NO784201L - Fremgangsmaate for fremstilling av en varmeakkumulator samt middel for utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte for fremstilling av en varmeakkumulator samt middel for utførelse av fremgangsmåten.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte samt et middel for fremstilling av en varmeakkumulator for kontrollerbart opptak og lagring og avgivning av varme ved hjelp av des-tillasjonslagringssystem basert på tørkemidler, som salthydrater, ammoniater eller zeolitter.

På grunn av den tiltagende knapphet og de økende omkost-

ninger for fossile brensler har interessen for ivaretagelse av solenergi i forskjellige former stadig øket. Undersøkelser har således for eksempel vist at den innfallende solstråling også på breddegrader relativt nært polene oppfanget av såkalte solfangere har et energiinnhold som er fullt tilstrekkelig for lokaloppvarming gjennom hele året uten at solfangerens overflate behøver å bli altfor stor. Problemet å økonomisk kunne utnytte solenergi for oppvarming av hus er derfor hovedsakelig et lagringsproblem. Gjennom sommermånedene er inn-strålingen størst, men gjennom vintermånedene er energibehovet størst. Beregninger basert på forholdene i Skandinavia har bl.a. vist at om man kunne langtidslagre lavtemperaturvarme fra solenergi, ville f.eks. et godt isolert en-familiehus som krever ca. 16.000 kWh/år i oppvarming, kunne gjøres helt selvforsørgende med solenergi med en solfangeroverflate på 40 m 2 og en lagringsenhet som sesongvis kan lagre opptil 7000 kWh.

Mange forskjellige former for lagringsmetoder er foreslått i

den senere tid.

Således anvendes allerede i dag solvarmelagring ved oppvarming

av f.eks. vann eller stenbed. Jo høyere spesifikk varmekapa-Isitet materialet har, desto større lagringsevne får varmemagasinet

per volumenhet. Man arbeider også med å utvikle varmemagasin som utnytter den såkalte latente varmen, og som bygger på lagringsmediers faseomvandlinger. Et eksempel på dette er såkalt smeltelagring, hvor man lagrer varmen ved å f.eks. la et salthydrat smelte. Et såkalt smeltelager har relativt høy lagringskapasitet og inneholder relativt mye varme pr. volum-'enhet.

En av ulempene ved ovennevnte lagringsformer er at varmetapene under langtidslagring blir meget store. Lagringen av varme i vannmagasin er derfor eksempelvis ikke egnet for enkelt-boliger, men kan muligens være egnet for store bostedsområder slik at varme kan lagres i meget store dammer. For å ytterligere høyne lagringskapasiteten og eliminere ulempene med varmetap fra varmemagasinet, er det også foreslått å lagre solenergi eller andre energiformer gjennom såkalt kjemisk lagring eller destillasjonslagring. Ved destillasjonslagring kan man f.eks. benytte seg av visse kjemiske forbindelser som kan avgi (desorbere) respektive binde (sorbere) en gass. Ved desorpsjonen (ladningen) destilleres gassen over til en resi-pient, som i visse tilfeller kan være en tank hvori gassen kondenserer under varmeavgivning. Ved sorpsjonen frigjøres varme.

For å kunne realisere varmelagringssystemer basert på destillasjonslagring, kreves at systemene har visse passende likevekt-damptrykksdata. Generelt gjelder at damptrykket ved ladnings-temperaturen overstiger tilsvarende damptrykk i resipienten ved dens temperatur. På tilsvarende måte skal ved sorpsjon damptrykket ligge lavere enn resipientdamptrykket.

For dette har man foreslått hovedsakelig tre forskjellige typer sorbenter, nemlig tørkemidler, slik som salthydrater, ammoniater og zeoli.tter. Salthydrater er vanlige kjemiske forbindelser som har en stor evne til å binde vann, f.eks. ved sorpsjon av vanndamp. Ammoniatene sorberer ammoniak. Zeolittene kan ende-lig sorbere flere forskjellige gasser.

For å kunne oppnå et anvendelig system for varmelagring ifølge I destillasjonsmetoden må i tillegg til det ovenfor angitte fysikalsk-kjemiske data andre vesentlige betingelser stilles for systemet. Således er det ikke bare viktig at energi-tettheten er høy i et lagringssystem, men man må også kunne bevirke et tilstrekkelig raskt varmeuttak. Det samme gjelder regenereringen av varmelagringsenheten, dvs. avdrivingen av gass ved oppvarming med f.eks. solvarme skal også være rela-

tivt rask.

Et annet krav er at de anvendte komponenter er billige, lett tilgjengelige og miljøvennlige.

Sorpsjonen, respektive desorpsjonen av f.eks. salthydrat,

eller saltammoniat, er rask så lengde det dreier seg om en overflate-effekt. Imidlertid har det vist seg at om sorbatet (gassen) diffunderer langsomt inn i sorbentkornene, kan det lett oppstå sintring. Dette fører til en minskning av sorbent-overflaten og fører dermed til små muligheter til et akseptabelt effekt-uttak. Disse problemer er utpreget for hydrater og saltammoniater.

Et annet viktig krav til et destillasjonssystem er at sorpsjons-, respektive desorpsjonsforløpet skal kunne gjentas mange ganger uten at negative forandringer opptrer i systemet.

