WO2010031095A2 - Verfahren und vorrichtung zum verdampfen und verflüssigen eines mediums - Google Patents

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Otto Preglau
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B15/00—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type
    • F25B15/10—Sorption machines, plants or systems, operating continuously, e.g. absorption type with inert gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/04—Heat pumps of the sorption type
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    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
    • Y02B30/62—Absorption based systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for vaporizing and liquefying a medium with the aim of heat, namely to win condensation heat during liquefaction.
  • the medium continuously evaporated and liquefied according to the invention is a refrigerant, e.g. Ammonia, as it is also used in heat pumps.
  • the refrigerant eg ammonia, NH 3
  • NH 3 ammonia
  • absorption heat pumps operate by supplying heat energy, and in this process too the expansion and cooling of the medium takes place via a throttle valve.
  • the invention has for its object to provide a method for vaporizing and liquefying a medium available, is obtained in the heat of condensation and in which for the execution of the method or the operation of the device less energy than previously required in the operation of heat pumps.
  • the pressure of a gas mixture changes as the sum of the partial pressures of the individual gases of which the mixture consists. Therefore, the pressure of the mixture is determined from the partial pressure of the medium (e.g., ammonia) and the partial pressure of the inert gas (e.g., hydrogen or nitrogen) when carrying out the method of the present invention.
  • the medium e.g., ammonia
  • the inert gas e.g., hydrogen or nitrogen
  • the liquefied medium for example ammonia
  • an inert gas which may be hydrogen or nitrogen.
  • a gaseous mixture of medium and inert gas e.g. from ammonia, hydrogen or nitrogen, wherein the required heat of vaporization by means of a heat exchanger of the environment (air or water or the like.) Is removed.
  • the resulting in the evaporation of the liquid medium in the inert gas mixture is separated again in the process according to the invention.
  • the separation of the mixture, consisting of vaporized medium and inert gas, can be carried out in various ways.
  • One possibility is to separate the mixture by the action of an electric field on the mixture.
  • the separation of the gas mixture can be carried out, for example, by loading charged molecules of the medium, e.g. charged ammonia molecules are deflected in the electric field.
  • the component of the mixture is separated off, in particular the inert gas, from the mixture by temporary chemical bonding.
  • This is particularly advantageous when using hydrogen as an inert gas, when the inert gas (hydrogen) is separated by formation of metal hydrides.
  • ammonia molecules are electrically charged by applying a corona discharge. Such charged ammonia molecules can be effectively separated from the mixture in the electric field.
  • electrode arrangements with separate charging and deposition zones have proven to be particularly advantageous because they operate very effectively.
  • the mixture of inert gas (hydrogen or nitrogen) and medium (ammonia) is bubbled through a (narrow) gap between electrodes.
  • the charged molecules of the medium (ammonia molecules) are deflected in the direction of the working electrode, so that the mixture is separated. It is advantageous to provide separation tongues in the flow path, which guide the separate gases into separate flow paths.
  • the separation of the mixture of inert gas and medium may be carried out by forming metal hydrides in an adiabatic pressure difference method at a pressure of several hundreds of Torr.
  • this adiabatic pressure swing process (practically) no heat exchange will take place, so that all the work done on the system will be completely transformed into the internal energy.
  • the absorption and desorption of hydrogen are allowed to proceed simultaneously with the aid of a single absorber column. The amount of heat released during absorption is stored in ballast material stretched hydride pellets and consumed again.
  • the envisaged in the process according to the invention separating the mixture with the formation of metal hydrides can be carried out by itself or in addition to the separation with electrodes.
  • the rate of passage of hydrogen through the metal hydride block for increasing the pressure difference to accelerate without the use of a compressor.
  • the charged molecules of the medium (ammonia molecules) are drawn in an embodiment of the invention in the condenser in the region of the working electrode.
  • the metal hydride block is only lapped by the hydrogen as the second electrical pole, so that on this side the total pressure prevailing in the condenser, but only the partial pressure of the hydrogen on the opposite side in the evaporator comes into effect.
  • sequence of the method according to the invention can be described as follows:
  • a medium (refrigerant, eg NH 3 ) is periodically evaporated and liquefied again.
  • the medium is circulated by a fan.
  • the medium vaporizes in an evaporator in an inert gas atmosphere (eg H 2 or N 2 ), whereby its partial pressure drops, so it expands.
  • an inert gas atmosphere eg H 2 or N 2
  • the mixture of vaporized medium and inert gas is passed through a heat exchanger where it absorbs ambient heat.
  • the mixture flows through another heat exchanger in which it is heated by flowing out of the condenser (hot) inert gas.
  • the mixture is driven by a fan into a vapor space of the condenser.
