DE3044041C2 - System zur Heizung mit einer chemischen Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Heizung mit einer chemischen Wärmepumpe, bei dem im zyklischen Betrieb ein Wärmeübertragungsmittel durch Aktivierung eines von mehreren Festbettreaktoren freigesetzt, in einem Kondensator verflüssigt, bei Unterdruck unter Aufnahme von Umgebungswärme in einem Verdampfer verdampft und anschließend im Festbettreaktor kondensiert wird, wobei das flüssige Wärmeübertragungsmittel mitteis der Schwerkraft in den Verdampfer einfließt und die zufließende Menge in Abhängigkeit vom Wärmebedarf über ein Ventil gesteuert wird.

Ein derartiges System ist aus der DE-OS 28 01 895 bekannt Die Funktionsweise einer derartigen chemischen Wärmepumpe beruht auf folgendem Reaktionsablauf:

Aktivierung

Festkörper · Wärmeüberträger ₍ ' Festkörper -I- Wärmeüberträger

Wärmepumpenreaktion

Die Wärmepumpenreaktion besteht dabei aus einer Verdampfung, bei welcher der Umgebung Wärme entzogen wird, und der Rückreaktion des Wärmeüberträgers mit dem Festkörper. Bei dem bekannten System wird Wärmeenergie von einem niedrigen Temperaturniveau (z. B. Umgebungsluft) kontinuierlich auf ein Temperaturniveau gebracht wie es z. B. für eine Gebäudeheizung erforderlich ist. Die abwechselnde Kühlung und Erwärmung des Adsorptionsmediums erfolgt mittels eines Wärmetauschermediums, das in einem Kreislauf umläuft Dieser Kreislauf enthält u. a. eine Pumpe, die als technisch zu aufwendig angesehen wird.

Ein ähnliches System ist aus der DE-OS 28 10 360 bekannt. Diese Druckschrift bezieht sich allgemein auf die

Festkörperreaktion zum zyklischen Betrieb einer chemischen Wärmepumpe, wobei auch die Einkopplung von Umgebungswärme und Abwärme angesprochen ist. Im wesentlichen geht es darum, Solarenergie und Umgebungswärme durch reversible chemische Reaktionen zu speichern und durch Steuerung der Reaktionsabläufe zu Heiz- und Klimatisierungszwecken zu nutzen.

Wie bereits erwähnt sind die bekannten chemischen Wärmepumpen für Heizungszwecke technisch aufwendig. Ferner genügt der erzielbare Wirkungsgrad nicht den technischen Anforderungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs definierte System zur Heizung mit einer chemischen Wärmepumpe derart weiterzubilden, daß die Anlage mit geringem technischem Aufwand und bei einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die inneren Flächen des Verdampfers nur benetzt werden und das Wärmeübertragungsmittel einen dem Verdampfer vorgeschalteten Vorverdampfer durchströmt, der mit der Umgebung nicht wärmeleitend verbunden ist.

Wie sich herausstellte, kann der Festbettreaktor nur bei einer kontrollierten Filmverdampfung optimal arbeiten. Wenn nähmlich Flüssigkeit auf das Festbett übertragen wird, geht der Wirkungsgrad der Wärmepumpenreaktion zurück, oder es läuft sogar keine Wärmepumpenreaktion mehr ab. Der Wirkungsgrad der Anlage wird auch dadurch erhöht, daß die Zudosierung des flüssigen Wärmeträgers ohne zusätzliche Pumpenarbeit erfolgt.

Einer weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades dient der Vorverdampfer. Für die Wirkungswiese dieses Vorverdampfers ist davon auszugehen, daß eine chemische Wärmepumpe nur dann arbeiten kann, wenn das Austreiben des Wärmeübertragungsmittels aus dem Festbett und das Verdampfen des Wärmeübertragungsmittels bei unterschiedlichem Druckniveau erfolgt. Die Verdampfung erfolgt üblicherweise bei Unterdruck. Mittels des Vorverdampfers wird die latente Wärme des Wärmeübertragungsmittels benutzt, und zwar unter schneller Dampfbildung und Abkühlung des restlichen Wärmeübertragungsmittels unter das Außentemperaturniveau. Auf diese Weise kann der Hauptverdampfer erst wirksam eingesetzt werden.
Das Wesen der Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
F i g. 1 den Zyklus der Wärmepumpenreaktion;

F i g. 2 eine Anordnung für die Schaltung der Festbettreaktoren mit einer Heizung, einem Kondensator und einem Wärmetauscher;

F i g. 3 einen Querschnitt durch zwei Festbettreaktor und

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit vier Festbettreaktoren.

