DE3130671C2

DE3130671C2 - "Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigen, inertem Trägermedium beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium"

Info

Publication number: DE3130671C2
Application number: DE3130671A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof. Dr. 8000 München Sizmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-08-03
Filing date: 1981-08-03
Publication date: 1983-05-19
Also published as: ZA824687B; US4461339A; ATA261082A; ES514435A0; IT8222437A0; GB2107851A; IT1157293B; FR2510592B1; JPS5831257A; IL66207A0; IT8222437A1; CA1205002A; AT387451B; ES8307881A1; SE8204507D0; FR2510592A1; SE8204507L; NL8203086A; IL66207A; GB2107851B

Description

fcs ist bereits bekannt, Energie aus der Umweit in einem mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium zu akkumulieren und diese Energie bei Bedarf aus dem Speichermedium abzuziehen. Solche Energie aus der Umwelt kann insbesondere aus solarer Einstrahlung stammen, siehe hierzu den Aufsatz in Solar Energy, 23 (1979), S. 489-495, wo die Adsorptionswärme von Feuchtigkeit an Zeolith-Molekularsieben ausgenutzt wird. Als weitere Beispiele für Speichermedien seien Kieselgel und CaCl₂ oder auch Lithiumchlorid, Lithiumbrom idlösung und Schwefelsäure genannt

Diese Speichersysteme arbeiten nach den folgenden Gleichungen, wobei die festen Speichermedien hier als »Sorptionsmittel« bezeichnet werden und diese Sorptionen der folgenden allgemeinen Gleichung entsprechen:

A3 + Wärme

A + B

Beispiele für einzelne Systeme sind: LiCl · 3 H₂O (fest) ^=^ LiCl (fest) + 3 H₂O (gas) H₂SO₄ · /-H₂O(HUSSJg) ^=^ H₂SO₄ · (r-η)H₂O(flüssig) + nH₂0(gas) Sorptionsmittel · H₂O (fest) ===: Sorptionsmittel (fest) + H₂O (gas)

Bei dem Abziehen von Nutzwärme aus einem solchen mittels Wassersorption arbeitenden Speichermediu.il wird das wasserfreie oder wasserärmere Speichermedium mit möglichst feuchter Luft beaufschlagt, durch die Absorption des in dieser Zuluft enthaltenen Wasserdampfgehaltes durch das Speichermedium wird Wärme freigesetzt, die an das gasförmige, inerte Trägermedium abgegeben wird und dessen Temperatur erhöht Dieses gasförmige, inerte Trägermedium, das sich dann auf einem höheren Temperaturniveau befindet, kann dann die in ihm enthaltene Nutzwärme in einem Wärmetauscher, beispielsweise an ein Heizungssystem, abgeben.

Der Vorteil solcher mittels Wassersorption arbeitender Speichermedien liegt darin, daß in ihnen die gespeicherte Energie beliebig lange aufbewahrt werden kann, vorausgesetzt, daß der Zutritt von Wasser zu dem Speichermedium verhindert wird. Dies ist jedoch ohne weiteres möglich, wenn das mit Energie beladene, d. h. weitgehend oder vollständig trockene Speichermedium gegenüber der Atmosphäre, chh, dem Zutritt von feuchter Luft, oder gegenüber dem Zutritt von Wasserdampf in einem geschlossenen System abgeschlossen wird. Dies ist bei der üblichen Aufbewahrung des Speichermediums bei solchen Anlagen in Behältern ohne weiteres möglich. Bei Bedarf kann dann durch 6^r> Zufuhr von feuchter Luft die Nutzwärme aus dem Speichermedium abgezogen werden, beispielsweise kann ein Speichermedium im Sommer oder im Fall der Verfügbarkeit von trockener Luft energetisch beladen werden und dieses trockene Speichermedium in abgeschlossenen Kolonnen bis zur kalten Jahreszeit im energiebeladenen Zustand aufbewahrt werden und dann in dieser kalten Jahreszeit Nutzwärme aus dem Speichermedium für Heizzwecke durch Einleiten von feuchtem Trägermedium abgezogen werden.