  • the mixture enriched with medium eg ammonia, NH 3
  • medium eg ammonia, NH 3
  • Liquefied medium is pumped through the heat exchanger (to cool it by the cold, gaseous mixture flowing into the condenser) and a
  • Inert gas separated in the condenser flows via the heat exchanger into the first evaporator. It is advantageous in the inventive method: since in all parts of the plant, even in the heat exchangers, only a predetermined operating pressure, depending on the prevailing temperature, is required, enough to circulate the gases (medium and inert gas) blower and for liquefied medium, a circulation pump.
  • (inert) inert gas nitrogen or hydrogen
  • (nitrogen or hydrogen) is blown into the evaporator and the liquid medium is injected, which evaporates via troughs flowing down into the inert gas atmosphere.
  • ambient heat is supplied to the mixture via the wall of the evaporator.
  • a heat exchanger is provided, in which the mixture formed in the evaporator (at ambient temperature) is heated by receiving heat from the environment (air and / or water).
  • the heating of the mixture in the heat exchanger is not detrimental because simply the temperature level in the condenser condensation is higher.
  • the dew point of the medium in the condenser is below, because the condenser (continuously), a gaseous mixture of medium and inert gas is fed, but the inert gas and separated from the
  • the inert gas whether hydrogen or nitrogen, is heated by the heat of condensation emitted by the refrigerant, but since the pressure difference process is performed adiabatically (ie without heat exchange with the environment), the entry of hydrogen into the metal releases heat to form metal hydride , which, however, is consumed again when hydrogen is discharged.
  • Fig. 1 shows schematically a first embodiment and Fig. 2 shows a second embodiment of a system according to the invention.
  • the plant shown in Fig. 1 has as essential parts of a boiler plant as a condenser 5, a heat exchanger 6, an evaporator 2, a heat exchanger 20 and a fan 1.
  • a pump 13 is connected, the liquefied medium via a line 14 to the evaporator 2 leads.
  • the evaporator 2 is connected to the heat exchanger 20 so that vaporized medium (mixed with inert gas) absorbs heat in the heat exchanger 20 and is conducted via a line 3 via the fan 1 into the vapor space 4 of the condenser 5.
  • electrodes 7 and 8 are provided, wherein between the electrodes 7 and 8, a separation tongue 9 is provided.
  • a heat exchanger 21 is provided, which is supplied via lines 12 and a pump 22, a heat transfer medium or dissipated.
  • the separation tongue 9 is mounted so that separated inert gas is supplied via a line 10 to the heat exchanger 6 after it flows via the line 10 to the evaporator 2.
  • the fan 1 provides the necessary gas circulation and conveys the warmed up to circulation temperature of medium and inert gas (eg ammonia vapor hydrogen gas mixture) from the heat exchanger 20 via line 3 into the vapor space 4 of the condenser 5.
  • medium and inert gas eg ammonia vapor hydrogen gas mixture
  • the mixture of inert gas and Medium (ammonia) in the heat exchanger 6 to the operating temperature prevailing in the condenser 5, heated.
  • the molecules of the medium (ammonia molecules) are electrically charged before entry between the electrodes 7, 8 by means of corona charging and the gas mixture passed between the oppositely charged electrodes 7 and 8.
  • the charged molecules of the medium are deflected in the direction of the working electrode 7 and the gases thus separated are separated from one another by the at least one separating tongue 9.
  • gaseous medium ammonia gas
  • the medium containing e.g. Ammonia, enriched part of the mixture condenses in the
  • Purified inert gas (hydrogen) is blown from the vapor space 4 of the condenser 5 via the line 10 into the evaporator 2. Condensed medium is also conducted by means of the liquid pump 13 via the line 14 into the evaporator 2. Both media are cooled in the heat exchanger 6 against the cold medium-inert gas mixture (ammonia vapor-hydrogen mixture) in countercurrent, before finally in the evaporator 2 liquid medium (ammonia) expands into the inert gas and evaporated under (extreme) cooling.
  • the cold medium-inert gas mixture ammonia vapor-hydrogen mixture
  • ammonia liquid medium expands into the inert gas and evaporated under (extreme) cooling.
  • the separation of medium (ammonia) from the inert gas (hydrogen) takes place in the liquefier by means of a metal hydride block 15.
  • metal e.g. Palladium is provided as metal. Palladium can absorb 600 to 3000 times its volume of gaseous hydrogen, with hydrogen starting to dissolve again at relatively low temperatures (40 to 50 ° C) and very low pressure from the metal lattice of the palladium.
  • the amount of heat released during absorption is stored in ballast material stretched hydride pellets and consumed again.
  • the separation of the medium (NH 3 ) is possible, with finely divided palladium (palladium sponge) is particularly suitable, which is 600 times as SoI can accommodate 3000 times the volume of gaseous hydrogen in its metal grid and the hydrogen at relatively low temperatures (40 ° C - 50 ° C) and very low pressure in turn begins to loosen from the metal lattice of the paladium.
  • the charging zone consists of a series of sputtering wire-plate electrode pairs that charge the water vapor molecules flowing through a correspondingly applied voltage in the kVolt range and the current in the ⁇ A range. It is an inhomogeneous field.
