlenden Medien oder Umgebungen bei bestimmtem Druck H2 freisetzen, sind bekannt. Auch bei den Speicheranordnungen kann auf bekannte Anordnungen von Hydridspeichern zurückgegriffen werden. Die Speicherbehältnisse sind druckfest ausgebildet und zweckmäßigerweise in einem Behälter angeordnet, der ausreichend Freiraum aufweist, um darin zu kühlende Medien, Flüssigkeiten, Speisen oder Gegenstände anzuordnen. Eine gute Wärmeleitung zwischen dem Speicher und dem umgebenden, zu kühlenden Raum wird z.B. über am Speicherbehältnis vorgesehene Kühlrippen oder -bleche erzielt, die sich in diesen Raum erstrecken. Es ist auch möglich den druckfesten Behälter 2ur Aufnahme zu kühlender Gegenstände größer als den eigentlichen Hydridspeicher auszubilden. Low-temperature hydrides that release H 2 at a certain pressure in the temperature range of the media or environments to be cooled are known. Known arrangements of hydride storage devices can also be used for the storage arrangements. The storage containers are designed to be pressure-resistant and are conveniently arranged in a container that has sufficient space to accommodate media, liquids, food or objects to be cooled. Good heat conduction between the storage device and the surrounding space to be cooled is achieved, for example, by means of cooling fins or plates provided on the storage container that extend into this space. It is also possible to make the pressure-resistant container for holding objects to be cooled larger than the actual hydride storage device.
Auch der katalytische Brenner ist einfach ausbildbar. In einer von zahlreichen denkbaren Ausführungen wird z.B. ein doppelwandiges Gefäß mit einem Mantel-Brennraum mit im Mantel enthaltenem Katalysatormaterial realisiert, dessen doppeltem Boden über eine vom Speicherbehälter zugeführte Wasserstoffgasleitung H2 und über Luftschlitze, -löcher oder -kanäle Luftsauerstoff zugeführt werden. Darüberhinaus ist lediglich ein einziges Ventil in der Wasserstoffgasleitung erforderlich, mit dem zur kontrollierten Wasserstofffreisetzung eine Druckentlastung im Speicherbehältnis herbeigeführt wird.The catalytic burner is also easy to design. In one of the many possible designs, for example, a double-walled vessel with a jacketed combustion chamber with catalyst material contained in the jacket is created, the double bottom of which is supplied with H 2 via a hydrogen gas line fed from the storage vessel and with atmospheric oxygen via air slots, holes or channels. In addition, only a single valve is required in the hydrogen gas line, which is used to relieve pressure in the storage vessel for controlled hydrogen release.
Weitere einfache Ausführungen können durch an sich bekannte katalytische Diffusionsgasbrenner realisiert werden. Dazu gehören z.B. mit Katalysatormaterial beschichtete poröse Keramikplatten oder entsprechend beschichtete Sintermaterialien. Other simple designs can be realized using known catalytic diffusion gas burners. These include, for example, porous ceramic plates coated with catalyst material or appropriately coated sintered materials.
Auf diese Weise sind kompakte tragbare und wartungsarme Kühl/Kocheinheiten für den Campingbereich, z.B. für Baustellen oder auch für wissenschaftliche Untersuchungen außerhalb des Labors realisierbar.In this way, compact, portable and low-maintenance cooling/cooking units can be created for camping, e.g. for construction sites or for scientific research outside the laboratory.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figur näher erläutert. Diese zeigt ein Ausführungsbeipsiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form einer transportablen "Hot-CoId Box". Ein Hydridspeicher 1 eines Tieftemperaturhydrids, das bei Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperaturen der Vorrichtung Wasserstoff freisetzt, ist in einem geschlossenen Behältnis 2 angeordnet, in dem sich darüberhinaus eine zu kühlende Flüssigkeit F befindet. Für diesen Einsatz können z.B. bekannte Metallhydride verwendet werden, von denen einige AbKühlungen bis zum Eispunkt gestatten, jedoch auch noch nicht näher untersuchte, neue Hydridarten, die besonders endotherm Wasserstoff freisetzen. (Bisher wurden gerade solche Hydride ausgewählt und untersucht, die eine möglichst geringe endotherme Wirkung zeigten.) Speicheranordnungen für eine möglichst effektive Unterbringung von Speichermasse sind aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt, wobei Strukturen zur Aufnahme pulver- oder pelletartiger Materialien vorgeschlagen wurden, die die bei einer Wiederbeladung auftretende Volumenausdehnung berücksichtigen.The invention is explained in more detail below with reference to the figure. This shows an example of the device according to the invention in the form of a portable "hot-cold box". A hydride storage device 1 of a low-temperature hydride, which releases hydrogen at temperatures below the ambient temperature of the device, is arranged in a closed container 2, in which there is also a liquid F to be cooled. For this purpose, known metal hydrides can be used, for example, some of which allow cooling to the ice point, but also new types of hydride that have not yet been examined in detail and which release hydrogen particularly endothermically. (So far, only those hydrides have been selected and examined that have shown the lowest possible endothermic effect.) Storage arrangements for the most effective accommodation of storage mass are known from a large number of publications, with structures for accommodating powder or pellet-like materials being proposed, which take into account the volume expansion that occurs during reloading.
