DE3331825A1 - CHEMICAL HEAT PUMP WITH LONG-TERM CHEMICAL STORAGE - Google Patents
CHEMICAL HEAT PUMP WITH LONG-TERM CHEMICAL STORAGEInfo
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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
- F25B29/00—Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
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Description
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Die Erfindung betrifft eine chemische Wärmepumpe, die durch Wärme, d.h. durch thermische Energie angetrieben wird, zum Pumpen von Anergie aus einem Raum von Bezugstemperatur in einen Raum höherer "temperatur nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a chemical heat pump that uses heat, i.e. powered by thermal energy, for pumping anergy from a room of reference temperature to a room of higher "temperature" according to the preamble of claim 1.
Die Wärmepumpe soll Wärme zum Antrieb aufnehmen, solare Wärme im Sommer oder in Perioden hohen Abwärmeangebotes aus anderen Quellen, und das Pumpen von Anergie in einen Raum mit höherer als der Bezugsbzw. Umgebungstemperatur zur Beheizung desselben im Winter oder in Perioden mangelnden Wärmeangebots besorgen. Sie ist zu diesem Zweck mit einem Speicher ausgerüstet, der Exergie des Antriebswärmestromes in Form chemischer Energie aufnimmt und zum Pumpen von Anergie bei Bedarf wieder abgibt. Die Energiebilanz ist wie folgt aufgeschlüsselt, wobei Verluste des leichteren Verständnisses wegen vernachlässigt sind (E = Exergie, A = Anergie) :The heat pump should absorb heat for the drive, solar heat in summer or in periods of high waste heat supply from other sources, and pumping anergy into a room with a higher than the reference or Ambient temperature for heating the same in winter or in Get periods of insufficient heat supply. She is for that purpose Equipped with a memory that absorbs the exergy of the drive heat flow in the form of chemical energy and contributes to pumping anergy Needs again. The energy balance is broken down as follows, where losses are neglected for easier understanding (E = exergy, A = anergy):
- Für den Antrieb der Wärmepumpe, das bedeutet nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, für die endergonische Hinreaktion oder Desorption gilt :- For the drive of the heat pump, that means according to the generic term of claim 1, for the endergonic forward reaction or desorption applies:
Antriebsenergie, thermischDrive energy, thermal
(eingegeben) 2 E + A(entered) 2 I + O
AbwärmeWaste heat
(ausgegeben) · — (E + A)(output) - (I + O)
- Es verbleibt also :- So it remains:
gespeicherte Exergie Estored exergy E
- Für das Pumpen der Wärmepumpe, das bedeutet nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1, für die exergonische Rückreaktion oder Absorption
gilt :- For pumping the heat pump, which means according to the preamble of claim 1, for the exergonic reverse reaction or absorption
is applicable :
AnergieAnergy
(eingegeben) A(entered) A.
ExergieExergy
(eingegeben) E(entered) E.
HeizwärmeHeating
(ausgegeben) - (E + A)(output) - (E + O)
Bildet man die Jahresverbrauchszahl ψ , definiert als das Verhältnis von zugeführter Exergie zu insgesamt abgegebener thermischer EnergieIf the annual consumption figure ψ is formed, it is defined as the ratio of exergy supplied to the total thermal energy given off
so entspricht diese dem über die Heizperiode gemittelten Carnot-Faktor der Heizaufgabe. Die Relation gilt im übrigen auch, wenn als Jahresverbrauchszahl φ das Verhältnis von gespeicherter Exergie E zur durch Pumpen gewonnenen Hsizwärme (E + A) bezeichnet wird. <f> hat für einen Standort der Wärmepumpe im Klimagebiet Mitteleuropas Werte um 0,07; wegen der nicht zu vermeidenden Verluste an Exergie liegen tatsächlich erreichbare Werte der Jahresverbrauchszahl zwischen 0,25 und 0,7.this corresponds to the Carnot factor of the heating task averaged over the heating period. The relationship also applies if the annual consumption figure φ is the ratio of stored exergy E to heat generated by pumping (E + A). <f> has values around 0.07 for a location of the heat pump in the climatic region of Central Europe; Because of the unavoidable loss of exergy, actually achievable values for the annual consumption figure are between 0.25 and 0.7.