  • the deposition zone consists of a group of homogenous fields, which with a very high Voltage and an extremely low amperage and be produced with plate pair electrode arrangements.
  • the electrical power required to deflect is thus small and is in the one-watt range.
  • the medium is circulated by the blower 1.
  • the medium evaporates in the evaporator 2 in an inert gas atmosphere (e.g., hydrogen or nitrogen), whereby the partial pressure of the medium decreases, thus expanding.
  • an inert gas atmosphere e.g., hydrogen or nitrogen
  • the mixture of vaporized medium and inert gas is passed through a heat exchanger 20, where it receives ambient heat.
  • the mixture of medium and inert gas flows through a further heat exchanger 6, in which it is heated by flowing out of the condenser 5, hot inert gas.
  • the mixture is largely separated, to which ionized ammonia molecules in an electric field (electrodes 7 and 8) are deflected and optionally additionally or exclusively inert gas is chemically bonded or absorbed, for example under Metallhydrid Struktur when the inert gas is hydrogen.
  • the condenser 5 condenses the medium (ammonia) from the mixture because the dew point is exceeded, especially since the partial pressure of the medium increases because inert gas is separated, with liquid refrigerant accumulates at the bottom 11 of the condenser 5.
  • Resulting condensation heat is removed from the vapor space 4 of the condenser 5 via a heat exchanger 21 and can be supplied to a heater.
  • Passed heat exchanger 6 In the heat exchanger 6, it is cooled by the cold, gaseous mixture flowing to the condenser 5. The thus obtained heated, liquefied medium is passed via the line 14 to the evaporator 2, where it is in the Inert gas, which is supplied to the evaporator 2 via the line 10, evaporated into it.
  • the medium In the continuous evaporation and liquefaction of a medium, such as ammonia, with the aim of using ambient heat for heating, the medium is circulated by means of a blower 1 between a condenser 5 and an evaporator 2, and a heat exchanger 20.
  • the medium In the evaporator 2, the medium is evaporated into an atmosphere of an inert gas, and the mixture of vaporized medium and inert gas is heated in the heat exchanger 20 by absorbing heat from the environment.
  • inert gas In the condenser 5, inert gas is separated from the mixture of medium and inert gas, so that the partial pressure of the medium rises and liquefies it.
  • Liquefied medium is supplied from the condenser via a pump 13 under heat exchange with inflowing cold mixture back to the evaporator 2, as well as a separate line 10 inert gas. From the condenser 5, heat is removed from the steam space 4 of the condenser 5 via a heat exchanger 21 and used for heating.

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Abstract

Beim kontinuierlichen Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums, wie Ammoniak, mit dem Ziel, Umgebungswärme zum Heizen zu verwenden, wird das Medium mit Hilfe eines Gebläses (1 ) im Kreislauf zwischen einem Verflüssiger (5) und einem Verdampfer (2), sowie einem Wärmetauscher (20) geführt. Im Verdampfer (2) wird das Medium in eine Atmosphäre eines Inertgases hinein verdampft und das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird im Wärmetauscher (20) erwärmt, indem es aus der Umgebung Wärme aufnimmt. Im Verflüssiger (5) wird aus dem Gemisch Medium-Inertgas Inertgas abgetrennt, sodass der Partialdruck des Mediums ansteigt und dieses verflüssigt. Verflüssigtes Medium wird aus dem Verflüssiger über eine Pumpe (13) unter Wärmetausch mit zuströmendem kalten Gemisch wieder dem Verdampfer (2) zugeführt, ebenso wie über eine gesonderte Leitung (10) Inertgas. Aus dem Verflüssiger (5) wird aus dem Dampfraum (4) des Verflüssigers (5) über einen Wärmetauscher (21 ) Wärme abgeführt und zum Heizen verwendet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums mit dem Ziel, Wärme, nämlich beim Verflüssigen Kondensationswärme, zu gewinnen. Insbesondere ist das gemäß der Erfindung insbesondere kontinuierlich verdampfte und verflüssigte Medium, ein Kältemittel, z.B. Ammoniak, wie es auch in Wärmepumpen verwendet wird.
Bei heute bekannten Wärmepumpen soll das Kältemittel (z.B. Ammoniak, NH3) bei möglichst tiefen Temperaturen verdampfen und so Wärmeenergie aus der Umgebung aufnehmen, um bei einer möglichst hohen Temperatur Kondensationswärme wieder abzugeben.
Beim Betreiben von Wärmepumpen soll der Umgebung (Luft, Wasser und dgl.) mit möglichst wenig Aufwand an Energie ständig Wärme auf niedrigem Niveau entnommen, in Brauchwärme umgewandelt und einer Niedertemperaturheizung zugeführt werden.
