WO2016015840A1

WO2016015840A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufnahme, speicherung und abgabe thermischer energie von gasen

Info

Publication number: WO2016015840A1
Application number: PCT/EP2015/001503
Authority: WO
Inventors: Karl Brotzmann; Dragan Stevanovic
Original assignee: Karl Brotzmann Consulting Gmbh
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2016-02-04
Also published as: DE102014011475A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von thermischer Energie von Gasen, bei dem ein Bett eines Schüttguts in einem ersten Schritt in einer ersten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode ti von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte an das Schüttgut abgibt, welche vom Schüttgut gespeichert wird, und in einem zweiten Schritt in einer zweiten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode t2 von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte vom Schüttgut aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dP des Schüttguts mindestens 10 beträgt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe thermischer Energie von Gasen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von thermischer Energie von Gasen, bei dem ein Bett eines Schüttguts in einem ersten Schritt in einer ersten Strömungsrichtung für eine erste Zeitperiode von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte an das Schüttgut abgibt, welche vom Schüttgut gespeichert wird, und in einem zweiten Schritt in einer zweiten Strömungsrichtung für eine zweite Zeitperiode von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte vom Schüttgut aufnimmt.

Nach dem Stand der Technik werden als Speichermasse zur Speicherung von thermischer Energie von Gasen, vor allen Dingen bei der integrierten Wärmerückgewinnung z. B. in Lüftungsanlagen, keramische Waben oder metallische Platten verwendet. Um solche Anlagen möglichst klein zu halten, werden kurze Umschaltzeiten zwischen einströmender und ausströmender Luft gewählt, z. B. eine Minute.

Für zentrale Lüftungsanlagen größerer Bauart ist die Verwendung von rekuperativen Wärmetauschern im Stand der Technik bekannt. Nachteil dieser Wärmetauscher ist jedoch, dass die Oberfläche für die Wärmeübertragung groß sein muss, was zu großen und damit teuren Anlagen führt.

Die vorliegende Erfindung hat sich demgemäß die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von thermischer Energie von Gasen, speziell zur integrierten Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen bereit zu stellen, dass die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine effiziente Rückgewinnung von thermischer Energie aus Gasen (d. h. eine Rückgewinnung mit hohem Wirkungsgrad) bei gleichzeitig kostengünstiger und kompakter Ausführung der zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Vorrichtung ermöglicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, wenn als Aufnahme-, Speicherungs- und Abgabemedium der thermischen Energie der Gase ein Schüttgut aus Partikeln verwendet wird, in dem das Verhältnis zwischen der Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts mindestens 10 beträgt. Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Verfahren zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von thermischer Energie von Gasen zur Verfügung, bei dem ein Bett eines Schüttguts in einem ersten Schritt in einer ersten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode ti von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte an das Schüttgut abgibt, welche vom Schüttgut gespeichert wird, und in einem zweiten Schritt in einer zweiten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode t.2 von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte vom Schüttgut aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts mindestens 10 beträgt. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet zum einen den Vorteil, dass sich die Rückgewinnung von thermischer Energie von Gasen in effizienter, d. h. mit hohem Wirkungsgrad, Weise verwirklichen lässt. Des Weiteren ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in kostengünstiger und kompakter Weise realisierbar. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass sowohl während der Abgabe der thermischen Energie eines Gases als auch bei der Aufnahme der thermischen Energie des Gases die Temperatur des Gases am Austritt aus dem Schüttgutbett weitgehend konstant bleibt. Unter dem Begriff „thermische Energie" wird eine Wärme- oder Kältemenge verstanden.

Der mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts wird bevorzugt als Sauterdurchmesser ermittelt, nach DI N ISO 9276-2. Dieser ist wie folgt definiert: würde man das gesamte Volumen der Partikel einer Schüttung in gleich große Kugeln umformen, deren gesamte Oberfläche gleich der gesamten Oberfläche der Partikel ist, dann hätten diese Kugeln den Sauterdurchmesser als Durchmesser.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts mindestens 20, weiter bevorzugt mindestens 35 und besonders bevorzugt mindestens 50.

Durch diese bevorzugten Ausführungsformen lässt sich die Wärmerückgewinnung noch effizienter, d. h. mit noch höherem Wirkungsgrad gestalten, da der Wärmerückgewinnungsgrad mit steigendem Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts zunimmt und weiterhin auch längere Umschaltzeiten At ermöglicht werden.

Aus praktischen Gründen beträgt das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts üblicherweise maximal 5000.