Wie aus F i g. 1 entnommen werden kann, beginnt der Zyklus der Wärmepumpenreaktion mit der Aktivierung.

Dabei wird durch Zuführung von thermischer Energie das Wärmeübertragungsmittel vom Festkörper getrennt Die von außen zugeführte thermische Energie kann beispielsweise durch Gas-, Öl-, Kohlenverbrennung, Solarenergie oder Prozeßwärme erzeugt werden. Das ausgetriebene Wärmeübertragungsmittel kondensiert dann in einem Wärmetauscher. Dieser gibt die Kondensationswärme an die Heizungsanlage ab. Das dabei verflüssigte Wärmeübertragungsmittel wird in einem Tank gespeichert Es steht damit für die Rückreaktion zur Verfügung, bei der die Adsorptionswärme, die durch Adsorption des Wärmeübertragungmittels im Festbettreaktor frei ι wird, in der Heizungsanlage genutzt »werden kann. Durch Abführung der Kondensationswärme besitzt der

kondensierte Wärmeüberträger eine Temperatur, die etwa der Temperatur der Heizungsanalge entspricht. Die Speicherung des kondensierten Wärmeüberträgers kann daher ohne besondere Schwierigkeiten über längere Zeiten erfolgen. _]0

Die Rück* eaktion erfolgt durch Eindosierung des flüssigen Wärmeüberträgers entsprechend dem Wärmebedarf der Heizung. Dabei ist es günstig, den Wärmeüberträger erst in einen Vorverdampfer zu geben, der mit der Umgebung nicht wärmeleitend verbunden ist und danach einen Verdampfer durchströmen zu lassen, der mit der Umgebung wärmeleitend verbunden ist Über den Verdampfer wird der Umgebungsluft Wärme entzogen. Die inneren Flächen des Verdampfers sind im Kreislauf des Wärmeüberträgers angeordnet während sich die äußeren Flächen im wärmeleitenden Kontakt mit der Umgebung befinden. Bei der Zufuhr des flüssigen Wärmeüberträgers ist es vorteilhaft die Menge nur in einem solchen Umfang zuzugeben, daß die inneren Flächen des Verdampfers nur benetzt werden und die Steuerung der Rückreaktion unter Ausnutzung der Schwerkraft vorzunehmen.

Neben dem Zyklus der Wärmepumpenreaktion ist weiter der Zyklus der Festbettreaktoren zu beachten. Nach der Aktivierung befindet sich ein Festbettreaktor jeweils auf einer erhöhten Temperatur. Für die Rückreaktion ist jedoch eine niedrigere Temperatur erwünscht Die bei der Rückführung auf diese niedrigere Temperatur freiwerdende Wärme wird ebenfalls an die Heizungsanlage abgeführt

Zur optimalen Verwertung des Primärbrennstoffes im Verhältnis zur benötigen Wärme werden daher die Kondensation des Wärmeüberträgers, die Wärme der Rückreaktion, die Wärme der Festbettreaktion sowie die Wärme der Heizung nacheinander oder bei mehreren Festbettreaktoren auch nebeneinander einer Heizungsanlage zugeführt. Außerdem ist vorgesehen, die Heizung auch direkt der Heizungsanlage zuzusetzen.