Det har vist seg at spesielt salthydrater i pulver- eller korn-form ved gjentatt sorpsjon, respektive desorpsjon, sinter og klumper seg slik at sorpsjonsprosessen respektive desorpsjons-prosessen etter få sykluser blir meget langsom. En annen ulempe har vært at krystallisasjonen er inhomogen og hvis kornene opp-bevares i en beholder, får man en meget inhomogen og på visse steder porøs sorbent. Utover nevnte iakttagelser med hensyn til strukturforandringer kan også nevnes at både hydrater og ammoniater sveller ved gassabsorpsjonen. Det bør i denne sammenheng påpekes at mekanismen ved sorpsjon og desorpsjonsprosessene ennå ikke er klarlagt. Man kan altså konstatere at man i dag har gjort omfattende teoretiske spekulasjoner over egnede fysi-kalske og kjemisk systemer for å kunne erholde reversible systemer for lang varmelagring ved hjelp av destillering. Riktignok har man hittil utført mange eksperimenter, men har ikke oppnådd

I noen praktiske løsninger.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er ovennevnte problem ved destillasjonslagring overraskende løst ved en varmeakkumulator av den innledningsvis beskrevne type, idet denne akkumulator tilvirkes ved at destillasjons-lagringssystemets sorbent innebygges i et fiberaktig bærermateriale, og derved bringes til å innta en for det gassformige sorbatet lett tilgjengelig stil-lingsfiksering i bærermaterialets fibermasse.

Ifølge en egnet utførelsesform av oppfinnelsen impregneres

et porøst bærermateriale med sorbenten i form av en løsning og/eller smelte- eller dispersjon.

Herved anvendes som sorbent gjerne tørkemidler som hydrater og fortrinnsvis hydrater av saltene CaCl2, FeCl2, LiCl, MgCl2, (NH4)2Zn (S04)2eller NH^ Al (S04)2eller også ammoniater og da fortrinnsvis ammoniater av saltene CaBr2, FeCl2og MnCl2-

Impregneringen kan herved gjennomføres med smelte eller løsning av sorbenten.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen anvendes CaCl2som sorbent.

Det fiberaktige materialet består gjerne av sterkt absorberende, sterkt voluminøst materiale med en viss stivhet, fortrinnsvis bærermaterialer som cellulosesvamp, fortrinnsvis papir, kartong, skiver eller andre formede legemer tilvirket av ubleket eller bleket kjemisk eller mekanisk masse eller blandinger herav, med eller uten tilsetning av syntetiske fibre.

Fortrinnsvis tilvirkes det fiberaktige materiale ved våtforming eller tørrforming i ett eller flere sjikt, eller ifølge moulded-pulp-metoden, og behandles med egnede bindemidler og andre midler slik at bærermaterialet har god absorpsjonsevne ved impregnering samt god retensjonsevne for sorbentenes smelte- og væskefase.

Bærermaterialet kan, om ønskelig, gjøres våtsterkt og/eller våt-stivt ved f.eks. fenolbehandling, og før eller i visse tilfeller etter impregnering gis en passende form.

Et relativt billig.bærermateriale erholdes ved anvendelse av ark av.såkalt fluffmasse.

Oppfinnelsen omfatter også et middel for tilvirkning av en anordning for kontrollerbart opptak, lagring og avgivning av varme, og som karakteriseres ved et fiberaktig bærermateriale som inneholder en stillingsfiksert sorbent som er lett tilgjengelig for påvirkning av et gassformig sorbat som inngår i destillasjonssystemer basert på tørkemidler som salthydrater, ammoniater eller zeolitter.- ,

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forklares under henvisning til noen utførelsesformer som er vist på vedlagte teg-ning, samt eksempel, hvor

fig. 1-5 viser noen ulike fremstilte prøver ifølge oppfinnelsen.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen er ark av cellulosefibre utnyttet, hvilke har en sterk absorpsjonsevne for væsker bestående av smelter eller løsninger. På den måte er f.eks. salthydrat CaCl2i smeltet form eller i løsning brakt til å impregnere en bane av cellulosefibre i form av en kartong. Etter tørking og kjøling er et meget høyt innhold av saltet fiksert i arket. Om tørkingen gjennomføres fullstendig, består saltet av bare CaCl2. Det har derved overraskende vist seg at saltet ikke bare finnes

i høy konsentrasjon og er jevnt fordelt i arket, men også at arket kan håndteres under bibehold av saltkornets stillings-fiksering i arket. Enda mer overraskende viser absorpsjons-forløpet seg å være. Om f.eks. fuktig luft føres over det tørkede arkets plane flater, skjer en umiddelbar absorpsjon av vanndamp under frigiving av varme. Under absorpsjonen blir arket gradvis fuktig under varmeavgiving. Det bemerkelsesverdige er at absorpsjonen synes å skje jevnt over overflaten, samt at for-løpet også skjer jevnt inn mot arkets midte, hvilket ytrer seg ved at fuktigheten synes å fordele seg jevnt i arket.

CaCl^er som kjent i teknisk form, et billig kjemikalium og anvendes f.eks. som veisalt. Et CaCl2-molekyl kan absorbere opptil 6 vannmolekyler, og lagringskapasiteten øker selvfølgelig med antall absorberte vannmolekyler.

o

Absorpsjonen skjer trinnvis og slik at første trinnet er

Neste trinn er

Det tredje trinnet gir: og det siste trinnet

Ut fra de ovennevnte iakttagelser kan man anta at ved absorpsjon av f.eks. salthydratpulver fordelt i et fiberaktig ark, kommer i det minste noen av de forskjellige absorpsjonstrinn som ovenfor er angitt, til å skje samtidig på forskjellige steder i arket. Samtidig skjer antagelig faseomvandlinger,

dvs. de forskjellige formene av hydrater vil under absorpsjonsprosessen finnes i forskjellige faser i arket. Det har nå overraskende vist seg at hydratets væskefase blir jevnt fordelt i arket, dvs. under absorpsjonsprosessen blir hele arket jevnt og gradvis fuktig. Dette kan tyde på at når saltet som er fordelt i arket, under absorpsjonen tar opp så mye vann at stoffet går over i væskefase, sprer denne væsken seg i arket som følge av f.eks. kapillarkreftene. Det kan også tenkes at cellulose-fibrene selv opptar en del salt i væskefase.