Das bei Wärmepumpen auftretende Anheben der Temperatur wird heutzutage vorwiegend mittels Kompressoren, Kältemittel und Expansionsventil in einem geschlossenen Kreislauf erreicht. Der Antrieb des Kompressors ist vergleichsweise arbeitsintensiv und verbraucht erhebliche Mengen an Energie, z.B. Strom.
Im Gegensatz zu Verdichtungswärmepumpen (diese arbeiten mit mechanisch angetriebenen Kompressoren) arbeiten Absorptionswärmepumpen durch Zufuhr von Wärmeenergie, wobei auch bei diesem Verfahren die Expansion und das Abkühlen des Mediums über ein Drosselventil erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums zur Verfügung zu stellen, bei dem Kondensationswärme gewonnen wird und bei dem für das Ausführen des Verfahrens bzw. dem Betreiben der Vorrichtung weniger Energie als bisher beim Betreiben von Wärmepumpen erforderlich ist.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren, welches die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruches aufweist.
Insoweit die erfindungsgemäße Vorrichtung betroffen ist, wird dieses Verfahren mit dem unabhängigen, auf die Vorrichtung gerichteten Anspruch gelöst.
Vorteilhafte Weitergestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche. Im Gegensatz zu den bekannten Wärmepumpen wird bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise das Absenken des Drucks nicht durch ein Drosselventil, sondern durch Anwenden eines neutralen Gases erreicht.
Nach dem Gesetz von Dalton ändert sich der Gesamtdruck einer Gasmischung als Summe aus den Partialdrücken der Einzelgase aus denen die Mischung besteht. Daher bestimmt sich der Druck des Gemisches aus dem Partialdruck des Mediums (z.B. Ammoniak) und dem Partialdruck des Inertgases (z.B. Wasserstoff oder Stickstoff), wenn das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt wird.
Das verflüssigte Medium , beispielsweise Ammoniak, verdampft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in ein Inertgas, das Wasserstoff oder Stickstoff sein kann, hinein. Auf diese Weise entsteht ein gasförmiges Gemisch aus Medium und Inertgas, z.B. aus Ammoniak, Wasserstoff oder Stickstoff, wobei die erforderliche Verdampfungswärme mit Hilfe eines Wärmetauschers der Umgebung (Luft oder Wasser oder dgl.) entnommen wird.
Das beim Verdampfen des flüssigen Mediums in das Inertgas entstandene Gemisch wird beim erfindungsgemäßen Verfahren wieder getrennt. Das Trennen des Gemisches, bestehend aus verdampftem Medium und Inertgas, kann auf verschiedene Art und Weise ausgeführt werden.
Eine Möglichkeit besteht darin, das Gemisch durch Einwirkung eines elektrischen Feldes auf das Gemisch zu trennen. Das Auftrennen des Gasgemisches kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass geladene Moleküle des Mediums, z.B. geladene Ammoniakmoleküle, im elektrischen Feld abgelenkt werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, den abzutrennenden Bestandteil des Gemisches, insbesondere das Inertgas, durch vorübergehende chemische Bindung aus dem Gemisch abzutrennen. Dies ist insbesondere bei Verwenden von Wasserstoff als Inertgas vorteilhaft, wenn das Inertgas (Wasserstoff) durch Bildung von Metallhydriden abgetrennt wird.
Da ein Ablenken von ungeladenen Ammoniakmolekülen in einem inhomogenen elektrischen Feld durch Dipolwirkung praktisch nicht wirksam ist, werden in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Ammoniakmoleküle durch Anwenden einer Koronaentladung elektrisch geladen. Derart geladene Ammoniakmoleküle lassen sich im elektrischen Feld wirksam aus dem Gemisch abtrennen.
In der Praxis haben sich Elektrodenanordnungen mit getrennten Auflade- und Abscheidezonen als besonders vorteilhaft erwiesen, weil sie sehr wirkungsvoll arbeiten. Beispielsweise wird das Gemisch aus Inertgas (Wasserstoff oder Stickstoff) und Medium (Ammoniak) nachdem die Moleküle des Mediums durch Koronaauflade-Verfahren elektronisch geladen worden sind, durch einen (engen) Spalt zwischen Elektroden hindurchgeblasen. Dabei werden die aufgeladenen Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) in Richtung der Arbeitselektrode abgelenkt, sodass das Gemisch aufgetrennt wird. Vorteilhaft ist es, im Strömungsweg Trennzungen vorzusehen, welche die voneinander getrennten Gase in gesonderte Strömungswege leiten.
Wenn beim erfindungsgemäßen Verfahren als Inertgas Wasserstoff verwendet wird, kann das Auftrennen des Gemisches aus Inertgas und Medium durch Bilden von Metallhydriden in einem adiabatischen Druckdifferenzverfahren bei einem Druck von einigen 100 Torr erfolgen. Bei diesem adiabatischen Druckwechselverfahren wird (praktisch) kein Wärmeaustausch stattfinden, sodass die gesamte, am System verrichtete Arbeit vollständig in die innere Energie übergeht. Bei dem in einer Ausführungsform der Erfindung ausgeführten adiabatischen Druckwechselverfahren zum Auftrennen des Inertgas-Medium- Gemisches ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer einzigen Absorbersäule die Absorption und Desorption von Wasserstoff gleichzeitig ablaufen gelassen wird. Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und wieder verbraucht.
