DE4019669C2

DE4019669C2 - Adsorptionsthermischer Speicher

Info

Publication number: DE4019669C2
Application number: DE4019669A
Authority: DE
Inventors: Yasuo Yonezawa; Toshiya Ohnishi; Shin Ichi Okumura; Akiyoshi Sakai; Hiroki Nakano; Masao Matsushita; Atsushi Morikawa; Motoshi Yoshihara
Original assignee: NISHIYODO AIR CONDITIONER
Current assignee: NISHIYODO AIR CONDITIONER
Priority date: 1989-09-04
Filing date: 1990-06-20
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2010-06-21
Also published as: GB2235975A; GB2235975B; JPH0391660A; DE4019669A1; FR2651565A1; US5005371A; FR2651565B1; AU608479B1; GB9011324D0; KR910006677A; KR930008821B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen adsorptionsthermischen Speicher und insbesondere einen thermischen Speicher, der geeignet ist, den Ausglelich des Verbrauchs elektrischer Leistung durch die Benutzung von elektrischer Nachtleistung voranzutreiben.

Der jüngste Anstieg des Bedarfes an elektrischer Leistung ist bemerkenswert, und es stellt insbesondere ein soziales Problem dar, daß der Bedarf an elektrischer Leistung sich tendenziell am Tag konzentriert.

Um diese Tendenz zu bewältigen und um den Verbrauch von elektrischer Leistung auszugleichen, haben sogenannte thermische Speichersysteme auf dem Gebiet der Klimaanlagen zur Raumerwärmung oder Raumkühlung Aufmerksamkeit erhalten, in denen ein Kühlaggregat während der Nacht läuft, wenn die Kapazität der elektrischen Leistung relativ hoch ist, wodurch thermische Energie gespeichert wird, und die thermische Energie in Form von Kälte (Wärme niedrigerer Temperatur) und Wärme (Wärme höherer Temperatur) während des Tages benutzt wird, wenn die Nachfrage nach elektrischer Leistung erhöht ist.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen werden die Begriffe "Kälte" und "Wärme" verwendet, um eine Wärme einer niedrigeren Temperatur und eine Wärme einer höheren Temperatur jeweils bezogen auf die Umgebungstemperatur zu bezeichnen.

Zum gegenwärtigen Zeitpunkt beinhalten bekannte thermische Energiespeichersysteme, zum Beispiel thermische Wasserspeichersysteme, wobei thermische Energie durch die spürbare Erhitzung von Wasser gespeichert wird, thermische Eisspeichersysteme, wobei thermische Energie durch die latente Hitze des Schmelzens von Eis gespeichert wird, ein thermisches Speichersystem, welches ein thermisches Speichermaterial verwendet, usw.

Jedes der thermischen Speichersysteme hat sowohl Vorteile als auch Nachteile, und folglich werden diese Systeme selektiv und passend zum beabsichtigten Zweck verwendet.

Eine Schwierigkeit mit dem thermischen Wasserspeichersystem besteht darin, daß eine große Menge Wasser zur thermischen Energiespeicherung benötigt wird, um die benötigte Kälte oder Hitze zu erhalten, und entsprechend ist ein beträchtlich großer thermischer Speichertank erforderlich, und als Ergebnis wird das gesamte System sehr groß.

Das thermische Eisspeichersystem benötigt keinen derartig großen Tank, aber es muß die Verdampfungstemperatur eines Kühlaggregates beträchtlich reduzieren, weil die thermische Energie in Form von Eis bei 0°C gespeichert wird. Aus diesem Grund ist die Verringerung der thermischen Speichereffizienz nicht vermeidbar. Außerdem ist das System nicht gleichermaßen als thermischer Speicher für Kälte und Wärme geeignet, weil die thermische Speichermenge für Wärme sehr klein verglichen mit der für Kälte ist, etwa 1/4 bis 1/5.

Bei dem System, welches ein thermisches Speichermaterial verwendet, ist das thermische Speichermaterial selbst ausgesprochen teuer und besitzt eine kurze Lebensdauer und verschiedene thermische Speichermaterialien müssen für Kälte und Wärme verwendet werden, wodurch das Röhrensystem kompliziert wird.

Ein adsorptionsthermischer Speicher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der EP 0 216 237 A2 bekannt. Bei diesem bekannten Speicher ist der Abschnitt, in dem ein Adsorbens erwärmt oder gekühlt wird, als getrennte Einheit zu dem Verdampfer/Kondensator ausgebildet und steht mit diesem über eine Rohrleitung in Verbindung.