Es hat sich nun herausgestellt daß beim Abziehen von Nutzwärme aus einem solchen energiebeladenen, d. h. trockenen, Speichermedium durch Zufuhr von feuchter Luft zur kalten Jahreszeit und insbesondere an kalten Wintertagen, an denen ein besonders hohes Temperaturniveau der abgezogenen Nutzwärme erforderlich ist, die Zufuhr von feuchter Zuluft zu dem beladenen Speichermedium kein wünschenswert hohes Temperaturniveau, z. B. von 6O⁰C ergibt, wie dies zum Betrieb einer üblichen Radiatorheizung wünschenswert wäre. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei dem Abziehen von Nutzwärme aus dem beladenen Speichermedium normalerweise Umgebungsluft verwendet wird, die beispielsweise durch Abziehen von Luft aus dem Boden gewonnen werden kann. Ein solches Abziehen von Luft aus dem Boden ist insbesondere zur kalten Jahreszeit und an Frosttagen vorteilhaft oder sogar auch erforderlich, da sonst keine ausreichend feuchte Luft mit geeigneter Temperatur als Zuluft zur Verfügung steht. Versuche haben jedoch ergeben, daß man selbst an kalten Wintertagen durch Abziehen von Luft aus

frostfreien Schichten eines geeignet durchlässigen Bodens, der eventuell auch künstlich durch eine ICiesschüttung vorbereitet ist, Zuluft von im Durchschnitt 10⁰C und 80 bis 100% relativer Feuchte erhalten kann.

Wenn solche Zuluft von 10° C und 100% relativer Feuchte zu trockenem, o\ h. energiebeladenem Kieselgel als Speichermedium zugefQhtt wird, kann eine Temperatursteigerung t«m 30 K erreicht werden, d. h. die aus diesem Speichermedium abgezogene Nutzwärme liegt auf einem Temperaturniveau von etwa 40⁰C. Dies ist, wie bereits zuvor ausgeführt, jedoch an kalten Tagen, an denen besonders ein höheres Temperaturniveau erwünscht wäre, oder für andere Anwendungen wie Brauchwstrmwasserbereitung, oft nicht ausreichend.

Gemäß einem eigenen älteren Vorschlag in der DE-OS 30 22 583 wurde vorgeschlagen, zur Erhöhung des Temperaturniveaus der Nutzwärme eine Nachbefeuchtung durchzuführen, siehe die Arbeitsweisen gemäß Fig. 4 und 5 dieser älteren Patentanmeldung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die dort beschriebenen Arbeitsweisen der Nachbefeuchtung noch weiter zu verbessern und das Temperatumiveau der aus dem Speichermedium abgezogenen Nutzwärme noch weiter zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient das Verfahren, wie es in den Patentansprüchen näher beschrieben ist

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer nicht unter die Erfindung fallenden Anlage zum Abziehen von Nutzwärme aus einem Speichermedium, wobei hier feuchte Umgebungsluft verwendet wird;

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Anlage, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem offenen System arbeitet und bei welchem eine Nachbefeuchtung der zugeführten Zuluft stattfindet;

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Anlage, welche ebenfalls nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, jedoch n.it einem geschlossenen System arbeitet und bei welchem ebenfalls eine Nachbefeuchtung durchgeführt wird.

In der Fig. 1 ist eine vorbekannte Verfahrensweise dargestellt, wobei sich in der Kolonne /im schraffierten Bereich bereits energieentladenes Speichermedium und oberhalb hief von noch energiebeladenes, d. h. trockenes Speichermedium, im vorliegenden Fall in Form eines engporigen Kieselgels, befindet. Diesem Speichermedium /wird am Unterteil der Kolonne feuchte Zuluft mit einer Temperatur Tu=IO⁰C und einer relativen Feuchte φ= 100% zugeführt. Eine solche Zuluft kann als Umgebungsluft aus einer frostsicheren, luftdurchlässigen, gegebenenfalls mit Wasser berieselten Bodenschicht ohne weiteres gewonnen werden. Bei adiabatischer Führung des Verfahrens tritt aus dem Oberteil der mit dem Speichermedium / beladenen Kolonne trockene Luft aus, da die Feuchtigkeit der Zuluft in dem trockenen, engporigen Kieselgel vollständig absorbiert wurde. Das Temperatumiveau der austretenden Luft ergab sich bei Messungen zu 7}= 39° C. Aus dieser Luft als gasförmigem, inertem Trägermedium, das sich auf 39°C befindet, kann in dem anschließenden Wärmetauscher A Nutzwärme Qn abgezogen werden, wobei die Temperatur der Luft beim Austritt aus dem Wärmetauscher A auf 7L = 30°C abgesunken ist. Nutzwärme Qn mit einem Temperatumiveau von maximal 39°C kann dann für Heizzwecke oae·" zur Bereitung von Warmwasser verwendet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie dies in der Fig,2 dargestellt ist, wird di<»e aus den Wärmetauscher A austretende, sich noch auf dieser höheren Temperatur befindliche Luft durch einen zweiten Wärmetauscher B geleitet, in welchem die Restwärme der Luft von 30⁰C an Wasser abgegeben wird. Dieses Wasser wird durch den Wärmetauscher B im Kreislauf geführt und kann eine Maximaltemperatur von 17° C erreichen. Dieses Wasser von höherer