Weiterhin bevorzugt beträgt der mittlere Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts von 0, 1 mm bis 50 mm. Diese Partikeldurchmesser gewährleisten eine gute Durchströmbarkeit des Schüttgutbetts bei gleichzeitig guter Aufnahme- und Speicherkapazität für die thermische Energie der durchströmenden Gase. Das Schüttgut besteht vorzugsweise aus Keramik, Schamott, Silicium-Carbid, Zirkonium-Oxid, Graphit, Eifel-Lava, Kies, Eisenerz, Ton, Kalk, metallischen Partikel oder Kombinationen davon.

Die Partikel des Schüttguts können kugelförmig, kiesförmigen und/oder in Form von Bruch oder Schotter sein.

Vorteilhaft sind die eingesetzten Partikel ungefähr gleichförmig.

Beispielsweise kann das Schüttgutbett so gebildet werden, dass das Schüttgut in einer Säule angeordnet ist, die wiederum stehend oder liegend angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die erste von der zweiten Strömungsrichtung verschieden, d.h. Gas durchströmt das Schüttgutbett während der Zeitperiode ti in einer anderen Richtung relativ zum Bett als das Gas während der Zeitperiode t₂.

Weiter bevorzugt ist die erste Strömungsrichtung der zweiten entgegengesetzt. In dieser Ausführungsform lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in besonders einfacher Weise, etwa zur Raumbelüftung mit integrierter Wärmerückgewinnung, nutzen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Schüttgut kontinuierlich von Gas durchströmt und es wird zwischen der ersten und der zweiten Strömungsrichtung nach jeweils einer Zeitperiode ti bzw. t₂ gewechselt.

In dieser Ausführungsform wird das Schüttgut kontinuierlich von Gas in einer ersten oder in einer zweiten Strömungsrichtung durchströmt, d.h. sobald die Zeitperiode ti oder t₂ verstrichen ist, wird die Strömungsrichtung „umgeschaltet". Diese bevorzugte Ausführungsform lässt eine besonders effektive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu, da die Aufnahme von thermischer Energie durch das während einer Zeitperiode t₂ durch das Schüttgut strömende Gas unmittelbar nach der Abgabe von thermischer Energie an das Schüttgut durch das während einer Zeitperiode ti durch das Schüttgut strömende Gas erfolgt, und damit die Speicherzeit und somit etwaig verbundene Speicherverluste von thermischer Energie im Schüttgut minimiert sind.

Das Wechseln der Strömungsrichtung erfolgt vorzugsweise mittels mindestens eines Gebläses oder eines Systems von mehreren Ventilen.

Vorzugsweise liegen die Zeitperioden ti und t₂ im Intervall von 2 bis 60 Minuten, weiter bevorzugt im Intervall von 3 bis 45 Minuten, und besonders bevorzugt im Intervall von 4 bis 30 Minuten.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist = t₂ = At. Vorzugsweise genügt die Umschaltzeit At folgender Relation:

0,3 (M_s/m_G) (c_s/Cp) < Ät < 0,9 (M_s/m_G) (Cs/Cp) , wobei

M_s die Masse des Schüttgutes, rric der Gasdurchfluss, c_s die spezifische Wärmekapazität der Schüttgutpartikel und c_p die spezifische Wärmekapazität des Gases ist.

In dieser bevorzugten Ausführungsform liegt die abgegebene thermische Energie durch das aufgeheizte Gas zwischen 30% und 90% der maximal möglich gespeicherten thermischen Energie, der Differenzbetrag verbleibt jedoch fast vollständig im Schüttgut.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der das Schüttgut durchströmende Gasdurchfluss rriG (kg/h) pro Masse des Schüttguts M_s (kg) während zumindest einer der, vorzugsweise während beider, Zeitperioden ti und t₂ von 0, 1 h^"1 bis 100 h^~1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ausbildung eines sehr vorteilhaften Temperaturprofils innerhalb des Schüttgutbetts dergestalt, dass sich bei entgegengesetzter Strömungsrichtung während der Zeitperiode ti und der Periode t₂ die Temperatur an den Austrittsenden des Schüttgutbetts relativ wenig ändert, während die Temperaturänderung in der Mitte des Betts relativ hoch ist.