Ein adsorptionsthermischer Speicher nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 7 ist ferner aus der DE-OS 26 22 699 bekannt. Bei diesem bekannten Speicher befindet sich der Abschnitt, der das Adsorbens erwärmt oder kühlt, sowie der Abschnitt, in dem das Kühlmittel kondensiert oder verdampft, in evakuierten, länglichen Wärmeübertragungsröhren, die sich in einem Behälter befinden. Hierbei ist der Behälter in der Mitte geteilt, wobei an den länglichen Wärmeübertragungsröhren mehrere Rippen vorgesehen sind.

Es ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), einen adsorptionsthermischen Speicher zu schaffen, der kompakte Gesamtmaße sowie einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 sowie durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 7.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung nach Anspruch 1 sind durch die Unteransprüche 2 bis 6 gekennzeichnet.

Die Wärmequelle zur Erwärmung des Adsorbens und die Kältequelle zur Kondensierung des Kühlmittels können jeweils Abwärme oder ein Warmwasserablauf oder ein Kühlturm sein, wodurch eine ökonomische Verwendung von Wärme und Kälte möglich ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1a und Fig. 1b sind schematische Ansichten eines Beispiels eines adsorptionsthermischen Energiespeichers gemäß der Erfindung und zeigt jeweils eine Seitenaufrißansicht in einem Querschnitt und eine Frontaufrißansicht in einem Teilquerschnitt; und

Fig. 1c und Fig. 1d sind schematische Ansichten einer Variante des thermischen Adsorptionsspeicherapparates aus Fig. 1a und 1b, und zeigen dessen Seitenaufrißansicht im Querschnitt und jeweils dessen Frontaufrißansicht im Teilquerschnitt;

Fig. 2a und Fig. 2b schematische Ansichten eines anderen Beispiels eines thermischen Adsorptionsspeichers gemäß der Erfindung und zeigen jeweils eine interne Aufsicht und eine interne Aufrißansicht im Teilquerschnitt;

Fig. 3 bis Fig. 7 Diagrammleitungsansichten eines thermischen Adsorptionsspeichersystems mit einem Speicher gemäß der Erfindung, die einen thermischen Speichermodus, einen Raumkühlungsmodus, einen leistungsfähigen Raumkühlungsmodus, einen Raumerwärmungsmodus und einen leistungsfähigen Raumerwärmungsmodus jeweils zeigen, wenn das System arbeitet;

Fig. 8 bis Fig. 10 Diagrammleitungsansichten eines anderen adsorptionsthermischen Speichersystems mit einem Speicher gemäß der Erfindung, die jeweils einen thermischen Speichermodus, einen Raumkühlungsmodus und einen Raumerwärmungsmodus zeigen, wenn das System arbeitet;

Fig. 11 bis Fig. 13 Diagrammleitungsansichten eines weiteren adsorptionsthermischen Speichersystems mit einem Speicher gemäß der Erfindung, die jeweils einen thermischen Speichermodus, einen Raumkühlungsmodus und Raumerwärmungsmodus zeigen, wenn das System arbeitet.

Beispiele des thermischen Adsorptionsspeichers dieser Erfindung werden im folgenden detailliert in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils Hauptelemente eines thermischen Adsorptionsspeicherapparates, der zu dieser Erfindung gehört.

Bezugnehmend auf die Fig. 1a und 1b wird der Apparat gebildet durch ein lateral verlängertes zylindrisches Gefäß 1, welches intern unter Vakuum gehalten wird und von einem Kühlmittel umschlossen ist. Der obere Bereich des Gefäßes bildet einen ein Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a, in dem eine Vielzahl von Wärmeübertragungsröhren 3 mit einer Vielzahl von Rippen 2, die axial parallel und orthogonal zu den Röhren angeordnet sind, vertikal in Zeilen mit gegebenen Zwischenräumen angeordnet ist, um die Wärmeübertragungsoberflächen zu bilden, und ein Adsorbensmaterial 4 ist zwischen jeweils durch die Rippen 2 gebildeten Speichern eingebracht und gehalten. Jeder Speicher, der das Adsorbensmaterial 4 aufnimmt, ist mit einem Netz zum Stützen und Zurückhalten des Adsorbens umgeben (gezeigt durch unterbrochene Linien).