ίο Temperatur wird zum Oberteil eines vor die Kolonne mit dem Speichermedium /vorgeschalteten Befeuchters geführt und dient zur Erhöhung der Temperatur der am Unterteil des Befeuchters zugeführten Zuluft und zu deren vollständigen oder weitgehend !vollständigen

ι s Befeuchtung, d. h. zur Erreichung eines möglichst 100% erreichenden Wertes der relativen Feuchte φ. Das am Unterteil des Befeuchters austretende und abgekühlte Wasser wird dann wieder zu dem Unterteil des Wärmetauschers B geführt, in welchem es im Gegenstrom zu dem Trägermedium, d. h. im · ,jrhVgenden Falle Luft, stromes gelassen wird. Der Wasber'creisiauf muß natürlich eine Wasserzufuhr besitzen, da in dem Befeuchter laufend Feuchtigkeit an die 2!iuluft abgegeben wird. Eine solche Wasserzufuhr ist über eine automatisch sich regelnde Einspeichung möglich.

Als Befeuchter wird vorteilhafterweise ein Rieselturm verwendet, es ist jedoch auch möglich, als Befeuchter einen Turm zu verwenden, in welchem das Wasser im Oberteil über Düsen eingedüst wird.

Weiterhin ist es noch möglich, das im Kreislauf geführte Wasser über Reinigungsstufen zu führen, um in dem Befeuchter aus der zugeführten Zuluft störende, feste oder gasförmige Bestandfeile ;su entfernen, beispielsweise hierin vorliegendes SO2 oder in der

J5 Zuluft vorhandene oder hiervon mitgerissene, feste Teilchen wie Staub, Ruß usw. Dieser Wasserkreislauf kann daher als zusätzliche Reinigungsstufe für die zugeführte Zuluft dienen. In einem solchen Fall Jcann eine Aufbereitung des Wassers in diesem Kreislauf erforderlich werden. Beim Betrieb einer solchen Anlage unte! den zuvor genannten Bedingungen, d. h. Verwendung von Zuluft mit T₁₁=IO⁰C und eiiner relativen Feuchte von φ,,= 100% ergab sich bei Versuchen, daß die Luft aus dem Befeuchter mit einer Temperatur

4j 7)= 17°C und einer relativen Feuchte von φ,= 100% austritt Wenn diese Luft mit T₁= 17°C und φ,= 100% in eine Speicherkolonne /, welche mit trockenem, engporigem Kieselgel gefüllt ist, eingeführt wird, ergibt sch am Austritt der Kolonne für das Speichermedium / eine Temperatur Tr= 60° C₁ d. h. ein um 21 K höherliegendes Temperatumiveau der Nutzwärme. Die Temperatur T₀ der aus dem Wärmetauscher A austretenden Luft wurde auf 30⁰C gehalten, diese Luft von 30°C wurde dann in dem Wärmetauscher ßzum Aufheizen des im Kreislauf geführten Wassers, ias am Oberteil des Befeuchters zugeführt wurde, verwendet.