In F i g. 2 ist eine Anordnung für die Schaltung von vier Festbettreaktoren 1,2,3,4 mit einer Heizung 5, einem Kondensator 6 und einem Wärmetauscher 7 dargestellt. Wie aus Fi g. 2 ersichtlich, ist die Heizung 5 über eine motorisch angetriebene Pumpe 8, ein Ventil 9 und Rohrleitungen 10, 11 direkt mit dem Wärmetauscher 7 verbunden, so daß Wärme aus der Heizung 5 direkt einer Warmwasserheizung 12,13 zugeführt werden kann. Weiter ist die Heizung 5 über eine Pumpe 8 mit Leitungen 14,15,16,17 sowie Dreiwegeventilen 18,19,20,21 mit den Festbettreaktoren 1, 2, 3, 4 und dem Wärmetauscher 7 verbunden. Die Festbettreaktoren 1, 2, 3, 4 sind weiter über Dreiwegventile 22, 23, 24, 25 und Leitungen 26, 27, 28, 29 mit der Heizung und der motorisch angetriebenen Pumpe 30 mit dem Wärmetauscher 7 verbunden.

Durch die angegebene Anordnung ist es möglich, dem Wärmetauscher 7 direkt von der Heizung 5 Wärme zuzuführen, aus den Festbettreaktoren 1,2,3,4 dem Wärmetauscher 7 Wärme zuzuführen, der Heizung 12,13 aus dem Kondensator 6 Wärme zuzuführen und von der Heizung 5 den Festbettreaktoren 1, 2, 3, 4 Wärme zuzuführen, um den Wärmeüberträger bei der Aktivierung auszutreiben. In der Leitung 32 zwischen dem Kondensator 6 und dem Wärmetauscher 7 befindet sich ein motorisch angetriebenes Dreiwegemischventil 53 mit dem der Umfang der aus dem Kondensator 6 und dem Wärmetauscher 7 jeweils entnommenen Wärmemenge gesteuert werden kann. Durch diese vorteilhafte Maßnahme ist insbesondere ein kontinuierlicher Betrieb sichergestellt.

In F i g. 3 ist ein Querschnitt durch zwei schematisch dargestellte Festbettreaktoren 1,4 dargestellt. F i g. 4 ist eine Draufsicht auf vier schematisch dargestellte Festbettreaktoren 1,2,3,4. Dabei sind mit den Ziffern 31,32 die Rohrleitungsanschlüsse des Kondensators 6 an die Warmwasserheizung 12,13 und mit den Ziffern 33 bis 40 die Rohrleitungsanschlüsse an die zur Heizung 5 bzw. zum Wärmetauscher 7 führenden Rohrleitungen bezeichnet. Der Aufbau eines Festbettreaktors nach der Erfindung läßt sich am besten aus F i g. 3 erkennen. Über dem Festbettreaktor 1 bzw. 4 befindet sich ein Verdampfer 41 bzw. 42. Über dem Verdampfer 41,42 ist jeweils ein Tank 43,44 angeordnet. In diesem befindet sich der flüssige Wärmeüberträger. Weiter ist über dem Tank 43,44 der Kondensator 6 angeordnet. Der beim Aufheizen des Festbettreaktors 1 und/oder 4 ausgetriebene Wärmeüberträger kondensiert am Kondensator 6, tropft ab und wird über Leitbleche in den Tank 43, 44 geführt. Beim Aufheizen sind die Klappen 46,47 geöffnet und die Klappen 45,48 geschlossen. Der Tank 43,44 ist über jeweils einen Rohrstutzen 49, 50, in dem ein Ventil angeordnet ist, über einen Wärmetauscher 41, 42 mit jeweils einem Festbettreaktor 1,4 verbunden.

Dem Verdampfer 43,44 ist ein Vorverdampfer 51,52 vorgeschaltet. Die Rückreaktion wird dadurch eingeleitet, indem beispielsweise das Ventil im Rohrstutzen 49 geöffnet wird und eine entsprechend dosierte Menge des Wärmeüberträgers auf den Vorverdampfer 51 und den Verdampfer 41 gegeben wird. Die Klappe 45 ist bei der Rückreaktion geöffnet, die Klappe 46 geschlossen. Die bei der Adsorption des Wärmeüberträgers entstehende Wärme wird über die Leitungen 33,37 dem Wärmetauscher 7 zugeführt.