Auf der anderen Seite bildet der untere Teil des Vakuumgefäßes 1 einen ein Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b, welcher Kühlmittel haltende Oberflächen 5 aufweist, in der Form von axial verlängerten Schalen und einer Vielzahl von in den Schalen angeordneten Wärmeübertragungsröhren 6, wobei die Röhren Rippen haben können oder nicht. Der das Adsorbens erwärmende oder kühlende Abschnitt a und der das Kühlmittel kondensierende oder verdampfende Abschnitt b sind in Verbindung miteinander angeordnet, um dadurch dem Kühlmittel zu erlauben, durch beide Abschnitte a und b hindurch zu fließen. Beide Abschnitte a und b sind in dem Gefäß 1 ohne eine Abtrennung oder Teilungseinrichtung ausgebildet (Fig. 1a und 1b), oder können durch eine Trennungs- oder Teilungswand S (Fig. 1c, 1d) getrennt werden. In letzterem Fall können beide Abschnitte a und b miteinander über eine außerhalb des Gefäßes 1 angeordnete Röhre in Verbindung treten, die mit einer Ein-Aus-Röhre V_A ausgerüstet ist, um das Kühlmittelgas dadurch hindurchzuführen (Fig. 1d).

In einem Beispiel wie in den Fig. 1a und 1b gezeigt, sind die Wärmeübertragungsröhren 3 in dem das Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a und die Wärmeübertragungsröhren 6 in dem das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b jeweils miteinander verbunden, zum Beispiel an Wasserkammern an beiden Seiten des zylindrischen Gefäßes 1. Die Wärmeübertragungsröhren 3 sind an einen Einlaß 7 und einen Auslaß 8 angeschlossen, welche außerhalb des Gefäßes 1 angeordnet sind und beide für ein Wärmeübertragungsmedium an der Wärmequellenseite und der Verwendungsseite sind. Ähnlich sind die Wärmeübertragungsröhren 6 durch die Wasserkammern an einen Einlaß 9 und einen Auslaß 10 angeschlossen, die außerhalb des Gefäßes angeordnet sind, und beide für ein Wärmeübertragungsmedium auf der Kältequellenseite und der Verwendungsseite sind.

Fig. 1c und 1d zeigen ein Beispiel einer Variante des vorgenannten in den Fig. 1a und 1b gezeigten Beispiels.

In dem im unteren Teil angeordneten das Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a sind die Wärmeübertragungsröhren 3 an eine Öffnung 7′ für den Einlauf und Auslauf eines Wärmeübertragungsmediums angeschlossen. Auf der anderen Seite werden in dem das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b, angeordnet im unteren Teil, zum Zweck der Kondensation und Verdampfung verschiedene Wärmeübertragungsröhren benutzt, nämlich Wärmeübertragungsröhren 6′ ausschließlich zur Kondensation und Wärmeübertragungsröhren 6′′ ausschließlich zur Verdampfung, welche in der Schale 5 angeordnet sind.

Die Wärmeübertragungsröhren 6′ zur Kondensation sind extern an eine Öffnung 9′ für den Einlaß und Auslaß eines Wärmeübertragungsmediums zur Kondensation angeschlossen, und die Wärmeübertragungsröhren 6′′ zur Verdampfung sind extern an eine Öffnung 9′′ zum Einlaß und Auslaß eines Wärmeübertragungsmediums zur Verdampfung angeschlossen.

Sowohl der das Adsorbens erwärmende oder kühlende Abschnitt a und der das Kühlmittel kondensierende oder verdampfende Abschnitt b sind normalerweise bei geöffneter Röhre V_A miteinander in Verbindung, außer daß die Verwendung von Kälte und/oder Wärme bei geschlossener Röhre V_A gestoppt wird. Durch die Verwendung der Röhre V_A ist es möglich, überschüssige thermische Energie zu speichern, wodurch eine verschwenderische Verwendung vermieden wird.

Der in Fig. 2 gezeigte thermische Speicherapparat besitzt dasselbe Prinzip wie der aus Fig. 1, aber ist mit einer Vielzahl von integral ausgebildeten vertikal verlängerten Vakuumröhren 11 aufgebaut, wobei jede den das Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a und den das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b hat, anstelle der getrennten Wärmeübertragungsröhren 3 und 6. Die Wärmeübertragungsröhren 11 sind in einem Behälter 1a an der oberen Abschnittseite und in einem Behälter 1b in der unteren Abschnittseite untergebracht.