Man har dog ikke kunnet finne ut hva som skjer under absorpsjonsprosessen i form av faseforandringer, og noen uttømmende forkla-ring har heller ikke kunnet gis på hva som skjer. Man kan imidlertid konstatere at som nevnt skjer absorpsjonen meget jevnt

ettersom det fra begynnelsen tørkede, stive arket gradvis under tilførsel av damp mykner under sterk varmeavgivelse, samt at arket viser seg å bli gradvis og jevnt fuktet under absorpsjons-forløpet. Det har også vist seg at forløpet kan avbrytes når l_som helst ved at gasstilgang forhindres. Deretter kan etter I

kortere eller lengre tid absorpsjonsforløpet fortsettes ved gasstilførsel uten at noen som helst varmeavgivelse til om-givelsene skjer under hviletiden.

Desorpsjonen eller ladningen bevirkes ved at varme tilføres arket eller formlegemet. I de tilfeller hvor et salthydrat anvendes, frigjøres altså vanndamp, og i de tilfeller et ammoniat anvendes, frigjøres ammoniakk. I en utførelsesform ifølge oppfinnelsen bringes en oppvarmet bærergass, f.eks. tørket luft, til å stryke over arkets eller formlegemets flater.

Som tidligere nevnt, har et av problemene med destillasjonslagring hittil vært at man ikke lykkedes i å bevirke tilstrekkelig raske effektuttak. Dette har bl.a. berodd på at sorbenskornene sintrer eller danner porøse strukturer, hvilke gir en dårlig varmeledningsevne. Problemet forverres for hver gang absorpsjons/desorpsjonssyklusen gjentas. Sorbenskornene selv har også en relativt dårlig varmeledningsevne. Om avstanden mellom det område i sorbensmassen hvor varmen utvikles og sorbenslagrets varmeavgivende flate er stor, blir temperatur-fallet for stort og også derigjennom forhindres muligheten til et akseptabelt effekt-uttak. De forslag som hittil har vært gitt for utforming av lagringsanordninger for å muliggjøre et akseptabelt effekt-uttak ved å øke de varmeavgivende flatene i forhold til tykkelsen av sorbenslaget, har ikke vist seg praktisk anvendelige. Det har imidlertid overraskende vist seg at også desorpsjonsforløpet i de forskjellige utførelsesformene ifølge oppfinnelsen er raskt og at desorpsjon fra formlegemene eller arket er homogent. Tross et stort antall gjentatt sykluser har ingen forandringer kunne iakttas i desorpsjonsforløpet.

Ved at man ifølge oppfinnelsen kan forhåndsbestemme formlegemets eller arkets dimensjoner, kan man for et visst bestemt destillasjonssystem optimere effektuttaket i forhold til lagringskapasiteten.

Også om det således har vist seg at sorbenskornene ligger jevnt fordelt i hulrommene i bærermaterialet, og at sorpsjonsforløpet er meget jevnt, samt at i den grad saltet forekommer i væskefase, fordeles væsken i arket antagelig avhengig av de virkende I kapillarkrefter, synes det som også i dette tilfelle en til tagende tykkelse av formlegemet kan føre til et lavere effekt-uttak på grunn av et øket temperaturfall når varme transporteres fra formlegemets indre til dets varmeavgivende overflater. Man er sannsynligvis i en viss grad begrenset ved valg av bærermaterialets tykkelse.

Ifølge foreliggende oppfinnelse muliggjøres også lagringsanordninger for destillasjonslagring av varme med høyt effekt-uttak kombinert med stor effektiv lagringstetthet hos varme-lageret. Ved at man ifølge oppfinnelsen kan fordele sorbenskornene i et bærermateriale i form av et formlegeme med en på forhånd gitt dimensjon, kan formlegemets varmeavgivende flater på meget enkel måte gjøres tilgjengelige for varmeuttak. I en utførelsesform ifølge oppfinnelsen består formlegemene av et ark eller skiveformet fiberaktig materiale.

Ved riktig valg av tykkelse i forhold til overflaten på dette arkformede materialet kan den varmeavgivende flatens størrelse tilpasses arkmaterialets tykkelse.

Dessuten er formlegemene i form av f.eks. ark gjort håndter-bare og kan f.eks. gjennom passende anordninger stables inn-

til hverandre til et mellomrom dannes mellom overflatene.

For å oppnå høy total effektiv lagringskapasitet bør avstanden mellom overflatene være så liten som mulig, og uten at mot-standen til gassen som avgis ved desorpsjonen, blir for stor.

I de tilfeller en bærergass, f.eks. oppvarmet luft, anvendes, kan dette med f.eks. en vifte bringes til å passere mellomrommene mellom planoverflåtene.

Ifølge oppfinnelsen muliggjøres således en jevn fordeling av sorbenskornene i et bærermateriale samt en rask og jevn sorpsjon og desorpsjon, hvilke forløp kan gjentas et meget stort antall ganger. Dessuten muliggjøres en høy lagringskapasitet av sorbenskornene i bærermaterialet. Ved riktig dimensjonering av bærermaterialet muliggjøres et optimalt effekt-uttak samtidig som den effektive lagringskapasiteten av lagringsbeholderen kan holdes høy.

Noen eksempler på lagringskapasitet som kan oppnås i form av I volumvekt av sorbensen i bærermaterialet, skal gis nedenfor.

Eksempler vil også bli gitt på utførelsesformer av lagrings-beholdere som muliggjør raskt effekt-uttak ved en meget høy effektiv lagringskapasitet. Eksempler vil også bli gitt som viser noen egnede metoder av anordninger innenfor oppfinnelsens ramme, hvilke viser at oppfinnelsen muliggjør varmelager for lagring av såkalt lavtemperaturvarme ved ca. 200° med en høy lagringstetthet, høyt effektuttak og en utnyttelse av billige kjemikalier og bærermaterialer. Det skal også vises praktiske løsninger av komplette billige systemer for ivaretagelse av t solenergi.