Das beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehene Trennen des Gemisches mit Bilden von Metallhydriden kann für sich oder zusätzlich zum Auftrennen mit Elektroden ausgeführt werden.
Da geladene Moleküle des Mediums (Ammoniak-Moleküle) beim Koronaauflade-Verfahren in einem statisch elektrischen Feld in Richtung der Arbeitselektrode abgelenkt werden, kann in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, bei dem genannten Verfahren die Durchsatzgeschwindigkeit von Wasserstoff durch den Metallhydridblock wegen Erhöhen der Druckdifferenz ohne Einsatz eines Kompressors zu beschleunigen.
Die geladenen Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) werden in einer Ausführungsform der Erfindung im Verflüssiger in den Bereich der Arbeitselektrode hineingezogen. Der Metallhydridblock wird als zweiter elektrischer Pol nur noch vom Wasserstoff umspült, sodass an dieser Seite der im Verflüssiger herrschende Gesamtdruck, auf der entgegengesetzten Seite im Verdampfer aber bloß den Partialdruck des Wasserstoffs zur Wirkung kommt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist von Vorteil, dass für das erforderliche Umwälzen des Gases Gebläse hinreichen (Kompressoren sind nicht nötig), sodass der Energieaufwand für das Trennen des Gemisches beim erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu Verdichtern bei Kompressionskältemaschinen sehr klein ist. So kann die Wirtschaftlichkeit beim erfindungsgemäßen Gewinnen von Kondensationswärme gegenüber bekannten Wärmepumpen bzw. Kaltdampfmaschinen beträchtlich gesteigert werden.
In einer Ausführungsform kann der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt beschrieben werden:
I . Ein Medium (Kältemittel, z.B. NH3) wird periodisch verdampft und wieder verflüssigt.
2. Das Medium wird von einem Gebläse im Kreislauf geführt.
3. Das Medium verdampft in einem Verdampfer in einer Inertgasatmosphäre (z.B. H2 oder N2), wodurch dessen Partialdruck sinkt, es expandiert also.
4. Das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird über einen Wärmetauscher geführt, wo es Umgebungswärme aufnimmt.
5. Dann strömt das Gemisch über einen weiteren Wärmetauscher, in dem es durch aus dem Verflüssiger abströmendes (heißes) Inertgas erwärmt wird.
6. Über eine Leitung gelangt das Gemisch durch ein Gebläse angetrieben in einen Dampfraum des Verflüssigers.
7. Im Dampfraum des Verflüssigers wird das Gemisch (weitgehend) aufgetrennt.
8. Im Verflüssiger kondensiert das mit Medium (z.B. Ammoniak, NH3) angereicherte Gemisch, weil der Taupunkt unterschritten wird. Flüssiges Medium sammelt sich am Boden des Verflüssigers.
9. Kondensationswärme - entstanden, weil das mit Medium (Ammoniak) angereicherte Gemisch kondensiert - wird aus dem Dampfraum des Verflüssigers über einen Wärmetauscher abgeführt und z.B. einer Niedertemperaturheizung zugeführt.
10. Verflüssigtes Medium wird über eine Pumpe über den Wärmetauscher (um es durch das kalte, gasförmige, in den Verflüssiger strömende Gemisch abzukühlen) und eine
Leitung wieder zum Verdampfer befördert.
I I . Im Verflüssiger abgetrenntes Inertgas strömt über den Wärmetauscher in den ersten Verdampfer. Von Vorteil ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren: da in allen Anlageteilen, auch in den Wärmetauschern nur ein vorbestimmter Betriebsdruck, abhängig von der herrschenden Temperatur, erforderlich ist, reichen zum Umwälzen der Gase (Medium und Inertgas) Gebläse und für verflüssigtes Medium eine Umwälzpumpe aus.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der zur Durchführung des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung wird in den Verdampfer (gereinigtes) Inertgas (Stickstoff oder Wasserstoff) eingeblasen und das flüssige Medium eingespritzt, das über Wannen nach unten fließend in die Inertgas-Atmosphäre verdampft. Dabei wird dem Gemisch über die Wand des Verdampfers Umgebungswärme zugeleitet.
Nach dem Verdampfer ist ein Wärmetauscher vorgesehen, in dem das im Verdampfer gebildete Gemisch (auf Umgebungstemperatur) erwärmt wird, indem es aus der Umgebung (Luft und/oder Wasser) Wärme aufnimmt.