Jede Vakuumröhre oder evakuierte Röhre 11 ist an ihrer Innenwand mit einer Vielzahl von Rippen 12 aufwärts und abwärts versehen und ist an ihrer oberen Hälfte mit einem Adsorbensmaterial 4 zwischen den oberen Rippen 12 gefüllt und weist an ihrer unteren Hälfte Kühlmittel haltende Oberflächen mit den unteren Rippen 12 auf.

Die oberen Rippen 12 und die obere Wand der Vakuumröhre 11 bilden so Wärmeübertragungsröhren zur Erhitzung und Kühlung des Adsorbens durch diese hindurch, wohingegen die unteren Rippen 12 und die untere Wand der Vakuumröhre 11 Wärmeübertragungsoberflächen zum Kondensieren oder Verdampfen des Kühlmittels durch diese hindurch bilden.

Ähnlich wie in den Fig. 1a und 1b ist der obere Behälter 1a an den Einlaß 7 angeschlossen, damit die Wärmequelle usw. durch die Wärmeübertragungsoberflächen das Adsorbens 4 erwärmt oder kühlt während der thermischen Speicherperiode oder Verwendungsperiode, wohingegen der untere Behälter 1b an den Einlaß 9 und den Auslaß 10 angeschlossen ist, damit die Kältequelle usw. während der thermischen Speicherperiode oder Verwendungsperiode die Kondensation oder Verdampfung des Kühlmittels in den evakuierten Röhren 11 durch deren Wärmeübertragungsoberflächen bewirken kann.

In dem oben beschriebenen Aufbau des adsorptionsthermischen Speicherapparates enthält das Adsorbensmaterial, welches üblicherweise benutzt wird, zum Beispiel Silikongel, Aktivkohle, aktives Aluminiumoxid, Zeolith, usw., in Granulatform oder bearbeiteter Form, und das Kühlmittel, welches benutzt werden kann, enthält zum Beispiel Wasser, Freon, Alkohol, usw.

Der vorhergehende Apparat ist desweiteren so aufgebaut, daß thermische Energie gespeichert werden kann, indem das Adsorbens 4 mit der ersten Wärmeübertragungseinrichtung erhitzt wird, welche an eine Wärmequelle angeschlossen ist, um das Kühlmittel in einem gasförmigen Zustand abzugeben und es gleichzeitig mit der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung, die an eine Kältequelle angeschlossen ist, in einen flüssigen Zustand zu kondensieren, wohingegen Kälte durch die latente Verdampfungswärme der Kühlmittelflüssigkeit und Wärme durch die Adsorptionswärme erzeugt wird, wenn das gasförmige Kühlmittel in einen flüssigen Zustand adsorbiert wird, und die Kälte und Wärme können einzeln oder gleichzeitig verwendet werden.

Fig. 3 bis Fig. 13 zeigen Beispiele von thermischen Adsorptionsspeichersystemen, die jeweils den thermischen Adsorptionsspeicherapparat A wie oben beschrieben sowie verschiedene Arbeitsmodi von diesem verwenden, zum Beispiel eine ökonomische und effiziente Arbeitsweise durch Verwendung eines Kompressionskühlaggregats einschließen, welches elektrische Nachtleistung verwendet.

Gemäß den jeweiligen Beispielen weist jedes thermische Adsorptionsspeichersystem den thermischen Adsorptionsspeicherapparat A wie in Fig. 1 oder 2 dargestellt auf, der zu dieser Erfindung gehört; einen energiezufuhrseitigen Apparat 20, der eine Wärmequelle 22 zum Erwärmen des Adsorbens und eine Kältequelle 23 zum Kondensieren des Kühlmittels einschließt; und einen verwendungsseitigen Apparat, der eine exotherme Wärmequelle 24, eine Verwendungseinrichtung 25 und eine endotherme Wärmequelle 28 enthält, die alle über Röhrenleitungen verbunden sind.

Nun wird jedes Beispiel beschrieben.