Der Hydridspeicher 1 umfaßt einen druckfesten Behälter, an dem Kühlrippen angebracht sind, die in das Behältnis 2 hineinragen. Die Kühlrippen und auch der druckfeste Behälter sind aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer hergestellt. The hydride storage device 1 comprises a pressure-resistant container to which cooling fins are attached, which protrude into the container 2. The cooling fins and also the pressure-resistant container are made of a material with good heat conduction, such as copper.
An den druckfesten Behälter ist durch den Boden des Behältnisses 2 eine Gasleitung 3 angeschlossen, die mit einem Ventil 4 versehen ist und zu einem katalytischen Brenner 5 geführt ist. Dieser ist durch eine doppelwandiges Gefäß 6 realisiert, unter dessen Boden die Leitung 3 in der angedeuteten Weise in einer Düse endet und in dessen Boden eine Reihe von Luftansaugkanälen 7, z.B. in kreisrunder konzentrischer Ausbildung, vorgesehen sind. Die Außenwandung des inneren Behälters ist mit einem Katalysatormaterial 8 überzogen. Je nach Material des inneren Behälters kann auch auf dessen Außenwandung eine Trägerstruktur für die Katalysatorbeschichtung angebracht werd. Als Katalysatormaterialien sind beispielsweise Palladium oder Platin verwendbar und für die Trägerstrukturen z.B. Keramiken. Im übrigen stellt die Beschichtung zwar eine kostengünstige, jedoch nicht die einzige Lösung dar. Stattdessen sind auch im Mantelraum befindliche, mit Katalysatormaterial beschichtete Strukturen wie Netze denkbar.A gas line 3 is connected to the pressure-resistant container through the bottom of the container 2. The gas line 3 is provided with a valve 4 and is led to a catalytic burner 5. This is implemented by a double-walled vessel 6, under the bottom of which the line 3 ends in a nozzle as indicated and in the bottom of which a series of air intake channels 7 are provided, e.g. in a circular concentric configuration. The outer wall of the inner container is coated with a catalyst material 8. Depending on the material of the inner container, a support structure for the catalyst coating can also be attached to its outer wall. Palladium or platinum, for example, can be used as catalyst materials and ceramics, for example, can be used for the support structures. Furthermore, although the coating is a cost-effective solution, it is not the only one. Instead, structures such as nets coated with catalyst material located in the jacket space are also conceivable.
Ferner ist ein beispielsweise kreisrunder Auslaßschlitz 9 oder -kanal für bei der Verbrennung entstehende Gase (Stickstoff und der entstehende Wasserdampf, angezeigt durch die Pfeile) im oberen Bereich der Außenwand des Gefäßmantels vorgesehen. Sowohl das Behältnis 2 als auch das Gefäß 6 weisen einen Deckel auf. Im Gefäß oder auch Topf 6 ist ein zu erwärmendes Kochgut K aufgenommen. Das Behältnis 2 weist noch einen Hahn 10 auf, über den gekühlte Flüssigkeit z.B. in das angedeutete Glas aus dem Behältnis entnommen werden kann.Furthermore, an outlet slot 9 or channel, for example a circular one, for gases produced during combustion (nitrogen and the resulting water vapor, indicated by the arrows) is provided in the upper area of the outer wall of the vessel shell. Both the container 2 and the vessel 6 have a lid. The vessel or pot 6 contains a cooking product K to be heated. The container 2 also has a tap 10 through which cooled liquid can be taken from the container, e.g. into the glass indicated.