I de nedenstående eksempler anskueliggjøres bare forsøk med varmelagring med hydrat av saltet CaC^. Dette materiale er meget billig og finnes tilgjengelig i meget store mengder. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til dette hydratet. Mange andre hydrater, respektive ammoniater, kan komme til anvendelse. Det er også tenkelig å anvende andre tørkemidler for utøvelse av oppfinnelsen.

Den tekniske formen av CaCl221^0 foreligger som vanlig veisalt oftest i form av fnugg. Fnuggene har en tetthet på

ca. 0,80 g/cm 3, når alt vann er fjernet ved tørking ved minst

9 0° temperatur. En annen teknisk kvalitet kan frembringes

ved knusing, hvorved man får pulver. Det tørkede pulver har en volumvekt på ca. 0,85 g/cm 3.

Som det vil fremgå av nedenstående eksempel, har det vist seg mulig å lagre forbausende store mengder salt i fiberaktige ark. Det har vært mulig å f.eks. ved en riktig tilpasset flertrinnsimpregnering av ark av fiberaktig materiale med

riktig egenskaper for impregnering, å oppnå volumvekter av saltet på mellom 0,40 - 0,90 g/cm 3. Man bør legge merke til at i disse tallene er volumvekten av fibermassen trukket fra.

Det har altså ganske oppsiktsvekkende vist seg mulig ved riktig valg av materiale og impregneringsmetode å finfordele og stillingsfiksere f.eks. et salt. I et fiberaktig volum med en densitet av selve saltet som ligger nær densiteten av saltpulver fritt lagret i et kar. Man har altså gjennom oppfinnelsen fått en mulighet til å stillingsfiksere og finfordele I sorbenskornene jevnt i et ønsket volum som med hensyn til form] og dimensjon kan tilpasses i det system for sorpsjon henholdsvis desorpsjon som velges, samt at sorpsjonen henholdsvis desorpsjonen skjer i meget jevnt og kontrollerbart forløp.

Videre har det gjennom oppfinnelsen vært mulig at sorpsjons-

og desorpsjonsforløpet kan gjentas et meget stort antall ganger uten at noen forandringer har kunnet påvises.

Gjennom en egnet utførelsesform av oppfinnelsen, hvor sorbensen f.eks. i form av et salthydrat bringes til å impregnere et t absorbenspapir eller annet arkformet fiberaktig materiale,

kan varmeuttaket respektive desorpsjonen skje raskt og jevnt ved at gassen bringes i kontakt med arkets plane flater.

Ifølge oppfinnelsen kan bærermaterialet gjerne impregneres med sorbensen i form av en løsning, smelte eller dispersjon. Det har derunder som nevnt vist seg mulig å oppnå meget høye konsentrasjoner av sorbens i fibermassen. Dette bevirkes bl.a.

ved f.eks. impregnering med et hydrat ved at dette bringes i løsning eller smelte ved en relativt høy temperatur. Således har f.eks. forskjellige fibermasser blitt varmeimpregnert med smelte av tetrahydrat av kalsiumklorid med veisalt som råvare.

Det har i de fleste tilfeller vist seg at jo høyere konsentra-sjonen av sorbensen er i forhold til vanninnholdet, desto større er konsentrasjon av salt i fibermassen. Dette er imidlertid under forutsetning av at smeiten eller løsningen ved impregneringstilfellet har en lav viskositet. I det nevnte eksempel ved impregnering med veisalt er viskositeten lav selv ved høye konsentrasjoner og muliggjør et høyt innhold av sorbens.

Det har også vist seg at impregneringsmåten er av betydning

for å oppnå et høyt innhold av sorbens. For visse fibermasser og sorbenser kan en flertrinns-impregnering gi et meget høyt innhold. For impregnering enten det gjelder entrinns- eller flertrinnsimpregnering, kan forskjellige i og for seg kjente impregneringsmetoder komme til anvendelse. En form for dypp-impregnering kan gjerne anvendes, dvs. bærermateriale i form av et formet legeme, f.eks. en skive eller et ark dyppes i en I passende varm smelte eller løsning av sorbenser. Hvis det

dreier seg om et bærermateriale i form av skiver eller ark, kan dyppimpregneringen gjerne kombineres med at materialet bringes mellom en eller flere valser, hvilket kan bidra til å presse luften ut av fibermassen. Det er viktig at impregneringen skjer så fullstendig som mulig, og at hele fiber-

massen blir homogent impregnert. På grunn av at de for impregnering av sorbensen mest egnede fibermassene som regel er meget voluminøse, må imidlertid slutt-trinnet av impregneringen skje uten altfor stor utesing av smelte eller løsning.

En lett avskraping eller pressing av løsningen bør imidlertid skje slik at ikke et overskudd av sorbens medfølger overflaten, hvilket kan føre til problemer ved materialets anvendelse.

Det har også vist seg at formlegemets egenskaper i forskjellige henseender har stor betydning for resultatet. Som nevnt er forsøket utført med både porøse svampmaterialer og forskjellige fibermaterialer. Det har derved vist seg at fibermaterialer har vist seg spesielt egnet. Dette har bl.a. ifølge oppfinnelsen vist seg at man gjennom et riktig valg av fibermateriale som under formingen til formlegemet tilføres visse egnede egenskaper, kan erholde et høyt innhold av sorbens og et for sorpsjons/desorpsjonsprosessen egnet materiale. Det har også viset seg at det går å oppnå en kombinasjon av fiberbærer-materiale/ sorbens som ikke bare har riktige tekniske egenskaper, men også kan fremstilles til meget lave omkostninger. Grunnen til at visse fibermaterialer er egnede, er ikke bare

at de muliggjør en meget høy absorpsjon. Selve sorpsjons- og sorpsjonsprosessen blir som nevnt tidligere jevn. Dessuten har det vist seg at et riktig valgt fibermateriale er egnet, ettersom såvel hydrater som ammoniater sveller kraftig under sorpsjonen. Et riktig valgt fibermateriale har vist seg å kunne motstå slike gjentatte formformandringer ved gjentatte sorpsjons/desorpsjonsprosesser.