In einem in Fig. 3 bis Fig. 7 gezeigten Beispiel weist das thermische Adsorptionsspeichersystem den thermischen Adsorptionsspeicherapparat A, ein Kompressionskühlaggregat 20 einer bekannten Konstruktion mit einem Kompressor 21, einem Kondensator 22 und einem Verdampfer 23; und einen Kühlturm 24, eine Klimaanlage 25 und eine Luftkühlerschlange 28 auf. Dieses System ist für eine Klimaanlagenarbeitsweise zur Raumkühlung oder Raumerwärmung oder Heißwasser- oder Kaltwasserzufuhrarbeitsweise verwendbar.

Fig. 3 zeigt einen thermischen Speichermodus, wenn das adsorptionsthermische Speichersystem arbeitet, wobei der Kondensator 22 des Kompressionskühlaggregats 20 dazu dient, das Adsorbens zum Zwecke des Desorbierens des Kühlmittels in gasförmigen Zustand zu erwärmen, gleichzeitig damit kühlt der Verdampfer 23 das Kühlmittelgas, um es in einen flüssigen Zustand zu kondensieren. Thermische Energiespeicherung wird so durch Wärme vom Kondensator und Kälte vom Verdampfer 23, wie in fetten Linien gezeigt, durchgeführt. Zur gleichen Zeit wird die erste Wärmeübertragungseinrichtung in dem Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a des thermischen Adsorptionsspeicherapparates A in Verbindung mit dem Kondensator 22 über eine Ein-Aus-Röhre V gebracht, wohingegen die zweite Wärmeübertragungseinrichtung in dem Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b in Verbindung mit dem Verdampfer 23 über eine Ein-Aus-Röhre V′ gebracht wird.

Üblicherweise wird diese thermische Speicherarbeitsweise während der Nachtzeit ausgeführt, indem elektrische Nachtleistung verwendet wird, und entsprechend werden Kälte und Wärme während der Tageszeit erzeugt und benutzt. Dieses Arbeitsweisen-Ausführungsbeispiel erlaubt es, die Verwendung von elektrischer Leistung auszugleichen.

Der das Adsorbens erwärmende oder kühlende Abschnitt a des thermischen Adsorptionsspeicherapparates A ist mit dem Kühlturm 24 über Auswahlröhren, wie beispielsweise Drei-Wege-Röhren V₁, V₂ verbunden, die in die Röhrenleitung 26 auf der Seite der Wärmefreigabe eingefügt sind, wohingegen der das Kühlmittel kondensierende oder verdampfende Abschnitt b an die Klimaanlage 25 über Umschaltröhren, wie beispielsweise die Drei-Wege-Röhren V₃, V₄ angeschlossen ist, die in der wärmeabsorbierenden Röhrenleitung 27 eingefügt sind. Die einander entgegengesetzten Drei-Wege-Röhren V₁, V₃ und V₂, V₄ sind jeweils aneinander angeschlossen.

Pumpen P sind in der Röhrenleitung 26 in der wärmefreigebenden Seite und in der Röhrenleitung 27 auf der wärmeabsorbierenden Seite vorgesehen. Die Ein-Aus-Röhren V und V′ sind jeweils in der Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Röhrenleitung gemeinsam für die wärmeabgabeseitige Röhrenleitung 26 und in der Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Röhrenleitung gemeinsam für die wärmeabsorptionsseitigen Röhrenleitungen 27 vorgesehen.

In der wärmeabsorptionsseitigen Röhrenleitung 27 wird die endotherme Wärmequelle 28 wie beispielsweise heißes Abflußwasser so eingesetzt, daß es in Verbindung mit dem Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b ist.

Fig. 4 zeigt einen raumkühlenden Arbeitsmodus, und spezieller einen Tageskühlarbeitsmodus, wobei das Kompressionskühlaggregat 20 gestoppt wird und thermische Energie, die durch die thermische Speicheroperation gespeichert ist, gezeigt in den fetten Linien in Fig. 3, benutzt wird.

Die Verbindungsweise der Röhrenleitungen beim Betrieb ist in fetten Linien gezeigt.

Die Ein-Aus-Röhren V, V′ sind geschlossen, die Drei-Wege-Röhren V₁, V₂ sind so eingestellt, daß die wärmefreigabeseitige Röhrenleitung 26 in Verbindung mit dem Kühlturm 24 als eine exotherme Wärmequelle gebracht wird, und die Drei-Wege-Röhren V₃, V₄ sind eingestellt, um die wärmeabsorptionsseitige Röhrenleitung 27 in Verbindung mit der Klimaanlage 25 zu bringen.