Daher bildet sich in einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens im Schüttgut eine Temperaturverteilung so aus, dass während jeweils einer Zeitperiode ti oder t₂ die Temperaturänderung in der Mitte des Schüttgutbetts ΔΤ_Μ gegenüber der Temperaturänderung an einem der Austrittsenden des Schüttgutbetts ΔΤ_Ε mindestens das Zweifache beträgt, d.h. ΔΤ_Μ >= 2 ΔΤ_Ε, wobei die Strömungsrichtung während der Zeitperiode ti der während der Zeitperiode t₂ entgegengesetzt ist. Bevorzugt wird als Gas während der Zeitperiode und/oder t₂ Luft eingesetzt.

In einer bevorzugten Ausführungsform haben die das Schüttgutbett durchströmenden Gase eine Temperatur im Bereich von -30 °C bis 50 °C, weiter bevorzugt im Bereich von -20 °C und 40 °C und besonders bevorzugt im Bereich von -10°C bis 30°C. In einer besonders vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung wird das erfindungsgemäße Verfahren zur kontrollierten Belüftung eines Raumes mit integrierter Wärmerückgewinnung eingesetzt. Dies bedeutet, dass das Schüttgutbett während der Zeitperiode ti von Abluft aus dem Raum durchströmt wird, und während der Zeitperiode t₂ von Frischluft von außen.

Dabei beträgt die Temperatur der Raumabluft bei Eintritt in das Schüttgutbett normalerweise 17 °C bis 35 °C. Die Temperatur der von außen zugeführten Frischluft bei Eintritt in das Schüttgutbett hängt von der Jahreszeit ab, und kann folglich von -30 °C bis 50 °C betragen.

Vom relativen Temperaturunterschied zwischen Abluft und Frischluft hängt auch ab, ob das Schüttgutbett als Wärme- oder Kältespeicher fungiert. In der kalten Jahreszeit, wenn die Außentemperatur unterhalb der Raumlufttemperatur liegt, wird die Abluft aus dem Raum durch die von der Frischluft abgegebenen und im Schüttgutbett gespeicherten Kälte abgekühlt und strömt kühl nach außen. Die Außenluft dagegen aufgewärmt, so dass sie mit etwa Raumtemperatur in den Raum eintritt. In diesem Fall wird also Wärme im Schüttgutbett gespeichert.

In der warmen Jahreszeit, wenn die Außentemperatur oberhalb der Raumlufttemperatur liegt, findet ein umgekehrter Prozess statt: die Abluft aus dem Raum wird durch die in der Speichermasse gespeicherte Wärme aufgewärmt und strömt warm nach außen. Gleichzeitig wird die Außenluft abgekühlt, so dass sie mit Raumtemperatur in den Raum eintritt. I n diesem Fall wird also Kälte, und nicht Wärme, im Schüttgutbett gespeichert.

Falls die Raumabluft einen hohen Feuchtegehalt hat, kann sich in der kälteren Schicht des Schüttgutbetts ein Kondensat bilden, das z. B. nach außen abfließt. Die durch die Kondensation freiwerdende Energie wird in der Schüttung gespeichert und trägt in der nächsten Phase zusätzlich zur Vorwärmung der Außenluft bei. Durch die Aufwärmung der Außenluft sinkt die relative Luftfeuchte im klimatisierten Raum, da die frische Luft einen niedrigeren Feuchtegehalt aufweist.

Im Winter, besonders bei Temperaturen unter 0°C, hat die Außenluft eine sehr niedrige Feuchtigkeit. Durch intensive Lüftung kann somit im Winter die Luftfeuchtigkeit schnell unter 35% fallen. Dies wiederum kann der Gesundheit der sich im Raum befindlichen Personen schaden, denn die Schleimhäute können austrocknen, die Augen brennen, der Hals kratzen und die Ansteckungsgefahr kann ansteigen. Deswegen ist neben der Wärmerückgewinnung auch die Feuchterückgewinnung in Anlagen zur Raumbelüftung sehr wichtig, aber nur wenige Anlagen haben die Möglichkeit diese Feuchterückgewinnung effektiv durchzuführen.