Der Stand der Technik für Wärmepumpen mit Speicher sind gekennzeichnet durch Zeolith-Speicher-Wärmepumpen. Zeolithe sind Festkörper, die unter Energieabgabe Wasserdampf absorbieren können. Zeolithe können also als Sorptionsmittel Verwendung finden, wenn Wasser als Kältemittel dient; es handelt sich bei Absorption und Desorption der beiden Reaktionspartner im strengen Sinne nicht um eine chemische Reaktion sondern eher um einen physikalischen Adsorptionsprozeß. Die Zeolith-Wärmepumpen sind dennoch genannt, da chemische wärmepumpen mit chemischem Speicher bisher nicht beschrieben wurden. (Chemische Wärmepumpen ohne Speicher werden nicht ganz zutreffend als Absorptionswärmepumpen bezeichnet, denn in ihnen finden ja auch Desorptionsvorgänge statt. Bei den gebräuchlichen Wärmepumpen ist nicht Wasser sondern beispielsweise NH3 das Kältemittel; sie scheiden daher im Vergleich zur Erfindung aus.)The state of the art for heat pumps with storage is indicated through zeolite storage heat pumps. Zeolites are solids that can absorb water vapor while releasing energy. Zeolites can thus find use as a sorbent when water is used as a refrigerant; it is absorption and desorption of the two Reaction partner in the strict sense not a chemical reaction but rather a physical adsorption process. The zeolite heat pumps are nevertheless mentioned, since chemical heat pumps with chemical Memory has not yet been written to. (Chemical heat pumps without a storage tank are not entirely applicable as absorption heat pumps because desorption processes also take place in them. In conventional heat pumps, the refrigerant is not water but, for example, NH3; they are therefore different in comparison to the invention the end.)
Zeolith-Speicher-Wärmepumpen bringen eine Reihe grundsätzlicher Probleme mit sich aufgrund der Tatsache, daß das Sorptionsmittel ein Festkörper ist. Die Wärmeübetragung an den mit Wasser gesättigten Zeolith beispielsweise über Wärmetauscher erfordert eine große Anzahl von Flächen und den zuverlässigen Kontakt mit dem Festkörper; wegen des geringen Partialdruckes des Kältemittels Wasser muß der gesamte Desorptionsvorgang im Feinvakuum geschehen. Da der Zeolith nur in Grenzen schüttfähig ist, wird die lÄiterscheidung zwischen Desorber und Speicher (ebenso wie die zwischen Absorber und Speicher) hinfällig : Der Speicher selbst mit dem Zeolith-Vorrat ist sowohl Absorber als auch Desorber. Das hat eine periodische Betriebsweise zur Folge - was zu vertreten ist - aber auch die Aufheizung des gesamten Zeolith-Vörrates, oder, wenn dies durch Unterteilung der Wärmetauscher vermie-Zeolite storage heat pumps cause a number of fundamental problems with it due to the fact that the sorbent is a solid. The heat transfer to those saturated with water Zeolite, for example via heat exchangers, requires a large number of surfaces and reliable contact with the solid; because Due to the low partial pressure of the refrigerant water, the entire desorption process must take place in a fine vacuum. Since the zeolite is only available in Boundaries is pourable, the distinction between desorber and Storage (as well as the one between absorber and storage) obsolete: The store itself with the zeolite supply is both an absorber and a also desorber. This results in a periodic mode of operation - what is responsible - but also the heating of the entire zeolite stock, or, if this is avoided by dividing the heat exchanger
NACHQEREICHTSUBSCRIBED
den wird, eine aufwendige Schaltung derselben. Will man Luft als Wärmeübertragungsmittel und gleichzeitig als Wasserdampf transportmittel verwenden, kann auf interne Wärmetauscher und auf Feinvakuum verzichtet werden; die Probleme sind jetzt durch den hohen Strömungswiderstand der Schüttung bedingt, der einen großen Aufwand an Exergie für die Gebläse erfordert.den is a complex circuit of the same. If you want air as a heat transfer medium and at the same time as a means of transporting water vapor internal heat exchangers and fine vacuum can be dispensed with; the problems are now due to the high flow resistance due to the bed, which requires a great deal of exergy for the fan.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Speicherung der Exergie der thermischen Antriebsenergie für die Wärmepumpe über einen längeren Zeitraum, ausreichend für eine Saison, auf chemischem Wege kostengünstig, mit minimalem technischen Aufwand und minimalem Exergiebedarf für Hilfsaggregate zuverlässig zu ermöglichen, wobei darauf hinzuweisen ist, daß Desorption und Absorption hier bei Bedarf auch parallel mit unterschiedlicher Leistung ablaufen kennen.The invention is based on the task of storing the exergy the thermal drive energy for the heat pump over a longer period of time, sufficient for one season, chemically inexpensive, to enable reliable with minimal technical effort and minimal exergy requirement for auxiliary units, whereby it should be pointed out is that desorption and absorption know here, if necessary, also run in parallel with different power.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This task is achieved in a generic device by the Features of claim 1 solved.