Zu dieser Zeit tritt Adsorption in dem Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a des thermischen Adsorptionsspeicherapparates A auf und Adsorptionswärme, die von dem Adsorbensmaterial 4 abgegeben wird, wird über den Kühlturm 24 freigegeben. Gleichzeitig wird Kälte in dem Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b durch die latente Verdampfungswärme des Kühlmittels erzeugt und der Klimaanlage 25 zugeführt, welche zur Raumkühlung arbeitet.

Während dieser Verwendungsperiode ist es ebenfalls möglich, gleichzeitig das Kompressionskühlaggregat 20 wie in dem Fall des thermischen Speicherarbeitsmodus zu treiben. Dieser Hochleistungs-Raumkühlungs-Arbeitsmodus ist in Fig. 5 gezeigt. Weil in diesem Fall das Kompressionskühlaggregat 20 als übliches Kühlaggregat wirkt, werden sowohl die von der Kältequelle des Kühlaggregates 20 zugeführte Kälte und die von der gespeicherten thermischen Energie erzeugte Kälte der Klimaanlage 25 zugeführt, so daß eine effizientere Raumkühlungsarbeitsweise ermöglicht wird.

Auf der anderen Seite kann die durch die thermische Energie, die während des thermischen Speicherbetriebs gespeichert wurde, erzeugte Wärme für den Raumerwärmungsbetrieb verwendet werden.

Fig. 6 zeigt einen solchen Raumerwärmungsbetriebsmodus. Die Ein-Aus-Röhren V, V′ sind geschlossen und die Drei-Wege-Röhren V₁, V₂ werden so eingestellt, um die wärmefreigabeseitigen Röhrenleitungen 26 in Verbindung mit der Klimaanlage 25 zu bringen, und die Drei-Wege-Röhren V₃, V₄ werden eingestellt, um die wärmeabsorptionsseitigen Röhrenleitungen 27 in Verbindung mit der endothermen Wärmequelle 28 zu bringen. Wärme wird durch eine Adsorptionsaktion des Adsorbens 4 im Bereich a des adsorptionsthermischen Speicherapparates A erzeugt und der Klimaanlage 25 zugeführt, wohingegen ein bestimmter Betrag der Wärme von der endothermen Wärmequelle 28 zu den Wärmeübertragungsröhren des Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitts b übertragen wird, um dadurch einen Temperaturabfall der Wärmeübertragungsoberflächen gemäß der latenten Verdampfungswärme des Kühlmittels zu vermeiden.

Als endotherme Wärmequelle kann im allgemeinen eine Luftkühlschlange verwendet werden, aber wenn die Umgebungstemperatur zum Beispiel im Winter sinkt, ist es besser, die Luftkühlerschlange durch heißes Abflußwasser oder ähnliches zu ersetzen.

Es ist ähnlich möglich, das Kompressionskühlaggregat 20 gleichzeitig mit dem raumerwärmenden Betrieb wie oben beschrieben zu betreiben, wodurch ein effizienterer Raumerwärmungsbetrieb ermöglicht wird. Dieser Hochleistungsbetriebsmodus ist in Fig. 7 gezeigt. Das Kompressionskühlaggregat 20 dient zur Zufuhr von Wärme zur Klimaanlage 25, wie zum Beispiel ein übliches Kühlaggregat, und leistet folglich einen guten erwärmenden Effekt zusammen mit der durch die gespeicherte thermische Energie erzeugten Wärme.

Das vorhergehende Beispiel ist in verschiedenen Modi der Fig. 3 bis Fig. 7 gezeigt, wobei Kälte oder Wärme einzeln benutzt werden, aber es ist nicht auf diese Betriebsarten begrenzt und weitere Betriebsarten sind ebenfalls möglich. Zum Beispiel kann das System eine Heißwasserzufuhreinrichtung 24 anstelle des Kühlturms 24 aufweisen oder es kann eine Kaltwasserzufuhreinrichtung 28 anstelle der Luftkühlerschlange 28 aufweisen, wobei eine Kombination von Heißwasserzufuhr und Klimaanlage zur Raumerwärmung oder eine andere Kombination einer Kaltwasserzufuhr und einer Klimaanlage zur Raumerwärmung erhalten werden kann. Solche Betriebsarten der Verwendung von sowohl Kälte als auch Wärme sind insbesondere geeignet in einem Hochleistungsbetrieb, in dem das Kompressionskühlaggregat ebenfalls in der Verwendungsperiode (zum Beispiel am Tag) betrieben wird, wie im Fall der Fig. 5 und der Fig. 7.

