CH661053A5 - Verfahren zur erhoehung der temperatur von gasfoermigem, inertem traegermedium beim abziehen von nutzwaerme aus einem mittels wassersorption arbeitenden speichermedium. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigem, inertem Trägermedium beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium.
Es ist bereits bekannt, Energie aus der Umwelt 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-Molekular-sieben ausgenutzt wird. Als weitere Beispiele für Speichermedien seien Kieselgel und CaCl2 oder auch Lithiumchlorid, Lithiumbromidlösung 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:
AB + Wärme«
A + B
Beispiele für einzelne Systeme sind:
LiCl • 3H20 (fest)^==^ LiCl(fest) +3 H20(gas)
H2S04 • rH20(flüssig)
vr
;H2S04 • (r-n)H2 0(flüssig) +
nH20(gas)
Sorptionsmittel-H20(fest)
Sorptionsmittel (fest)+
H20(gas)
Bei dem Abziehen von Nutzwärme aus einem solchen mittels Wassersorption arbeitenden Speichermedium 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 5 trockene Speichermedium gegenüber der Atmosphäre, d.h. 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 10 weiteres möglich. Bei Bedarf kann dann durch 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 Speicherme-15dium 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.
20 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 abgezo-25 genen Nutzwärme erforderlich ist, die Zufuhr von feuchter Zuluft zu dem beladenen Speichermedium kein wünschenswert hohes Temperaturniveau, z.B. von 60 °C, ergibt, wie dies zum Betrieb einer üblichen Radiatorheizung wünschenswert wäre. Der Grund hierfür liegt darin, dass bei dem Ab-30 ziehen 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 vor-35 teilhaft 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, 40 der eventuell auch künstlich durch eine Kiesschüttung vorbereitet ist, Zuluft von im Durchschnitt 10 °C und 80 bis 100% relativer Feuchte erhalten kann.
Wenn solche Zuluft von 10 °C und 100% relativer Feuchte zu trockenem, d.h. energiebeladenem Kieselgel als 45 Speichermedium zugeführt wird, kann eine Temperatursteigerung um 30 K erreicht werden, d.h. die aus diesem Speichermedium abgezogene Nutzwärme liegt auf einem Temperaturniveau von etwa 40 °C. Dies ist, wie bereits zuvor ausgeführt, jedoch an kalten Tagen, an denen besonders ein hö-50 heres Temperaturniveau erwünscht wäre, oder für andere Anwendungen wie Brauchwarmwasserbereitung, oft nicht ausreichend.
Gemäss einem älteren Vorschlag in der CH-PS 651 915 wurde vorgeschlagen zur Erhöhung des Temperaturniveaus 55 der Nutzwärme eine Nachbefeuchtung durchzuführen, siehe • die Arbeitsweisen gemäss Fig. 4 und 5 dieses älteren Patentes.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die dort beschriebenen Arbeitsweisen der Nachbefeuchtung noch weiter 6o zu verbessern und das Temperaturniveau der aus dem Speichermedium abgezogenen Nutzwärme noch weiter zu erhöhen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient das erfindungsgemässe Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Restwärme es des Trägermediums nach dem Abziehen der Nutzwärme zur Temperaturerhöhung von Wasser ausgenutzt wird, und dass dieses Wasser mit höherer Temperatur zur Befeuchtung und Temperaturerhöhung des Trägermediums vor dessen Einlei-
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ten in das Speichermedium verwendet wird. teil des Wärmetauschers B geführt, in welchem es im Gegen-
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform wird bei ström zu dem Trägermedium, d.h. im vorliegenden Falle dem erfindungsgemässen Verfahren Luft als Trägermedium Luft, strömen gelassen wird. Der Wasserkreislauf muss na-
verwendet. türlich eine Wasserzufuhr besitzen, da in dem Befeuchter
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform 5laufend Feuchtigkeit an die Zuluft abgegeben wird. Eine sol-
wird bei dem Verfahren Kieselgel als Speichermedium ver- che Wasserzufuhr ist über eine automatisch sich regelnde wendet. Hierbei hat sich das Verfahren als besonders wirk- Einspeisung möglich.
sam erwiesen, ebenso bei der Verwendung von Zeolith als Als Befeuchter wird vorteilhafterweise ein Rieselturm
Speichermedium. verwendet, es ist jedoch auch möglich, als Befeuchter einen
Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform 10Turm zu verwenden, in welchem das Wasser im Oberteil wird die Sättigung des Trägermediums mit Wasser im Ge- über Düsen eingedüst wird.