Das Erwärmen des Gemisches im Wärmetauscher ist nicht nachteilig, da einfach das Temperaturniveau bei der Kondensation im Verflüssiger höher ist.
Beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Taupunkt des Mediums im Verflüssiger unterschritten, weil dem Verflüssiger (kontinuierlich) ein gasförmiges Gemisch aus Medium und Inertgas zugeführt wird, das Inertgas aber abgetrennt und aus dem
Verflüssiger wieder abgezogen wird. So steigt der Partialdruck des Mediums bis zum
Taupunkt bzw. bis zur Sättigungskurve (abhängig von der Temperatur) und das Medium kondensiert unter Abgabe von Wärme (Kondensationswärme). Die so freigesetzte Wärme wird über einen Wärmetauscher aus dem Verflüssiger abgeleitet.
Das Inertgas, ganz gleich ob Wasserstoff oder Stickstoff, erwärmt sich durch die vom Kältemittel abgegebene Kondensationswärme, wobei aber, da das Druckdifferenzverfahren adiabatisch (also ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung) ausgeführt wird, der Eintritt von Wasserstoff in das Metall unter Bildung von Metallhydrid Wärme freisetzt, die aber beim Austritt von Wasserstoff wieder verbraucht wird.
Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung anhand der schematischen Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform und Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage. Die in Fig. 1 gezeigte Anlage besitzt als wesentliche Anlageteile einen Kessel als Verflüssiger 5, einen Wärmetauscher 6, einen Verdampfer 2, einen Wärmetauscher 20 und ein Gebläse 1. Zusätzlich ist an den unteren Teil 11 des Verflüssigers 5, wo sich flüssiges Medium befindet, eine Pumpe 13 angeschlossen, die verflüssigtes Medium über eine Leitung 14 zum Verdampfer 2 führt. Der Verdampfer 2 ist mit dem Wärmetauscher 20 verbunden, sodass verdampftes Medium ( im Gemisch mit Inertgas) im Wärmetauscher 20 Wärme aufnimmt und über eine Leitung 3 über das Gebläse 1 in den Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 geleitet wird. Im Verflüssiger 5 sind Elektroden 7 und 8 vorgesehen, wobei zwischen den Elektroden 7 und 8 eine Trennzunge 9 vorgesehen ist. Zusätzlich ist im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 ein Wärmetauscher 21 vorgesehen, dem über Leitungen 12 und eine Pumpe 22 ein Wärmeübertragungsmedium zugeführt bzw. abgeführt wird.
Zwischen den Elektroden 7 und 8 ist die Trennzunge 9 angebracht, sodass abgetrenntes Inertgas über eine Leitung 10 dem Wärmetauscher 6 zugeführt wird, nachdem es über die Leitung 10 zum Verdampfer 2 strömt.
Das Gebläse 1 sorgt für die erforderliche Gaszirkulation und befördert das auf Umwälztemperatur aufgewärmte Gemisch aus Medium und Inertgas (z.B. Ammoniakdampf- Wasserstoffgas-Gemisch) aus dem Wärmeaustauscher 20 über die Leitung 3 in den Dampfraum 4 des Verflüssigers 5. Zuvor wird das Gemisch aus Inertgas und Medium (Ammoniak) im Wärmetauscher 6 auf die Betriebstemperatur, die im Verflüssiger 5 herrscht, erwärmt.
Im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 werden die Moleküle des Mediums (Ammoniakmoleküle) vor dem Eintritt zwischen die Elektroden 7, 8 mittels Koronaauflade- Verfahren elektrisch geladen und das Gasgemisch zwischen die entgegengesetzt geladenen Elektroden 7 und 8 geleitet. Dabei werden die geladenen Moleküle des Mediums im Gegensatz zu den inerten Wasserstoffmolekülen in Richtung auf die Arbeitselektrode 7 abgelenkt und die so getrennten Gase durch die wenigstens eine Trennzunge 9 voneinander getrennt.
Heißes Inertgas (Wasserstoff) strömt nun über die Leitung 10 durch den Wärmetauscher 6, wird abgekühlt und nimmt im Verdampfer 2 unter weiterem Abkühlen gasförmiges Medium (Ammoniak-Gas) auf, wobei das gebildete Gemisch (Ammoniak-Gas-Wasserstoffgas- Gemisch) im Wärmetauscher 20 wieder auf Umwelttemperatur aufgewärmt wird.
Der mit Medium, z.B. Ammoniak, angereicherte Teil des Gemisches kondensiert im
Dampfraum 4 durch das Unterschreiten des Taupunktes, gibt Kondensationswärme ab und sammelt sich im flüssigen Medium (Ammoniak) am Boden 11 des Verflüssigers 5. Die Kondensationswärme wird mit Hilfe des Wärmetauschers 21 aus dem Verflüssiger 5 abgeführt, sodass sich das Kondensat am Boden 11 nicht weiter erwärmen kann.