Ein anderes Beispiel eines adsorptionsthermischen Speichersystems ist in Fig. 8 bis Fig. 10 gezeigt, wobei es möglich ist, den Kondensator 22 des Kompressionskühlaggregats 20 in den Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a innerhalb des evakuierten Gefäßes 10 einzubauen, und den Verdampfer 23 in dem Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b einzubauen. Der Kondensator 22 und der Verdampfer 23 weisen daher jeweils Wärmeübertragungsoberflächen für den Abschnitt a und den Abschnitt b auf.

Wenn das Kompressionskühlaggregat 20 wie in Fig. 8 gezeigt betrieben wird, wird die in dem Kondensator 22 erzeugte Wärme und die in dem Verdampfer 23 erzeugte Kälte direkt auf jeweils die Wärmeübertragungsoberflächen in dem Absorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a des Apparates A um die Desorptions- oder Kondensationswirkung zu bewirken, wodurch thermische Energiespeicherung ähnlich durchgeführt wird. Kein Kurzschließen der Röhrenleitungen der Einlaß- und Auslaßwege der wärmeabgabeseitigen Röhrenleitung 26 und der wärmeabsorptionsseitigen Röhrenleitung 27 sind entsprechend notwendig.

Der Betrieb der Klimaanlage zur Raumkühlung gezeigt in Fig. 9 und der Betrieb der Klimaanlage zur Raumerwärmung in Fig. 10 gezeigt sind nur möglich, indem die Drei-Wege-Röhren V₁, V₂, V₃, V₄ in einer ähnlichen Weise zur obigen Einstellung eingestellt werden. Es ist ähnlich möglich, heißes Abflußwasser als die endotherme Wärmequelle 28 zu verwenden, wodurch die Raumerwärmungskapazität vergrößert wird.

Mit dieser Konstruktion kann das System als solches weiter verkleinert werden, als im Fall des vorhergehenden Beispiels.

Wie oben beschrieben, erlauben die oben genannten Ausführungsformen, in welchen das Kompressionskühlaggregat 20 mit dem thermischen Adsorptionsspeicherapparat A kombiniert wird, die Verwendung von ökonomischer elektrischer Nachtleistung, um einen thermischen Speicherbetrieb durchzuführen, welcher zum Ausgleich des elektrischen Leistungsverbrauchs beiträgt.

Es sollte natürlich so verstanden werden, daß die exotherme Wärmequelle 24, die endotherme Wärmequelle 28 und die Verwendungseinrichtung 25 nicht notwendigerweise auf den Kühlturm, die Luftkühlerschlange und Klimaanlage in den obigen Beispielen begrenzt sind.

Es wurden Messungen über die in dem in Fig. 3 gezeigten thermischen Adsorptionsspeichersystem gespeicherte Wärmemenge durchgeführt, und sie lieferten das Ergebnis, daß die Kälte 120 kcal/kg und die Wärme 152 kcal/kg bei 1 kg Adsorbensmaterial betrug.

Diese Daten sind nur zur Verdeutlichung, aber bei Betrachtung der Tatsache, daß nur 80 kcal/kg bekannterweise mit Eis gespeichert werden können, wird es gewürdigt werden, daß das thermische Speichersystem gemäß dieser Erfindung relativ überlegen ist.

Es ist desweiteren ebenfalls möglich, heißes Abflußwasser 20′ als eine Wärmequelle zur Erwärmung des Adsorbens und als eine Kältequelle zum Kondensieren des Kühlmittels anstelle des Kompressionskühlaggregates 20 in den obigen Beispielen zu verwenden.

Die Fig. 11 bis 13 sind jeweils ein Rohrleitungsdiagramm, und zeigen ein solches Beispiel, wobei die notwendigen Elemente ähnlich zum obigen sind, außer den Elementen 20 und 28 in den vorhergehenden Zeichnungen.

Gemäß einem thermischen Speicherbetrieb, gezeigt in Fig. 11, wird das Adsorbens 4 in dem Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a durch das heiße Abflußwasser 20′ erwärmt, das über eine Drei-Wege-Röhre V₆ über die wärmefreigabeseitige Röhrenleitung 26 zugeführt wird, gleichzeitig damit wird der Kühlmittel kondensierende oder verdampfende Abschnitt b in Verbindung mit der exothermen Wärmequelle 24 über die Drei-Wege-Röhren V₁, V₂, V₃, V₄ gebracht, und das Kühlmittel wird durch ein Wärmeübertragungsmedium gekühlt, das durch die exotherme Wärmequelle 24 kreist. Als Ergebnis tritt die Desorption in dem Bereich a auf und das desorbierte Kühlmittelgas wird nach Kühlen im Abschnitt b kondensiert, wobei thermische Energie gespeichert wird.