Daher ist es vorteilhaft, zumindest falls die Außenluft eine Temperatur von unter 0°C und/oder eine Feuchtigkeit von weniger als 35% aufweist, eine gewisse Menge Feuchtigkeit aus der Raumluft zurückzuführen. Da das Schüttgut, auf dem sich Kondensat aus der Raumluft niederschlägt, eine sehr hohe spezifische Oberfläche aufweist, befeuchtet sich die Außenluft sehr schnell auf einen Wert relativer Feuchtigkeit, die im Bereich zwischen 35% und 65% liegt. Auf diese Weise sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung, die ein Schüttgut bzw. dessen Gebrauch umfassen, gleichzeitig sehr gut geeignet, um überschüssige Feuchtigkeit aus dem Raum zu entfernen, und andererseits zu trockene Außenluft durch eine inhärente Rückgewinnung von Feuchte zu befeuchten und eine optimale Raumfeuchtigkeit, d.h. eine relative Feuchtigkeit zwischen 35 und 65 %, zu gewährleisten. Falls in der Raumluft ein noch höherer Feuchtegehalt erwünscht ist, kann in der Lüftungsanlage der in den Raum strömenden Luft Feuchtigkeit zugesetzt werden. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren längere Zeit so betrieben wird, dass sich ein Kondensat bildet, ist es zweckmäßig, dass das Schüttgutbett zur Trocknung intermediär von einem Wärme an das Schüttgut abgebenden Gas für eine Zeitperiode t₃ mit der Bedingung t₃ > t-ι und t₃ > t₂ durchströmt wird.

Dabei bedeutet intermediär, dass die Trocknung nach einem im Vergleich zu den Zeitperioden ti und t₂ langen Zeitraum erfolgt. Beispielsweise kann bei Zeitperioden ti und t₂ im Bereich von 2 Minuten bis 60 Minuten die Trocknung einmal am Tag, d.h. einmal in 24 Stunden erfolgen.

Dabei ist t₃ vorzugsweise 3 bis 5 mal so groß wie ti oder t₂. Beispielsweise kann bei ti = t₂ = 5 Minuten die Trocknung so erfolgen, dass einmal am Tag für 20 Minuten die Strömung in Richtung zur kalten Seite erfolgt, damit das Schüttgut wieder vollständig getrocknet wird und dadurch eine mögliche Schimmelbildung vermeiden wird. Neben der kontrollierten Lüftung findet so auch eine Regulierung der Luftfeuchte statt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in der Ausführungsform zur Raumbelüftung, werden zwei Schüttgutbetten eingesetzt, wobei ti = t₂ und, während Schüttgutbett 1 von einem wärmeabgebenden Gas für eine Zeitperiode ti durchströmt wird, simultan Schüttgutbett 2 von einem kälteabgebenden Gas für eine Zeitperiode t₂ durchströmt wird und umgekehrt. Beispielsweise wird bei dem Verfahren zur Raumbelüftung Schüttgutbett 1 während einer Zeitperiode ti von Abluft aus dem Raum durchströmt, und Schüttgutbett 2 simultan während einer Zeitperiode t₂ = von Frischluft und das Umschalten zur jeweils anderen Strömungsrichtung erfolgt auch simultan. Die Verfahrensweise in jedem der beiden Schüttgutbetten kann dabei unabhängig voneinander in einer der oben beschriebenen (bevorzugten) Ausführungsformen erfolgen. In der kälteren Jahreszeit, wenn die Außenluft unter der Raumtemperatur liegt, gibt die Abluft die Wärme an das Schüttgutbett 1 ab und strömt relativ kalt nach außen. Gleichzeitig strömt die Außenluft durch das Schüttgutbett 2, wobei die vorher dort in der Schüttung gespeicherte Wärme die Außenluft aufheizt, die dann mit Raumtemperatur in den Raum eintritt. Nach z.B. ti = t₂ von 5 Minuten wechseln in beiden Schüttgutbetten die Strömungsrichtung, zum Beispiel durch die umgekehrte Drehrichtung der entsprechenden Gebläse. Dann wird die Außenluft mit der in Schüttgutbett 1 gespeicherten Wärme erwärmt, und Schüttgutbett 2 speichert die Wärme aus der Raumluft, die dann kalt nach außen strömt. Das Umschalten der Strömungsrichtung in den beiden Schüttgutbetten kann auf verschiedene Weise erfolgen:

- durch Gebläse, die in beiden Richtungen betrieben werden;

- durch zwei Gebläse, die die Luft in unterschiedliche Richtungen fördern. Es ist dann, je nach Betriebsphase, jeweils ein Gebläse in Betrieb; - durch ein System von mehreren Ventilen als Umschaltorgane, was für größere Lüftungsvorrichtungen vorteilhaft ist.