Die im Verfiüssiger 5 anfallende Kondensationswärmemenge (abgeführt durch den Wärmetauscher 21 ) und die erforderliche Verdampfungswärme im Verdampfer 2 bilanzieren in etwa.
Gereinigtes Inertgas (Wasserstoff) wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über die Leitung 10 in den Verdampfer 2 geblasen. Kondensiertes Medium wird mittels der Flüssigkeitspumpe 13 über die Leitung 14 ebenfalls in den Verdampfer 2 geleitet. Beide Medien werden im Wärmetauscher 6 gegen das kalte Medium-Inertgas-Gemisch (Ammoniakdampf-Wasserstoff-Gemisch) im Gegenstrom fließend abgekühlt, bevor schließlich im Verdampfer 2 flüssiges Medium (Ammoniak) in das Inertgas expandiert und unter (extremer) Abkühlung verdampft.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt das Trennen von Medium (Ammoniak) vom Inertgas (Wasserstoff) im Verflüssiger mit Hilfe eines Metallhydridblocks 15. Dabei ist vorgesehen, dass als Metall z.B. Palladium vorgesehen wird. Palladium kann das 600 bis 3000-fache seines Volumens an gasförmigem Wasserstoff aufnehmen, wobei sich Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen (40° bis 50° C) und sehr niedrigem Druck wieder aus dem Metallgitter des Palladiums zu lösen beginnt.
Die bei der Absorption freiwerdende Wärmemenge wird in Ballastmaterial gestreckten Hydridpellets gespeichert und wieder verbraucht.
Das Abtrennen des Mediums (NH3) ist möglich, wobei feinverteiltes Palladium (Palladiumschwamm) sich besonders eignet, das das 600fache, als SoI das 3000fache Volumen an gasförmigen Wasserstoff in seinem Metallgitter aufnehmen kann und sich der Wasserstoff bei relativ niedrigen Temperaturen (40° C - 50° C) und sehr niedrigem Druck wiederum aus dem Metallgitter des Paladiums zu lösen beginnt.
Da auch Wasser, wie Ammoniak, ein Dipol ist, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Wasser als Arbeitsmedium eingesetzt werden, wobei dabei die Betriebstemperatur knapp unter dem "Kritischen Punkt" des Wassers liegen kann. Wie bei Ammoniak besteht die Aufladezone aus einer Serie von Sprühdraht-Platten-Elektrodenpaaren, die durch eine entsprechend angelegte Spannung im kVolt-Bereich und die Stromstärke im μA Bereich, die durchströmenden Wasserdampfmoleküle aufladen. Es handelt sich um ein inhomogenes Feld.
Die Abscheidezone besteht aus einer Gruppe homogener Felder, die mit einer sehr hohen Spannung und einer extrem kleinen Stromstärke und mit Plattenpaar- Elektrodenanordnungen erzeugt werden.
Die zum Ablenken notwendige elektrische Leistung ist somit klein und bewegt sich im Ein- Watt-Bereich.
Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Verfahren zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums (im Beispiel Ammoniak) kann beispielhaft wie folgt beschrieben werden:
Das Medium wird vom Gebläse 1 im Kreislauf geführt. Das Medium verdampft im Verdampfer 2 in einer Inertgasatmosphäre (z.B. Wasserstoff oder Stickstoff), wodurch der Partialdruck des Mediums sinkt, es also expandiert.
Das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird über einen Wärmetauscher 20 geführt, wo es Umgebungswärme aufnimmt.
Das Gemisch aus Medium und Inertgas strömt über einen weiteren Wärmetauscher 6, in dem es durch aus dem Verflüssiger 5 abströmendes, heißes Inertgas erwärmt wird.
Aus dem weiteren Wärmetauscher 6 gelangt das Gemisch aus Inertgas und Medium vom Gebläse 1 angetrieben in einen Dampfraum 4 des Verflüssigers 5.
Im Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 wird das Gemisch weitgehend aufgetrennt, wozu ionisierte Ammoniakmoleküle in einem elektrischen Feld (Elektroden 7 und 8) abgelenkt werden und gegebenenfalls zusätzlich oder ausschließlich Inertgas chemisch gebunden bzw. absorbiert wird, beispielsweise unter Metallhydridbildung, wenn das Inertgas Wasserstoff ist.
Im Verflüssiger 5 kondensiert das Medium (Ammoniak) aus dem Gemisch, weil der Taupunkt unterschritten wird, zumal der Partialdruck des Mediums ansteigt, weil Inertgas abgetrennt wird, wobei sich flüssiges Kältemedium am Boden 11 des Verflüssigers 5 ansammelt.
Dabei entstehende Kondensationswärme wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über einen Wärmetauscher 21 abgeführt und kann einer Heizung zugeführt werden.