Der Vorteil der Lösung dieser Aufgabe besteht darin, wenn als Sorptionsmittel eine einfach und kostengünstig zu lagernde Flüssigkeit mit extrem geringem Dampfdruck bei Umgebungstemperatur und als Kältemittel Wasser verwendet wird, beispielsweise Luft als Wärmeübetragungsmittel und Wasserdampftransportmittel sowohl für die Desorption als auch für die Absorption in Frage kommen kann, wobei die freie Reaktionsenthalpie bei der Reaktion von Sorptions- und Kältemittel hoch sein sollte. Dadurch aber entfallen insbesondere bei aggressiven Sorptionsmitteln wie z.B. Schwefelsäure der direkte Kontakt mit dem Wärmetauscher, da beispielsweise die Antriebswärme der Luft zugeführt, die Haizwärme der Luft entnommen wird. Insbesondere die Desorption kann bei relativ geringer !temperatur bei Umgebungsdruck durchgeführt werden, da der Partialdruck der Wasserdampfbeladung nunmehr vom Absolutdruck im Desorber nahezu unabhängig ist.The advantage of solving this problem is when used as a sorbent an easy and inexpensive to store liquid with extremely low vapor pressure at ambient temperature and as a refrigerant Water is used, for example air as a heat transfer medium and water vapor transport medium for both desorption and for the absorption can come into question, with the free enthalpy of reaction in the reaction of sorbent and refrigerant should be high. However, this is not necessary, especially with aggressive sorbents such as sulfuric acid, direct contact with the heat exchanger, because For example, the drive heat is supplied to the air, the shark heat to the Air is taken. In particular, the desorption can be carried out at a relatively low temperature at ambient pressure, since the The partial pressure of the water vapor load is now almost independent of the absolute pressure in the desorber.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Figur 1 und 2 dargestellt. Two exemplary embodiments of the invention are shown in FIGS. 1 and 2.
Figur 1 zeigt einen geschlossenen Kreislauf mit Speichertanks für Sorptionsmittel, Kältemittel Wasser und Reaktionsprodukt.Figure 1 shows a closed circuit with storage tanks for sorbent, refrigerant water and reaction product.
Figur 2 zeigt einen halb-offenen Kreislauf inbezug auf das Kältemittel mit Speichertanks nur für das Sorptionsmittel und das Reaktionsprodukt von Sorptionsmittel und Kältemittel Wasser.Figure 2 shows a half-open circuit with regard to the refrigerant with storage tanks only for the sorbent and the reaction product of sorbent and refrigerant water.
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Claims (1)
chemischem LangzeitspeicherChemical heat pump with
chemical long-term storage
Raum von Bezugstemperatur in einen Raum höherer TemperaturChemical heat pump for pumping anergy A from one
Room from reference temperature to a room of higher temperature
Reaktionspartner,based on the one hand on a reversible chemical reaction between a refrigerant and a sorbent as
Reaction partner,
Rückreaktion zur Vereinigung der beiden Reaktionspartner in
ihr gemeinsames Reaktionsprodukt, als Absorption bezeichnet,divided into an endergonic forward reaction to separate the two reactants from their common reaction product, known as desorption, and an exergonic one
Reverse reaction to unite the two reactants in
their common reaction product, called absorption,
Durchführung der Hinreaktion im ersten Reaktor, das bedeutet, zur Desorption im Desorber bei gleichzeitiger Verdampfung des Kältemittels mit anschließender Verflüssigung des abgetrenntento absorb thermal energy (2E + A) to drive the heat pump, composed of exergy E and anergy A, for
Carrying out the forward reaction in the first reactor, that is, for desorption in the desorber with simultaneous evaporation of the refrigerant with subsequent liquefaction of the separated
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