Vorzugsweise erfolgt das Umschalten zwischen beiden Schüttgutbetten durch eine doppelte Ausführung der Gebläse, die die Luft in unterschiedliche Richtungen fördern wobei, pro Betriebsphase, immer nur ein Gebläse in Betrieb ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht der Speicher aus zwei oder mehreren Schüttgutschichten von jeweils gleichförmigen Partikeln.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schüttgutbett wenigstens zwei Bereiche mit Partikeln unterschiedlichen Partikeldurchmessers auf, wobei der Bereich an dem Ende des Schüttgutbetts, das von dem Wärme aufnehmenden/Kälte abgebenden Gas in Strömungsrichtung zuerst durchströmt wird, den größeren Partikeldurchmesser aufweist.

Beispielsweise kann das Schüttgut je zur Hälfte aus Partikeln mit kleinerem und mit größerem Partikeldurchmesser bestehen.

Bei Ausführungsformen, bei denen das Schüttgutbett mehrere Bereiche i mit Partikeln unterschiedlichen Partikeldurchmessers aufweist, berechnet sich das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts als Summe der Verhältnisse zwischen Bettdicke b, in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_Pj des Schüttguts sämtlicher Teilbereiche.

Beispielsweise berechnet sich das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts bei einem Schüttgutbett, das zwei Teilbereiche aufweist, folgender- maßen: b^dpi + b₂/d_p2.

Diese Ausführungsform ist besonders bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen besonders viel Kondensatbildung im Schüttgut zu erwarten ist. Damit sind die Kapillareffekte weniger ausgeprägt und das anfallende Kondensat kann leichter abfließen, ohne dass es sich im Schüttgut sammelt. Des weiteren stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer beliebigen der beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung, wobei die Vorrichtung ein Bett eines Schüttguts zur Durchströmung mittels Gasen umfasst und wobei das Schüttgut von den Gasen abgegebene Wärme oder Kälte aufnimmt und speichert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts mindestens 10 beträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Schüttgut aus Keramik, Schamott, Silicium-Carbid, Zirkonium-Oxid, Graphit, Eifel-Lava, Kies, Eisenerz, Ton, Kalk, metallischen Partikel oder Kombinationen davon. Vorzugsweise besteht das Schüttgut aus Kugeln, kiesförmigen Partikeln, oder Partikeln in Form von Bruch oder Schotter.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zum Strömungsrichtungswechsel im Schüttgutbett, die vorzugsweise mindestens ein Gebläse oder ein System von mehreren Ventilen umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform, speziell wenn die Vorrichtung zur Raumbelüftung eingesetzt wird, umfasst die Vorrichtung zwei, vorzugsweise voneinander unabhängig durchströmbare, Schüttgutbetten des oben genannten Typs.

In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung vorzugsweise zwei Gebläse, die jeweils Luft in unterschiedliche Richtungen fördern, wobei pro Betriebsphase immer nur ein Gebläse in Betrieb ist und das Umschalten der Strömungsrichtung durch die Inbetriebnahme des jeweils anderen Gebläses erfolgt.

Vorzugsweise sind die Gebläse zwischen zwei Schüttgutbetten untergebracht. Vorzugsweise umfasst das (oder die) Schüttgutbett(en) zwei oder mehr Schüttgutbereiche und jeder Schüttgutbereich weist dabei einen anderen mittleren Partikeldurchmesser auf.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist speziell für die Nachrüstung in bestehenden Bauten geeignet.

Bei dieser Ausführungsform befindet sich das Schüttgutbett (d.h. die Wärmespeichermasse) in einem Behältnis außerhalb einer Gebäudewand, das vorzugsweise vertikal zur Wand angeordnet ist. Vorzugsweise wird das Schüttgutbett parallel zur Wand durchströmt. Weiterhin wird das Schüttgutbett in dieser Ausführungsform vorteilhafterweise so durchströmt, dass überschüssiges Kondensat vom Schüttgutbett ungehindert nach unten ablaufen kann.

Diese speziell zur Nachrüstung geeignete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bietet den Vorteil, dass der Querschnitt des für den Luftdurchtritt notwendigen Wanddurchgangs gering gehalten werden kann. Beispielsweise kann der Durchmesser eines im Querschnitt kreisförmigen Wanddurchgangs 60 bis 100 mm betragen, wobei ein Luftdurchtritt von 20 bis 60 m_N ³/h ermöglicht wird. Dies ist für eine Nachrüstung sehr vorteilhaft.