genstrom in einem Rieselturm durchgeführt, wodurch ein be- Weiterhin ist es noch möglich, das im Kreislauf geführte sonders guter Wirkungsgrad und eine einfache Durchfüh- Wasser über Reinigungsstufen zu führen, um in dem Be-
rung erreicht werden. feuchter aus der zugeführten Zuluft störende, feste oder gas-
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläu- 15 förmige Bestandteile zu entfernen, beispielsweise hierin vor-
tert; in der Zeichnung sind: liegendes S02 oder in der Zuluft vorhandene oder hiervon
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer nicht unter die mitgerissene, feste Teilchen wie Staub, Russ usw. Dieser
Erfindung fallenden Anlage zum Abziehen von Nutzwärme Wasserkreislauf kann daher als zusätzliche Reinigungsstufe aus einem Speichermedium, wobei hier feuchte Umgebungs- für die zugeführte Zuluft dienen. In einem solchen Fall kann luft verwendet wird; 20 eine Aufbereitung des Wassers in diesem Kreislauf erforder-
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Anlage, wel- lieh werden. Beim Betrieb einer solchen Anlage unter den zu-
che nach dem erfindungsgemässen Verfahren mit einem offe- vor genannten Bedingungen, d.h. Verwendung von Zuluft nen System arbeitet und bei welchem eine Nachbefeuchtung mit Tu= 10 °C und einer relativen Feuchte von/4tu= 100%
der zugeführten Zuluft stattfindet; ergab sich bei Versuchen, dass die Luft aus dem Befeuchter
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anlage, wel- 25 mit einer Temperatur Tj = 17 C und einer relativen Feuchte che ebenfalls nach dem erfindungsgemässen Verfahren, je- von^j = 100% austritt. Wenn diese Luft mit T,= 17 C und doch mit einem geschlossenen System arbeitet und bei wel- /{,•= 100% in eine Speicherkolonne I, welche mit trockenem,
chem ebenfalls eine Nachbefeuchtung durchgeführt wird. engporigem Kieselgel gefüllt ist, eingeführt wird, ergibt sich
In der Fig. 1 ist eine vorbekannte Verfahrensweise darge- am Austritt der Kolonne für das Speichermedium I eine stellt, wobei sich in der Kolonne I im schraffierten Bereich 30 Temperatur Tf= 60 C, d.h. ein um 21 K höherliegendes bereits energieentladenes Speichermedium und oberhalb Temperaturniveau der Nutzwärme. Die Temperatur Tc der hiervon noch energiebeladenes, d.h. trockenes Speichermedi- aus dem Wärmetauscher A austretenden Luft wurde auf um, im vorliegenden Fall in Form eines engporigen Kiesel- 30 C gehalten, diese Luft von 30 C wurde dann in dem gels, befindet. Diesem Speichermedium I wird am Unterteil Wärmetauscher B zum Aufheizen des im Kreislauf geführten der Kolonne feuchte Zuluft mit einer Temperatur Tu=i0 °C 35 Wassers, das am Oberteil des Befeuchters zugeführt wurde,
und einer relativen Feuchte ^i= 100% zugeführt. Eine sol- verwendet.
che Zuluft kann als Umgebungsluft aus einer frostsicheren, Ein weiterer, durch das erfindungsgemässe Verfahren erluftdurchlässigen, gegebenenfalls mit Wasser berieselten Bo- zielter Vorteil ist, dass in dem hier beschriebenen Fall das denschicht ohne weiteres gewonnen werden. Bei adiabati- Kieselgel bis zur maximalen Wasseraufnahme beladen werscher Führung des Verfahrens tritt aus dem Oberteil der mit 40 den konnte, während bei einer Verfahrensführung gemäss dem Speichermedium I beladenen Kolonne trockene Luft Fig. 1 eine Endbeladung des Kieselgels mit Wasser von nur aus, da die Feuchtigkeit der Zuluft in dem trockenen, engpo- etwa 51 % möglich war, d.h. die in dem Kieselgel gespeicher-rigen Kieselgel vollständig absorbiert wurde. Das Tempera- te Energiemenge konnte nur zu 51 % abgezogen werden, turniveau der austretenden Luft ergab sich bei Messungen zu Das erfindungsgemässe Verfahren ist insbesondere bei Tf=39 °C. Aus dieser Luft als gasförmigem, inertem Trä- 45 Verwendung von Kieselgel, bevorzugt von engporigem oder germedium, das sich auf 39 °C befindet, kann in dem an- mittelporigem Kieselgel, als Speichermedium geeignet. Als schliessenden Wärmetauscher A Nutzwärme Qn abgezogen Zeolith-Speichermedien können bei dem erfindungsgemässen werden, wobei die Temperatur der Luft beim Austritt aus Verfahren sowohl synthetische als auch natürliche Zeolithe dem Wärmetauscher A auf T0 = 30 °C gesunken ist. Nutz- und insbesondere die als Molekularsiebe bekannten Zeolithe wärme QN mit einem Temperaturniveau von maximal 39 °C 50 eingesetzt werden.