In einer Ausführungsform ist der Kondensator 6 über jeweils einen Rohrstutzen, in dem ein Ventil angeordnet ist, mit jeweils einer Kammer 43, 44 des Tanks verbunden. Der Tank besitzt entsprechend der Zahl der Festbettreaktoren eine gleiche Anzahl von Kammern, die jeweils einen Auslauf mit einem Ventil aufweisen, der zu einem Verdampfer führt, dem ein Festbettreaktor nachgeschaut ist.

In einer anderen Ausführungsform besitzt der Kondensator nur einen Auslauf in den Tank, der keine Kammern aufweist. Dem Tank ist über einem Rohrstutzen mit Ventil ein Verdampfer nachgeschaltet, der mit jeweils einem Rohrstutzen, in dem sich ein Ventil befindet, mit jeweils einem Festbettreaktor verbunden ist. Die Wärmepumpenreaktion läuft folgendermaßen ab:

Die Heizung 5 beginnt das Thermoöl auf 100° -200⁰C aufzuheizen. Dieses öl wird je nach Bedarf durch alle oder einzelne Festbettreaktoren 1—4 geleitet. Die Aktivierung erfolgt, d. h., der Wärmeüberträger wird ausgetrieben, kondensiert im Kondensator 6 und gibt die Kondensationsenergie an die Heizanlage ab. Der Wärmeüberträger wird dabei auf die Temperatur der Heizungsanlage (40° —60° C) abgekühlt und in einem Tank (thermisch isoliert) gespeichert. Je nach Bedarf werden danach einer oder mehrere der einzelnen Festbettreaktoren 1 bis 4 auf die Temperatur der Heizungsanlage abgekühlt. Die Wärmepumpenreaktion beginnt danach mit der Verdampfung des Wärmeüberträgers in dem Verdampfer. Da normalerweise bei thermischer Isolierung die Temperatur des Wärmeüberträgers über der Umgebungstemperatur liegt, dient der Vorverdampfer dazu, diese Energie zur Verdampfung zu nutzen. Erst dann läuft der abgekühlte Wärmeträger in den auf Umgebungstempe-

ratur gehaltenen Verdampfer und entzieht der Umluft Energie zur Verdampfung. Der Dampf gelangt dann durch entsprechende Öffnungen auf einen oder mehrere Festbettreaktoren und die Rückreaktion unter Wärmeenergieabgabe an das Heizungssystem beginnt.

Diese Anordnung gibt, steuerbar über die Heizung 5 und Zugabe des .Wärmeüberträgers zu Verdampfern, Wärmeenergie an ein Heizungssystem ab. Der Wirkungsgrad liegt bei 120—150%, bezogen auf den Primär-

brennstoff. Zusätzlich erhält man eine einfache Niedertemperaturspeicherungsmöglichkeit durch Abbruch des Zyklus nach Aktivierung, Kondensation und Speicherung des Wärmeüberträgers in einem Tank. Weiter ergibt sich ein kontinuierlicher Betrieb der Anordnung.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. System zur Heizung mit einer chemischen Wärmepumpe, bei dem im zyklischen Betrieb ein Wärmeübertragungsmittel durch Aktivierung eines von mehreren Festbettreaktoren freigesetzt, in einem Kondensator verflüssigt bei Unterdruck unter Aufnahme von Umgebungswärme in einem Verdampfer verdampft und anschließend im Festbettreaktor kondensiert wird, wobei das flüssige Wärmeübertragungsmitte! mittels der Schwerkraft in den Verdampfer einfließt und die zufließende Menge in Abhängigkeit vom Wärmebedarf über ein Ventil gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Flächen des Verdampfers (41) nur benetzt werden und das Wärmeübertragungsmittel einen dem Verdampfer (41) vorgeschalteten

ίο Vorverdampfer (51) durchströmt, der mit der Umgebung nicht wärmeleitend verbunden ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Festbettreaktor ein Verdampfer (41, 42) mit Vorverdampfer (51,52) sowie ein Tank (43,44) zugeordnet ist

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem Tank (43, 44) und dem Vorverdampfer (51,52) ein Ventil vorgesehen ist.