Bei Öffnen des Ventils 3, d.h. bei Herabsetzung bzw. Entlastung des Drucks im druckfesten Speicherbehälter strömt H2 aus dem Speicher 1 zum Brenner 5. Durch die endotherme H2-Freisetzung entsteht ein Kühleffekt, der proportional zur für die Freisetzung erforderlichen Energie ist. (Zur Freisetzung von 1 mol H2 werden etwa 30 kJoule verbraucht.) Das freigesetzte Wasserstoffgas strömt durch die Leitung 3 zum Brenner, der Luftsauerstoff wird einerseits durch diese Strömung und andererseits durch natürliche Konvektion (in der durch die Pfeile angedeuteten Weise) angesaugt und auf der mit Katalysatormaterial beschichteten Wandoberfläche findet eine Umsetzung des H2 mit Luftsauerstoff unter Abgabe von Wärme statt. Dabei sind ohne weitere Optimierung der Anordnung 1 bis 20 W/cm2 Katalysatorfläche erzielbar.When the valve 3 is opened, i.e. when the pressure in the pressure-resistant storage tank is reduced or relieved, H 2 flows from the storage tank 1 to the burner 5. The endothermic release of H 2 creates a cooling effect that is proportional to the energy required for the release. (Approximately 30 kJoules are consumed to release 1 mol of H 2. ) The released hydrogen gas flows through line 3 to the burner, the oxygen in the air is sucked in by this flow and by natural convection (in the manner indicated by the arrows) and the H 2 reacts with oxygen in the air on the wall surface coated with catalyst material, releasing heat. A catalyst surface of 1 to 20 W/cm 2 can be achieved without further optimization of the arrangement.
Da die die Temperatur der katalytischen Verbrennung auf relativ niedrigen Temperaturen (z.B. etwa 100 °C) gehalten werden kann, sind an die Isolation der Behältnisse der Box keine hohen Anforderungen zu stellen. Die Isolationsmaterialien müssen nicht wärmefest sein.Since the temperature of the catalytic combustion can be kept at relatively low temperatures (e.g. around 100 °C), the insulation of the box containers does not have to meet high requirements. The insulation materials do not have to be heat-resistant.
Im Ausführungsbeispiel werden mit diesem Verfahren gleichzeitig Getränke gekühlt und Speisen erwärmt. Hierbei ist eine Trennung des Hydridmaterials von den Lebensmitteln erforderlich. Bei anderen Anwendungen könnte das Behältnis 2 selbst druckfest ausgebildet werden und es könnte das Hydridmaterial z.B. in Form beschichteter Pellets im Behältnis angeordnet werden, wodurch ein direkter Wärmeentzug gewährleistet würde. Auch in diesem Fall ist eine Wiederbeladung mit H2 möglich.In the exemplary embodiment, this method is used to cool drinks and heat food at the same time. This requires the hydride material to be separated from the food. In other applications, the container 2 itself could be designed to be pressure-resistant and the hydride material could be arranged in the container, for example in the form of coated pellets, which would ensure direct heat extraction. In this case, recharging with H 2 is also possible.
Der Hydridspeicher 1 ist vorzugsweise lösbar am Boden des Behältnisses 2 befestigt, um einen Austausch gegen einen frisch mit H2 beladenen Speicher zu ermöglichen.The hydride storage unit 1 is preferably detachably attached to the bottom of the container 2 to enable it to be exchanged for a storage unit freshly charged with H 2 .
Wie bereits eingangs erwähnt, sind darüberhinaus sämtliche Ausführungen von Diffusionsbrennern in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einsetzbar. Bei derartigen Ausführungen sind dann im Gegensatz zum obigen Ausführungsbeispiel beliebige Gefäße für die zu erwärmenden Medien ohne doppelte Wandung sowie ohne katalytische Beschichtung verwendbar, die je nach Bedarf austauschbar sind und nicht mit der Vorrichtung mitzuführen sind.As already mentioned at the beginning, all designs of diffusion burners can also be used in the device according to the invention. In such designs, in contrast to the above embodiment, any vessels for the media to be heated without double walls and without catalytic coating can be used, which can be exchanged as required and do not have to be carried with the device.
Die Zufuhr von Luft stellt nicht die einzige Lösung dar. So kann z.B. für die Anwendung in U-Booten und in der Raumfahrt Sauerstoff aus einem Sauerstoffbehälter zugeführt werden.The supply of air is not the only solution. For example, for use in submarines and in space travel, oxygen can be supplied from an oxygen tank.
Claims (10)
dadurch gekennzeichnet,2. Device according to claim 1
characterized,
dadurch gekennzeichnet,3. Device according to claim 2
characterized,
dadurch gekennzeichnet,4. Device according to claim 1,
characterized,
Priority Applications (1)
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| DE9014138U DE9014138U1 (en) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | Device for the simultaneous generation of cold and heat |
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| DE9014138U DE9014138U1 (en) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | Device for the simultaneous generation of cold and heat |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9014138U1 true DE9014138U1 (en) | 1991-02-14 |
Family
ID=6858284
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9014138U Expired - Lifetime DE9014138U1 (en) | 1990-10-11 | 1990-10-11 | Device for the simultaneous generation of cold and heat |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9014138U1 (en) |
-
1990
- 1990-10-11 DE DE9014138U patent/DE9014138U1/en not_active Expired - Lifetime
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