Valg av fibermateriale og dets egenskaper samt formelegemets dimensjoner og egenskaper avhenger av hvilken type lagring som tilsiktes.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende forklares nærmere under I henvisning til nedenstående eksempel og et antall utførelses- | eksempler vist på vedlagte tegninger, hvor

fig. 1 viser et snitt gjennom to ifølge oppfinnelsen preparerte ark anordnet i avstand fra hverandre,

fig. 2 og 3 viser liknende snitt som fig. 1, hvor avstandsorganer er anordnet mellom arkene,

fig. 4 viser en ifølge oppfinnelsen fremstilt varmeakkumulator og

fig. 5 viser et ifølge oppfinnelsen fremstilt formlegeme med indre hulrom.

I fig. 1 vises et snitt gjennom to slike skiveformede formlegemer 1 anordnet på en viss avstand fra hverandre, hvorved maksimal gassabsorpsjon og. gassdesorpsjon fås over skivenes plane flater. I de tilfeller formlegemene er skiveformet,

er det formålstjenlig at de for å danne en pakke av skiver med riktig avstand mellom skivene, støttes og stillings-

fikseres med formålstjenlige anordninger.

I fig. 2 og 3 vises at denne avstand mellom to skiver 1 kan oppnås ved anvendelse av forskjellige avstandsorganer.

I fig. 2 vises i snitt hvordan stillingsfikseringen mellom

to skiver 1 oppnås med et foldet mellomlegg 3 som på grunn av foldingen bare i visse punkter berører og støtter skivene.

På den måten kan et riktig antall skiver 1 anordnes på hverandre og danne en pakke. Sorbenser som befinner seg i skivene,

f.eks. salthydrater, kan mykne under sorpsjonen, men gjennom anvendelse av mellomlegget 3 støttes skivene og holdes i avstand fra hverandre. Ved at det bølgeformede mellomlegget 3 har relativt spisse topper 2, legges dog størstedelen av skivens overflate fri.

Mellomlegget 3 kan bestå av mange forskjellige materialer.

Disse bør være billige i pris og ikke mykne f.eks. ved fuktning på grunn av absorpsjon av hydratløsning. Egnede materialer for I dette er eksempelvis herdet fenolharpiksimpregnert kraftpapir, | stive plastfolier, mange andre utførelsesformer og andre materialer er naturligvis tenkelige.

I fig. 3 vises eksempel på hvordan det ønskede mellomrommet mellom to plater 1 tilveiebringes ved at det i bærermaterialet finnes forhøyninger 4. I et slikt tilfelle må selve bærermaterialet før eller etter behandlingen behandles slik at minst forhøyningene 4 er stive og motstår fuktighet. En slik opp-stiving kan eksempelvis skje ved behandling med en herdeplast, eksempelvis fenol.

I. fig. 4 vises ytterligere en utførelsesform for sammenføyning

av flere skiveformede formlegemer til en kassettliknende anordning. Formlegemene 1 som inneholder sorbensen, er parvis plassert ved hjelp av mellomlegg 3 som tillater gasspassasje mellom skivene. Skivene er innesluttet i en kassettliknende

.hylse 7. På tilsvarende måte er et annet skivepar la plassert

i en kassett 8 under kassetten 7, slik at 'en spalte 9 dannes mellom kassettene. Gjennom spalten 9 kan gjerne transport-medium tilføres,"respektive føres vekk til og fra skivenes ytre plane flater.

I fig. 5 består formlegemene 1 av parallell-epipeder som er stillingsfiksert i avstand fra hverandre og har hovedsakelig kvadratisk tverrsnitt. I respektive formlegemer kan hulrommet 6 forefinnes for tilførsel, henholdsvis bortføring av varme.

Som nevnt, har valget av fibermaterialets egenskaper stor betydning for resultatet. Når det gjelder ark eller skiveformede formlegemer, fremstilles gjerne disse på i og for seg kjent måte ved våtforming på en papir- eller kartongmaskin, eller ved såkalt tørrforming, hvorved det tørre fibermaterialet blåses på en opptaksanordning. Fiberbindingen ved tørrforming kan skje gjennom såkalt hydrogenbinding, dvs. gjennom tilstede-værelse av vann eller med syntetiske bindemidler. Fremstilling av formlegemer kan dog også skje på annen måte, f.eks. ved en såkalt moulded-pulp-metode.

I Det har vist seg at en avgjørende faktor for såvel et høyt im-Lpregneringsinnhold som en jevn sorpsjon/desorpsjon er både fibermaterialets og formlegemenes egenskaper før impregnering.

Således har det vist seg at et meget stort volum, dvs. en

lav volumvekt, gir både et høyt sorbensinnhold og en rask impregnering. Det har også vist seg at det i visse tilfeller er fordelaktig med relativt lange fibre av f.eks. cellulose eller bomull. Et altfor stort innhold av korte fibre har i blant tendens til å tette igjen en del hulrom og skader

impregneringen.

Ved f.eks. anvendelse av sorbenser av salthydrater er det også viktig at bærermaterialet har en evne til å etter gjenfukting holde fast hydratet i væskefase slik at væsken ikke renner ut av formlegemet. Dette oppnås bl.a. ved at fibermaterialet og fibermassen har en viss stivhet, dvs. kan beholde sin volu-minøse struktur til tross for gjentatte sorpsjons/desorpsjons-sykluser. I visse tilfeller er en tilsetning av syntetiske fibre formålstjenlig.