Im Folgenden werden die Vorteile der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren weiter erläutert, die zeigen:

Fig. 1 : den Temperaturverlauf in einem Schüttgutbett mit dem Verhältnis Bettdicke/Partikeldurchmesser = 25; Fig. 2: den Temperaturverlauf der vorgewärmten Luft während einer Außenluftphase, bzw. der abgekühlten Abluft während eine Abluftphase, im gleichen Schüttgutbett wie in Fig. 1 ;

Fig. 3: den Temperaturverlauf in einem Schüttgutbett mit dem Verhältnis Bettdicke/Partikeldurchmesser = 10;

Fig. 4 den Temperaturverlaufs in einem Schüttgutbett mit dem Verhältnis Bettdicke/Partikeldurchmesser = 83.

Fig. 5a und 5b: eine vorteilhafte Ausführungsform für die Nachrüstungsanlagen

In Figuren 1 , 3 und 4 ist mit dem Pfeil die Strömungsrichtung der Außenluft bezeichnet.

Beispiele

1. In diesem Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Belüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung in einem in Strömungsrichtung 10 cm dicken Schüttgutbett aus Kies aus etwa gleich großen, kugelähnlichen Partikeln mit einem Durchmesser von 4 mm simuliert, in dem somit das Verhältnis zwischen der Bettdicke in Strömungsrichtung und dem mittleren Partikeldurchmesser 25 beträgt (c_s der Partikel ca. 1 kJ/kgK, Strömungsmenge 20 m_N ³/h, Masse des Schüttgutes 5 kg).

Dabei strömt die gleiche Menge 20 m_N ³/h Luft für eine Periode ti = 5 Minuten lang von einer Eintrittsseite zur anderen (Abluftphase) und dann t₂ = 5 Minuten lang in umgekehrter Richtung (Außenluftphase) durch das Schüttgutbett. Die Temperatur der Außenluft beträgt bei Eintritt in das Schüttgutbett 0 °C, und die Temperatur der Abluft beträgt bei Eintritt in das Schüttgutbett 20 °C.

In Fig. 1 ist der sich dabei einstellende Temperaturverlauf im Schüttgutbett dargestellt. Die Anlage ist in einem quasi-stationärem Zustand, bzw. die Temperaturprofile wiederholen sich periodisch. Die Abszissenachse zeigt die Position innerhalb der Schüttung und die Ordinatenachse die Temperatur. Die präsentierte Temperaturprofile sind während einer Außenluftphase gezeichnet: die erste am Anfang (0. Minute) und dann jede weitere eine Minute später, bis zum Profil am Ende einer Außenluftphase (5. Minute). Am Anfang strömt die Außenluft mit 0°C durch die Schüttung und erwärmt sich auf Raumtemperatur von 20°C. Bis zu zwei Minuten bleibt die Temperatur der vorgewärmten Luft bei 20°C. Ab der zweiten Minute sinkt die Temperatur der vorgewärmten Luft, zunächst minimal, und am Ende der fünften Minute bis auf 14°C. Die mittlere Temperatur der vorgewärmten Frischluft beträgt 18°C und der Wärmerückgewinnungsgrad 90%.

Die abgegebene thermische Energie beträgt ca. 43% der maximal möglich gespeicherten thermischen Energie.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf der Austrittstemperaturen der gleichen Anordnung wie in Fig. 1 , wobei die obere Kurve den Verlauf der Temperatur der vorgewärmten Außenluft, und die untere Kurve den Verlauf der abgekühlten Abluft zeigt.

Die obere Kurve zeigt die Temperatur der vorgewärmten Frischluft, sowie ihren Mittelwert. Die untere Kurve zeigt die Temperatur der abgekühlten Abluft. In den Eintrittsbereichen des Schüttgutbetts beträgt die Temperaturänderung während jeweils der vollen Umschaltzeitperiode von 5 Minuten 5 bis 6 °C während in der Mitte der Schüttung die Temperaturänderung ca. 14 °C (d.h. etwa 2,5 mal so viel wie in den Eintrittsbereichen) beträgt.

2. In diesem Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Belüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung in einem in Strömungsrichtung 10 cm dicken Schüttgutbett aus Kies aus etwa gleich großen, kugelähnlichen Partikeln mit einem Durchmesser von 10 mm simuliert, in dem somit das Verhältnis zwischen der Bettdicke in Strömungsrichtung und dem mittleren Partikeldurchmesser 10 beträgt.

In Fig. 3 ist der sich dabei einstellende Temperaturverlauf im Schüttgutbett dargestellt.