kann dann für Heizzwecke oder zur Bereitung von Warm- Das erfindungsgemässe Verfahren kann als offenes Sy-
wasser verwendet werden. stem betrieben werden. In einem solchen Fall ist natürlich
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren, wie dies in der nur Luft als Trägermedium möglich.
Fig. 2 dargestellt ist, wird diese aus dem Wärmetauscher A Es gibt jedoch auch Situationen, bei denen das erfin-austretende, sich noch auf dieser höheren Temperatur be- 55 dungsgemässe Verfahren als geschlossenes System betrieben findliche Luft durch einen zweiten Wärmetauscher B geleitet, wird, insbesondere wenn die Luft sonst wegen zu grosser in welchem die Restwärme der Luft von 30 °C an Wasser Schadbestandteile aufbereitet werden müsste oder wegen unabgegeben wird. Dieses Wasser wird durch den Wärmetau- günstigen Bodenverhältnissen ein Ansaugen von feuchter scher B im Kreislauf geführt und kann eine Maximaltempe- Luft an kalten Tagen oder im Winter nicht oder nur unzurei-ratur von 17 C erreichen. Dieses Wasser von höherer Tem- «o chend möglich ist. In einem solchen Fall wird die Wärme der peratur wird zum Oberteil eines vor die Kolonne mit dem mit solchen Schadbestandteilen beladenen Luft oder die Speichermedium I vorgeschalteten Befeuchters geführt und Wärme des Bodens in einem weiteren Wärmetauscher C dient zur Erhöhung der Temperatur der am Unterteil des Be- über einen Solekreislauf, siehe Fig. 3, auf das Trägermedium feuchters zugeführten Zuluft und zu deren vollständigen des geschlossenen Systems übertragen und dieses durch Was-oder weitgehend vollständigen Befeuchtung, d.h. zur Errei- 65 serzufuhr von aussen befeuchtet. Dieses Trägermedium muss chung eines möglichst 100% erreichenden Wertes der relati- dann nicht aus Luft bestehen, sondern es kann sich auch um ven Feuchtet. Das am Unterteil des Befeuchters austreten- ein Inertgas wie Stickstoff, Edelgase oder C02 handeln, de und abgekühlte Wasser wird dann wieder zu dem Unter- Die erforderliche Wärmemenge zur Verdampfung des
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von aussen dem Trägermedium zugeführten Wassers muss aus der Anergie der dem Wärmeaustauscher C 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 Tu des zugeführten Trägermediums von 10 "C bei einer maximalen relativen Feuchte von^u von 100% erreicht werden, so dass sich letztlich die gleichen Temperaturverhältnisse vor und nach dem Wärmetauscher A wie im Fall der Verfahrensweise gemäss Fig. 1 ergeben würden. Durch das erfindungsgemässe Verfahren unter Einschaltung der zusätzlichen Befeuchtungsstufe, wie dies in der Fig. 3 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 Solekreislauf aus dem Boden zugeführt. In dem 1. Befeuchter wird dann 5dem Trägermedium Wasserdampf bis zur möglichst vollständigen Sättigung, d.h.^ = 100% zugeführt, in dem 2. Befeuchter wird die Temperatur von Tu auf Tj erhöht und gleichzeitig durch die Wasserzufuhr der Sättigungsgrad auf einem Wert von'Y = 100% oder nur wenig darunter gehalsten. Der 1. Befeuchter kann ebenso wie der 2. Befeuchter ein Rieselturm oder eine andere an sich bekannte Einrichtung sein.
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3 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Erhöhung der Temperatur von gasförmigem, inertem Trägermedium beim Abziehen von Nutzwärme aus einem mittels Wassersorption 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 Befeuchtung und Temperaturerhöhung des Trägermediums vor dessen Einleiten in das Speichermedium verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.
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