Det best egnede cellulosematerialet av tekniske grunner er bleket kjemisk cellulose. Av bl.a. kostnadsgrunner ville man foretrekke ubleket sulfatmasse, men visse problemer kan oppstå på grunn av materialets hydrofobe egenskaper, som dog kan av-hjelpes med overflateaktive midler. Termomekanisk masse med relativt høy freeness er også egnet, bl.a. fordi den er billig og fibrene er stive.

Av våtmetoden kan man fremstille et voluminøst bærermateriale med egnede egenskaper i form av f.eks. skiver eller endeløse baner av kartong. Man kan ved egnede tiltak erholde en volumvekt rundt 0,4 g/cm 3 av det ferdige bærermaterialet. I visse tilfeller kan man komme ned til 0,2 g/cm 3, hvilket svarer til en bulk på 5 m 3/g.

Den såkalte tørremetoden muliggjør som regel fremstilling av meget voluminøse materialer. Man kan oppnå en bulk på 5 - 6.

Man kan også anvende flersjiktsmaterialer, hvor f.eks. ytter-^ sjiktene består av et annet fiberslag enn i materialets midte. For å oppnå tykke bærermaterialer, f.eks. i form av ark eller skiver, kan flere ark sammenføyes med f.eks. laminering.

Denne kan skje ved eksempelvis ekstrudering av en termoplast-film. Laminatet kan bringes til å gi en viss øket stivhet ved riktig valg av lamineringsmiddel. Om lamineringen skjer med en hel film, bør den bare utføres med to ark slik at sorpsjon kan skje innover fra hver overflate. Ønskes fler-sjiktslaminat, kan laminering skje med nett eller ved hjelp av annet lamineringsmiddel- som slipper gjennom sorbensen og sorbatet.

I visse tilfeller er det formålstjenlig å eksempelvis overtrekke eller laminere bærermaterialets ene ytterflate med en film av f.eks. plast. En slik behandling kan spesielt med hensyn til akkumulatorer som anordnes liggende, forhindre at i det tilfelle bærermaterialet ikke evner å holde, eventuelt danne en sorbat-løsning, drypper ned på underliggende akkumulatordeler.

Riktignok kan sorpsjon ikke skje fra den således behandlede flaten, men det har vist seg at om sorbensløsningen blokkeres med f.eks. en plastfilm, suges løsningen igjen opp til bærermaterialet ved desorpsjonen. Prinsipielt skal bærermaterialet i og for seg være selvbærende før impregnering.

Ved valg av materiale og tilvirkningsprosess kan man altså fremstille et materiale f.eks. i skiveform som er egnet både for impregnering med et høyt innhold av sorbens, og gi et sluttprodukt bærer/sorbens med riktige sorpsjons/desorpsjons-egenskaper.

Det har vist seg at bærermaterialet sveller under impregnering. Det samme gjelder det ferdige formlegeme av sorbens/bærer under sorpsjonen. Det er derfor nødvendig at fibermassen kan motstå svelling under gjentatte sorpsjons/desorpsjonsprosesser.

Man skulle tro at skivene eller arkene måtte være relativt

tynne for å muliggjøre tilstrekkelig rask sorpsjon, dvs. et akseptabelt effekt-uttak.

Det har imidlertid overraskende vist seg at også tykke skiver I eller ark kan gi et meget stort effekt-uttak.

•Fig. 1 illustrerer hvordan absorpsjonen skjer også i et for-holdsvis tykt skivemateriale. Skivene 1 og 2 vises i fig. 1

i tverrsnitt, og skyggemarkeringen viser et mykt sjikt av hydrat som under sorpsjonen øker i tykkelse, og fra begge overflatene i arket gradvis trenger innad. Forsøk har vist at sorpsjonen skjer tilstrekkelig jevnt innover, og også muliggjør høye effekt-uttak helt til det sentrale sjiktet av sorbens har sorbert gassen.

Takket være denne overraskende virkning kan man altså ytterligere høyne effektive lagringskapasiteter ved valg av tykke ark eller skivemateriale.

Nedenstående tabell viser eksempler på noen forskjellige saltinnhold etter impregnering av forskjellige bærermaterialer med hydrater av kalsiumklorid som er blitt oppnådd. Impregneringen har skjedd med samme konsentrasjon av salthydratet samt ved 95° temperatur.

Verdiene er utregnet med hensyn til svellingen etter impregnering og tørking og vedrører bare det tørre saltets volumvekt, dvs. fibermassens volumvekt er trukket fra. Som sammenlikning for verdiene er et forsøk med impregnering av et svampmateriale medtatt. Av tabellen fremgår at man allerede ved ett-trinnsimpregnering kan oppnå en meget høy volumvekt av det tørre saltet ved anvendelse av et egnet bærermateriale (nr. 7, 8 og 9) med høy bulk. Man kan også oppnå høy volumvekt av det tørre saltet ved flertrinnsimpregnering (nr. 5 og 6). Vesentlig er imidlertid som nevnt også fibermaterialet evne til etter sorpsjonen å kunne holde tilbake væskefasen i den grad en slik forekommer. I så henseende er fibermaterialets egenskaper av stor betydning. Det har f-.eks. vist seg at impregnert materiale tilsvarende prøve 3 hadde dårligere evne til å holde tilbake væskefasen etter sorpsjon enn f.eks. materialet ifølge prøve 7 og 9. Undersøkelsen har vist at fiberlengde, fiberfinhet og fiberstivhet har stor betydning. I visse tilfeller har det også vist seg at et høyt saltinnhold gir en dårligere evne til å holde tilbake væskefasen.

wFibermaterialets egenskaper ved væting synes å ha betydning for sorpsjons/desorpsjonsforløpet. Således synes et fibermateriale med hydrofile egenskaper å være å foretrekke. Egen-skapene synes å kunne påvirkes ved riktig valg av pH eller når det gjelder termomekanisk masse ved tilsetting av bleket masse.