Im Vergleich mit der in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise ist das Verhältnis zwischen der Bettdicke in Strömungsrichtung und dem mittleren Partikeldurchmesser von 25 auf 10 reduziert. Die Temperatur der vorgewärmten Luft sinkt in diesem Beispiel von Anfang an und beträgt nach 5 Minuten 12°C. In den Eintrittsbereichen des Schüttgutbetts beträgt die Temperaturänderung während jeweils der vollen Umschaltzeitperiode von 5 Minuten etwa 7 bis 8 °C während in der Mitte der Schüttung die Temperaturänderung ca. 1 1 °C (d.h. 1 ,4 mal so viel wie in den Eintrittsbereichen) beträgt.

Um den Temperaturabfall der vorgewärmten Luft zu reduzieren, kann man die Umschaltzeiten verkürzen. Es ist dann jedoch nur noch ein kleiner Vorteil gegenüber üblichen Wärmespeichern vorhanden.

In den in Beispiel 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen ist die Umschaltzeit 5 Minuten. Diese kurze Umschaltzeit ist gut geeignet für kleine Anlagen, z.B. für die Lüftung einzelner Räume. Für größere Anlagen mit einem Luftdurchfluss von mehr als 1 .000 m³/h ist jedoch eine längere Umschaltzeit, d.h. von mehr als 5 Minuten, vorteilhaft.

3. In diesem Beispiel wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Belüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung in einem in Strömungsrichtung 25 cm dicken Schüttgutbett aus Kies aus etwa gleich großen, kugelähnlichen Partikeln mit einem Durchmesser von 3 mm simuliert, in dem somit das Verhältnis zwischen der Bettdicke in Strömungsrichtung und dem mittleren Partikeldurchmesser 83 beträgt. Die Umschaltzeit, und damit die Zeitperioden ti und t₂, beträgt in diesem Beispiel 20 Minuten.

In Fig. 4 ist der sich dabei einstellende Temperaturverlauf im Schüttgutbett dargestellt. Die Außenluft strömt mit 0 °C durch die Schüttung und erwärmt sich auf 20°C. Etwa 10 Minuten lang bleibt die Temperatur der vorgewärmten Luft konstant. Ab der zwölften Minute sinkt sie und erreicht nach 20 Minuten eine Temperatur von 16°C. Die mittlere Temperatur der vorgewärmten Außenluft ist dann 19°C und der Wärmerückgewinnungsgrad etwa 95%. In den Eintrittsbereichen des Schüttgutbetts beträgt die Temperaturänderung während jeweils der vollen Umschaltzeitperiode von 20 Minuten etwa 4 °C während in der Mitte der Schüttung die Temperaturänderung ca. 14 °C (d.h. 3,5 mal so viel wie in den Eintrittsbereichen) beträgt. Daher ist gegenüber den Ausführungsformen von Beispielen 1 und 2 eine größere Wärmespeicherung möglich.

4. In diesem Beispiel wird eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreiben, die sich speziell für die Nachrüstung in existierenden Häusern und Wohnungen eignet. Diese Ausführungsform ist in Fig. 5a und 5b gezeigt.

In einem vertikal angeordneten Behältnis (1 ) befindet sich ein Schüttgutbett (2) als Wärmespeichermasse. Die Vorrichtung ist an einer Wand (3) befestigt, die eine Öffnung (4) aufweist, die den Außen- und Innenraum verbindet. Die Öffnung (4) kann deutlich kleiner als der Querschnitt des Behältnisses (1 ) sein, was sehr vorteilhaft für eine nachträgliche Montage ist. Durch die vertikale Anordnung ist der unbehinderte Abfluss des überschüssigen Kondensats erleichtert. Ein Gebläse (5), das Abluft bzw. Frischluft, transportiert, kann direkt an die Wand (Fig. 5a), oder unterhalb des Schüttgutbetts (2) (Fig. 5b) montiert werden. Die Gebläseposition kann somit, abhängig vom Montageort (außen oder innen), so gewählt werden, dass die Schallemissionen im Innenraum minimiert werden.