Ein weiterer, durch erfindungsgemäße Verfahren erzielte Vorteil ist daß in dem hier beschriebenen Fall das Kieselgel bis zur maximalen Wasseraufnahme beladen werden konnte, während bei einer Verfahrensführung gemäß Fig. 1 eine Endbeladungdes Kiesdgels mit Wasser von nur etwa 51% möglich war, d. h. die in dem Kieselgel gespeicherte Energiemenge konnte nur zu 51% abgezogen werden.

hi Das erfindungsgema3e Verfahren ist insbesondere bei Verwendung von Kieselgel, bevorzugt von engporigem oder mittelporigem Kieselgel, als Speichermedium geeignet. Als Zeolith-Speichermedien können bei dem

erfindungsgemäßen Verfahren sowohl synthetische als auch natürliche Zeolithe und insbesondere die als Molekularsiebe bekannten Zeolithe eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als offenes System betrieben werden. In einem solchen Fall ist < natürlich nur Luft als Trägermedium möglich.

Es gibt jedoch auch Situationen, bei denen das erfindungsgemäße Verfahren als geschlossenes System betrieben wird, insbesondere wenn die Luft sonst wegen zu großer Schadbestandteile aufbereitet werden müßte in oder wegen ungünstigen Bodenverhältnissen ein Ansaugen von feuchter Luft an kalten Tagen oder oder im Winter nicht oder nur unzureichend möglich ist. In einem solchen Fall wird die Wärme der mit solchen Schadbestandteilen beladenen Luft oder die Wärme des ι *> Bodens in einem weiteren Wärmetauscher Cüber einen Solekreislauf, siehe Fig.3, auf das Trägermedium des geschlossenen Systems übertragen und dieses durch Wasserzufuhr von aulien befeuchtet. Dieses Trägermedium muß dann nicht aus Luft bestehen, sondern es kann 2» sich auch um ein Inertgas wie Stickstoff, Edelgase oder CO₂ handeln.

Die erforderliche Wärmemenge zur Verdampfung des von außen dem Trägermedium zugeführten Wassers muß aus der Anergie der dem Wärmeaustauscher C 2> zugeführten Luft oder der Anergie, welche aus dem Boden beispielsweise über das Solekreislaufsystem abgezogen wird, zugeführt werden. In diesem Fall kann jedoch ebenfalls normalerweise nur eine Temperatur T₁₁ des zugeführten Trägermediums von 10" C bei einer maximalen relativen Feuchte von <p„ von 100% erreicht werden, so daß sich letztlich die gleichen Temperaturverhältnisse vor und nach dem Wärmetauscher A wie im Fall der Verfahrensweise gemäß F i g. 1 ergeben würden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Einschaltung der zusätzlichen Befeuchtungsstufe, wie dies in der F i g. J dargestellt ist, lassen sich jedoch praktisch die gleichen Temperaturverhältnisse wie bei dem offenen System gemäß Fig. 2 erreichen. In dem in der Fig. 3 gezeigten Beispiel wurde die erforderliche Wärmemenge über einen Solckreislauf aus dem Boden zugeführt. In dem I. Befeuchter wird dann dem Trägermedium Wasserdampf bis zur möglichst vollständigen Sättigung, d.h. φ= 100% zugeführt, in dem 2. Befeuchter wird die Temperatur von T_u auf T, erhöht und gleichzeitig durch die Wasserzufuhr der Sättigungsgrad auf einem Wert von φ= 100% oder nur wenig darunter gehalten. Der 1. Befeuchter kann ebenso wie der 2. Befeuchter ein Rieselturm oder eine andere an sich bekannte Einrichtung sein.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1, Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigem, inertem Trägermedium beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Wassersorp- tion arbeitenden Speichermedium, dadurch gekennzeichnet, daß Restwärme des Trägermediums nach dem Abziehen der Nutzwärme zur Temperaturerhöhung von Wasser ausgenutzt wird, und daß dieses Wasser mit höherer Temperatur zur vollständigen oder weitgehend vollständigen Befeuchtung und Temperaturerhöhung des Trägermediums vor dessen Einleiten in das Speichermedium verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- is

zeichnet, daß als Trägermedium Luft verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium Kieselgel verwendet wird,
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß als Speichermedium Zeolith verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung des Trägermediums mit Wasser im Gegenstrom in einem Rieselturm durchgeführt wird.