Følgende eksempel utført i et forsøksanlegg har til hensikt å vise eksempler på hvilke lagringstettheter, energi- og effekt-uttak som kan fås med en anordning ifølge oppfinnelsen.

Eksempel I

Et høyabsorberende bærermateriale i form av en voluminøs kartong med god fastholdelsesevne for hydratets væskefase ble impregnert med hydrat av veisalt. Bærermaterialet og det således impregnerte formlegemet var av samme type som nr. 7 i den tidligere viste tabellen. Flere plater ble stablet på hverandre til en lamellpakke. Platene hadde hver tykkelse på 3 mm i tørr tilstand. Det tørre saltets volumvekt var 0,65 g/cm 3. Mellomrommet mellom platene var 1 mm. Platene var 7,9 cm

brede og 6,9 cm lange. Pakkens totalvolum (bruttovolum) var 0,12 dm 3. Pakken ble plassert i en luftkanal med tverrsnitt-areal 2,1 m oog bredde 7,9 cm. En vifte blåste fuktig luft utenfra gjennom pakken før sorbenstanken (pakken),og etter tanken kunne fuktighetsinnholdet og temperaturen avleses. Luftstrømmen i kanalen kunne også måles. Forsøket pågikk i 40 minutter. Ved temperatur-,fuktighetsinnhold-og luftmengde-målinger kunne temperaturstigning av tørre termometre regi-streres samtidig som effekt-uttaket og energi-uttaket kunne beregnes. Forsøket ble avbrutt etter at halvparten av den lagrede energien var tatt ut.

Resultatet fremgår av nedenstående tabell.

Effekt-uttak (varmeinnholdsforandringer pr. tidsenhet i

utgående luft og vanndamp)

Energi-uttak: 10,4 wh

Lufthastighet gjennom lamellene: 6 m/sek.

På basis av ovenstående forsøksresultater kunne energi-uttak,

. effekt-uttak og energitetthet beregnes med følgende resultat: L _ resultat: I

Som man ser, sank effekt-uttaket under forsøket. Samtidig ble det observert at utgående fuktighetsinnhold øket. Det tolkes slik at dampabsorpsjonen minsket. Mer konstante forhold har kunnet anordnes ved valg av betydelig lengre absorpsjons-strekning. Da hadde det i første delen stigende overskudd av fuktig luft blitt absorbert i følgende deler med etter-følgende temperaturstigning og således kunne effekt-uttaket holdes relativt konstant.

Forsøket viser også meget høyt effekt-uttak pr. m<2>skiveflate tross relativt beskjedne inngående fuktighetsmengder i luften.

I ovennevnte forsøk var saltinnholdet 0,38 g tørt salt pr. cm<3>bruttovolum lagringstank.

Som tidligere nevnt, er det i de fleste tilfeller ønskelig

å oppnå et meget høyt saltinnhold for på den måten å kunne oppnå en stor lagringskapasitet pr. volumenhet. I det følgende vises eksempel på impregnering og forskjellige lagringskapasiteter, som ble oppnådd ved hjelp av impregnering med hydrat av kalsiumklorid.

Eksempel 2

Som bærermateriale ble valgt en høytabsorberende kartong med meget høy bulk. Kartongens tykkelse var 2,0 mm og densitet 0,24 g/cm 3 , hvilket svarer til en bulk 4,25 cm 3/g. Fibermaterialet var bleket cellulose. Sorbenssaltet var veisalt,

dvs. CaCl2" 2H20.

Først ble et forsøk utført som tilstrebet å oppnå høyest mulig volumvekt salt. En smelte av kalsiumklorid-hydrat ble fremstilt, hvor forholdene var 75 vekt-% salt og 25 vekt-% vann,

!dvs. smeiten inneholdt hovedsakelig CaCl2<*>2H20. Impregnering]

skjedde ved hjelp av dypping av arket ved en smeltetemperatur

på 110° C. Et annet forsøk ble utført med en smelte med andeler 52 vekt-% CaC12 og 48 vekt-% vann. Smeltens/

løsningens sammensetning var åpenbart en blanding av CaCl24H20 og CaCl2* 6H20.

Etter impregneringene ble arkene tørket og volumvekten for

tørt salt ble bestemt. Samtidig ble tykkelsesforandringene registrert under impregnering og tørking.

Resultatene av første forsøk fremgår av nedenstående tabell.

Ved impregnering med smelte med høyere vanninnhold ifølge det andre forsøket fikk man en densitet av det tørre saltet på

0,4 7 g/cm<3>.

Som det fremgår av tabellen ovenfor, sveller materialet kraftig ved impregneringen, hvilket fører til en senkning av fibermassens densitet. Bemerkelsesverdig er det at den sammenlagte densitet av tørt salt og fibermasse i det impregnerte og tør-kede materialet er 0,85 g/cm 3, hvilket stort sett sammenfaller med det frie pulverets densitet. Det fremgikk videre av for-søkene at det tørre saltets densitet blir lavere ved et høyt varmeinnhold i hydratsmelten. Det viste seg også at svellingen ved impregneringen var betydelig mindre, hvilket i dette tilfellet innebærer en høyere densitet av fibermassen og en lavere densitet av det tørre saltet. Ved impregnering med samme vanninnhold i hydratsmelten ble svellingen større ved lengre impregneringstid. Man kan altså påvirke densiteten ved hjelp av impregneringstiden.