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zur Aufnahme, Speicherung und Abgabe von thermischer Energie von Gasen, bei dem ein Bett eines Schüttguts in einem ersten Schritt in einer ersten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode ti von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte an das Schüttgut abgibt, welche vom Schüttgut gespeichert wird, und in einem zweiten Schritt in einer zweiten Strömungsrichtung für eine Zeitperiode t.2 von einem Gas durchströmt wird, das dabei Wärme oder Kälte vom Schüttgut aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts mindestens 10 beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts mindestens 20 beträgt.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittleren Partikeldurchmesser dp des Schüttguts von 0, 1 mm bis 50 mm beträgt.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste von der zweiten Strömungsrichtung verschieden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsrichtung der zweiten entgegengesetzt ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut kontinuierlich von Gas durchströmt wird und zwischen der ersten und der zweiten Strömungsrichtung nach jeweils einer Zeitperiode ti bzw. .2 gewechselt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechseln der Strömungsrichtung mittels mindestens eines Gebläses oder eines Systems von mehreren Ventilen erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zeitperioden ti und t₂ im Intervall von 2 bis 60 Minuten liegen.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ti = t₂ =At.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass At folgender Relation genügt:

0,3 (M_s/m_G) (c_s/Cp) < M < 0,9 (M_s/m_G) (c_s/c_p), wobei M_s die Masse des Schüttgutes, rriG der Gasdurchfluss, c_s die spezifische Wärmekapazität der Schüttgutpartikel und c_p die spezifische Wärmekapazität des Gases ist.

1 1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdurchfluss ITIG pro Masse des Schüttguts M_s während zumindest einer der Zeitperioden ti und t₂ von 0, 1 h^"1 bis 100 h^"1 beträgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das Schüttgutbett während der Zeitperioden und t₂ durchströmenden Gase eine Temperatur im Bereich von -30 °C bis 50 °C aufweisen.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es zur kontrollierten Belüftung eines Raumes mit integrierter Wärmerückgewinnung eingesetzt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Raumabluft bei Eintritt in das Schüttgutbett 17 °C bis 35 °C und die Temperatur der von außen zugeführten Frischluft bei Eintritt in das Schüttgutbett von -30 °C bis 50 °C beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Schüttgutbett eine Feuchterückgewinnung stattfindet und die relative Feuchtigkeit im Raum immer im optimalen Bereich von 35 bis 65% relativer Luftfeuchtigkeit liegt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutbett zur Trocknung intermediär von einem

Wärme an das Schüttgut abgebenden Gas für eine Zeitperiode t3 mit der Bedingung t3 > ti und t₃ > X₂ durchströmt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schüttgutbetten eingesetzt werden, wobei ti = t₂ und, während Schüttgutbett 1 von einem wärmeabgebenden Gas für eine Zeitperiode ti durchströmt wird, simultan Schüttgutbett 2 von einem kälteabgebenden Gas für eine Zeitperiode t₂ durchströmt wird und umgekehrt.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutbett wenigstens zwei Bereichen mit unterschiedlichem Partikeldurchmesser aufweist und der Bereich an dem Ende des Schüttgutbetts, das von dem Wärme aufnehmenden/Kälte abgebenden Gas in Strömungsrichtung zuerst durchströmt wird, größeren Partikeldurchmesser aufweist.

19. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung ein Bett eines Schüttguts zur

Durchströmung mittels Gasen umfasst und wobei das Schüttgut von den Gasen abgegebene Wärme oder Kälte aufnimmt und speichert, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung so eingerichtet ist, dass das Verhältnis zwischen Bettdicke b in Strömungsrichtung des Gases und dem mittleren Partikeldurchmesser d_P des Schüttguts mindestens 10 beträgt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut aus Keramik, Schamott, Silicium-Carbid, Zirkonium-Oxid, Graphit, Eifel-Lava, Kies, Eisenerz, Ton, Kalk, metallischen Partikel oder Kombinationen davon besteht.

21 . Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut aus Kugeln, kiesförmigen Partikeln, oder Partikeln in Form von

Bruch oder Schotter besteht.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zum Strömungsrichtungswechsel im Schüttgutbett umfasst.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Strömungsrichtungswechsel mindestens ein Gebläse oder ein System von mehreren Ventilen umfasst.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schüttgutbetten eingesetzt werden.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Gebläse umfasst, die jeweils Gas in unterschiedliche Richtungen fördern, wobei pro Betriebsphase immer nur ein Gebläse in Betrieb ist und das Umschalten der Strömungsrichtung durch die Inbetriebnahme des jeweils anderen Gebläses erfolgt.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Gebläse zwischen zwei Schüttgutbetten untergebracht sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgutbett zwei oder mehr Schüttgutbereiche umfasst, und jeder Schüttgutbereich einen anderen mittleren Partikeldurchmesser aufweist.

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Schüttgutbett in einem Behältnis außerhalb einer Gebäudewand befindet, das vertikal zur Wand angeordnet ist.