Aus dem Verflüssiger 5 wird verflüssigtes Medium über eine Pumpe 13 über den
Wärmetauscher 6 geleitet. In dem Wärmetauscher 6 wird es durch das kalte, gasförmige, dem Verflüssiger 5 zuströmende Gemisch abgekühlt. Das so erhaltene erwärmte, verflüssigte Medium wird über die Leitung 14 zum Verdampfer 2 geleitet, wo es in das Inertgas, das dem Verdampfer 2 über die Leitung 10 zugeführt wird, hinein verdampft.
Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:
Beim kontinuierlichen Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums, wie Ammoniak, mit dem Ziel, Umgebungswärme zum Heizen zu verwenden, wird das Medium mit Hilfe eines Gebläses 1 im Kreislauf zwischen einem Verflüssiger 5 und einem Verdampfer 2, sowie einem Wärmetauscher 20 geführt. Im Verdampfer 2 wird das Medium in eine Atmosphäre eines Inertgases hinein verdampft und das Gemisch aus verdampftem Medium und Inertgas wird im Wärmetauscher 20 erwärmt, indem es aus der Umgebung Wärme aufnimmt. Im Verflüssiger 5 wird aus dem Gemisch Medium-Inertgas Inertgas abgetrennt, sodass der Partialdruck des Mediums ansteigt und dieses verflüssigt. Verflüssigtes Medium wird aus dem Verflüssiger über eine Pumpe 13 unter Wärmetausch mit zuströmendem kalten Gemisch wieder dem Verdampfer 2 zugeführt, ebenso wie über eine gesonderte Leitung 10 Inertgas. Aus dem Verflüssiger 5 wird aus dem Dampfraum 4 des Verflüssigers 5 über einen Wärmetauscher 21 Wärme abgeführt und zum Heizen verwendet.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zum Verdampfen und Verflüssigen eines Mediums, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
das Medium wird mit Hilfe eines Gebläses im geschlossenen Kreislauf geführt,
verflüssigtes Medium wird in Gegenwart eines Inertgases verdampft,
dem so gebildeten Gemisch aus Inertgas und verdampftem Medium wird in einem
Wärmetauscher Umgebungswärme zugeführt,
das Gemisch aus Medium und Inertgas wird in einem Verflüssiger aufgetrennt,
durch das Abtrennen von Inertgas verflüssigt das Medium durch Unterschreiten des
Taupunktes des Mediums,
verflüssigtes Medium wird wieder dem Verdampfer ebenso zugeführt, wie im Verflüssiger abgetrenntes Inertgas,
aus dem Verflüssiger wird Kondensationswärme abgeführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Medium Ammoniak oder Wasser verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas Stickstoff und/oder Wasserstoff verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Dampfraum (4) des Verflüssigers (5) mit Hilfe eines Wärmetauschers (12)
Wärme abgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Verflüssiger (5) elektrisch geladene Moleküle des Mediums durch ein elektrisches Feld von nicht geladenen Inertgasmolekülen abgetrennt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Gemisch aus Medium und Inertgas Inertgas, sofern es sich um Wasserstoff handelt, durch Metallhydridbildung abgetrennt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verflüssiger abgezogenes verflüssigtes Medium ebenso wie aus dem Verflüssiger abgezogenes Inertgas in einem Wärmetauscher im Gegenstrom zu zugeführtem Gemisch aus Inertgas und Medium geführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfen des Kältemittels in eine Inertgasatmosphäre in einem Verdampfer erfolgt, wobei dem so gebildeten Gemisch aus Inertgas und Medium in einem Wärmetauscher (2) Umgebungswärme zugeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdampfer flüssiges Medium von oben hereingespritzt wird und von unten her Inertgas eingeblasen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdampfer flüssiges Medium über Tassen oder Wannen geleitet wird.
11. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Verflüssiger (5), eine Leitung (14) vom Verflüssiger (5) zum Verdampfer (2), einen dem Verdampfer (2) nachgeschalteten Wärmetauscher (20), eine Leitung (3), über welche der Wärmetauscher (20) mit dem Gasraum (4) des Verflüssigers (5) verbunden ist, einem Gebläse (1) in der Leitung (3), und durch einen Wärmetauscher (21) im Dampfraum (4) des Verflüssigers (5).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass im Dampfraum (4) des Verflüssigers (5) eine Einrichtung (7, 8, 9, 15) zum Trennen des Gemisches aus
Medium und Inertgas vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Trennen zwei gegensätzlich elektrisch geladene Elektroden (7, 8) aufweist, denen eine Koronaentladungsstation vorgeschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden (7, 8) eine Trennzunge (9) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (6) vorgesehen ist, durch den die Leitung (3) für Gemisch aus Inertgas und verdampftem Medium einerseits, und die Leitung (10) zum Zuführen von Inertgas aus dem Verflüssiger (5) zum Verdampfer (2) ebenso geführt ist wie die Leitung (14) für flüssiges Medium, und dass der Leitung (14) für verflüssigtes Medium vor dem Wärmetauscher (6) eine Flüssigkeitspumpe (13) zugeordnet ist.
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