I Det bør i denne sammenheng påpekes at det ikke alltid er ønskelig t med størst mulig innhold av tørt salt. I visse tilfeller kan et ekstremt høyt innhold salt og tilsvarende lavt innhold av fibre ved f.eks. store effekt-uttak føre til sorpsjons-vanskeligheter. En optimering av densitet hos det tørre saltet og fibermassen bl.a. med hensyn til ønsket effekt- og energi-uttak er derfor nødvendig. En beregning av hvilke saltinnhold pr. brutto volumenhet som kan oppnås med anvendelse av plater som sammensettes til lamellpakke på samme måte som beskrevet i eksempel I, viser at platene ifølge første forsøk gir et saltinnhold på 0,5 6 g/cm 3 bruttovolum og platene ifølge andre forsøk 0,47 g/cm 3. Ved et sorpsjons-forløp med tilgodegjøring av energiuttaket av tørt CaC^ til og med dannelse av CaC^<*>41^0 blir maksimalt uttagbar energi-mengde, dvs. maksimal lagringskapasitet 280 kgH/m^ bruttovolum lagertank i første tilfelle, hvilket må anses som meget høyt.

•Ved anvendelse av plater med høyt saltinnhold og anvendelse

av tykkere plater 3 kan saltinnholdet av f.eks. CaCl-1på opptil 0,55 - 0,65 g/cm bruttovolum oppnås. Ettersom saltet i dette tilfellet har en tetthet som fritt pulver av 0,85 g/cm 3, innser man at man kan oppnå en meget høy lagringskapasitet.

0 3 8

I eksempel I er den n ' oe = 45 % av pulverets og i eksempel 2

q 0 ' 5 6 = 66%. Man burd'e altså ved riktig dimensjonering av lamellsystemet samt riktig valg av fibermateriale og impregneringsmetode maksimalt kunne oppnå tilnærmet 70% eller noe mer.

Til slutt skal fremholdes at selv om foreliggende eksempel og prinsipielle system hovedsakelig eksemplifiseres som system for boligoppvarming og med desorpsjon ved hjelp av solfanger, er oppfinnelsen ikke begrenset til disse anvendelsesområdene.

Desorpsjonen kan skje sentralt ved f.eks. ivaretagelse av over-skuddsvarme eller frembringelse av sentrale solfangeranlegg og de således ladede pakkene med sorbens distribueres på egnet måte.

Videre kan oppfinnelsen utnyttes for varmelagring på mange

andre områder enn for oppvarming av boliger.

I I,-,de anførte eksempler har sorbensen vært veisalt. Oppfinnelsen I 1 kan imidlertid som nevnt utøves med anvendelse av andre tørke-'midler, som hydrater, ammoniater og zeolitter,og helt generelt kan man anvende hvilken som helst sorbens som har evnen til under angitte betingelser å oppta et for hver gang egnet kon-denserbart gassformig medium under varmeutvikling.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en varmeakkumulator for kontrollerbart opptak og lagring og avgiving av varme ved hjelp av destillasjonslagrings-system basert på tørkemidler som salthydrater, ammoniater eller zeolitter, karakterisert ved at destillasjonslagrings-systemets sorbens innebygges i et fiberaktig bærermateriale og derved bringes til å innta en for det gassformige sorbat lett tilgjengelig stilling fiksering i bærermaterialets fibermasse.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bærermaterialet impregneres med sorbensen i form av en løsning og/eller smelte eller dispersjon.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at man som sorbens anvender tørkemiddel som hydrat.

4. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-3, karakterisert ved at man som sorbens anvender hydrater av saltene CaCl2 , FeCl2 , LiCl, MgCl2 , (NH4 )2 Zn (S04 )2 eller NH4 Al (S04 )2 .

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at man som sorbens anvender ammoniater av saltene Ca Br2 , Fe Cl2 , Mn Cl2 -

6. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at impregneringen ut-føres med en smelte av sorbensen.

Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at impregneringen gjennom- føres med en sorbensløsning.

8. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at sorbensløsningen og/ eller -smeiten inneholder minst 50 vekt-% bundet vann.

9. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-8, karakterisert , ved at man som sorbens anvender CaCl2 •

10. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-9, karakterisert ved at impregneringen gjennom-føres ved forhøyet temperatur.

11. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1 -.10, karakterisert ved at impregneringen utføres i flere trinn.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1-11, karakterisert ved at bærermaterialet i form av et formlegeme, eksempelvis i form av en skive eller et ark, dyppes i en varm smelte eller løsning av sorbensen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at dyppe-impregneringen kombineres med en fjerning av luft som befinner seg i materialet, eksempelvis ved at materialet behandles mellom en.eller flere valser.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at det fiberaktige materialet før impregnering formes til ark eller skiveformede formlegemer ved vårforming, tørr-forming eller såkalt moulded-pulp-metode.

15. Fremgangsmåte ifølge ett eller fler av kravene 1-14, karakterisert ved at det anvendte bærermateriale består av høytabsorberende, høytbulkige materialer.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert I v e d at man som.bærermateriale anvender papir, karton, skiver eller andre formlegemer tilvirket av ubleket eller bleket kjemisk eller mekanisk masse, eller blandinger herav.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 1-16, karakterisert ved at det fiberaktige materialet inneholder . en høy andel lange fibre, fortrinnsvis cellulosefibre.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 1-17, karakterisert ved at bærermaterialet blandes med syntetiske fibre.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 1-18, karakterisert ved at man for oppnåelse av en forbedret våt-styrke,formbarhet og formstivhet utfører en lett impregnering av formlegemet med en hårdplast, eksempelvis fenol.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 1-19, karakterisert ved at en bane av voluminøst, fiberaktig materiale impregneres med en sorbens i smelte eller løsning og deretter tørkes og kjøles.

21. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 1-20, karakterisert ved at et bærermateriale anvendes som har god reaksjonsevne for sorbensen.

22. Middel for tilvirkning av en anordning for kontrollerbart opptak og lagring og avgiving av varme, karakterisert ved at et fiberaktig bærermateriale inneholdende en stillingsfiksert sorbens som er lett tilgjengelig for påvirkning av et gassformig sorbat inngående i destillasjons-lagringssystemet, basert på tørkemidler som salthydrater, ammoniater eller zeolitter.