Der raumerwärmende Betriebsmodus ist in Fig. 12 gezeigt, wobei die Zufuhr von heißem Abwasser gestoppt wird und die Einstellung der Drei-Wege-Röhren V₁, V₂, V₃, V₄ bringt den Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a (die Wärmeübertragungsröhren) in Verbindung mit dem Kühlturm 24 und den Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b (die Wärmeübertragungsröhren) in Verbindung mit der Klimaanlage 25. Wenn der Adsorbens erwärmende oder kühlende Abschnitt a Kälte vom Kühlturm 24 erhält, tritt die Adsorptionsreaktion auf und gleichzeitig wird das Kühlmittel im Abschnitt b verdampft, um latente Verdampfungswärme zu erzeugen. Die Kälte wird so der Klimaanlage 25 zur Raumkühlung zugeführt. Falls die Verwendungseinrichtung 25 hier eine Kaltwasserzufuhreinrichtung ist, kann das System betrieben werden, um kaltes Wasser zu liefern.

Der Raumerwärmungsbetrieb oder Heißwasserzufuhrbetrieb ist in Fig. 13 gezeigt, worin die Wärmeübertragungsröhren in dem Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt b in Verbindung mit dem heißen Wasser 20′ über eine Drei-Wege-Röhre V₅ gebracht werden und die Wärmeübertragungsröhren in dem Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt a in Verbindung mit einer Klimaanlage oder einer Heißwasserzufuhreinrichtung 25 durch Schalten der Drei-Wege-Röhren V₁, V₂, V₃, V₄ gebracht werden. Die Kühlmittelflüssigkeit in dem Abschnitt b wird durch das heiße Abwasser 20′ (Wärmequelle) verdampft und an dem desorbierten Adsorbens 4 adsorbiert, um Adsorptionswärme zu erzeugen, wodurch Wärme für die Klimaanlage zur Raumerhitzung oder die Heißwasserzufuhreinrichtung 25 erhältlich ist.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen davon beschrieben wurde, wird es für einen Fachmann offensichtlich sein, daß verschiedene Veränderungen des thermischen Adsorptionsspeicherapparates, die zu dieser Erfindung gehören, gemacht werden können, ohne den Bereich der angefügten Ansprüche zu verlassen.

Claims

1. Adsorptionsthermischer Speicher gebildet aus einem evakuierten Gefäß (1) mit

- einem Kühlmittel;
- einem Abschnitt (a), in dem ein Adsorbens (4) erwärmt oder gekühlt wird, der mehrere Wärmeübertragungsröhren (3) enthält, die mit einer Wärmequelle zum Erwärmen des Adsorbens, einem Wärmeverbraucher zum Kühlen des Adsorbens und mit einer Nutzeinrichtung verbindbar sind;
- einem Abschnitt (b), in dem das Kühlmittel kondensiert oder verdampft wird, der Wärmeübertragungseinrichtungen (6) enthält, die mit einer Kältequelle zum Kondensieren des Kühlmittels, mit einem Kälteverbraucher zum Verdampfen des Kühlmittels und mit der Nutzeinrichtung verbindbar sind,
- wobei der das Adsorbens erwärmende oder kühlende Abschnitt (a) mit dem Abschnitt (b), in dem das Kühlmittel erwärmt oder verdampft wird, in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Wärmeübertragungsröhren (3) mit mehreren Rippen (2) versehen sind, die das Adsorbens (4) aufnehmen; und daß
- die Wärmeübertragungseinrichtungen (6) des das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnittes (b) Wärmeübertragungsröhren (6, 6′) umfassen, die das Kühlmittel an sich kondensieren, sowie eine Aufnahmeeinrichtung (5) zum Aufnehmen des kondensierten, flüssigen Kühlmittels, wobei die Wärmeübertragungsröhren (6, 6′) auf oder über der Aufnahmeeinrichtung (5) angeordnet sind.

2. Adsorptionsthermischer Speicherapparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abschnitte (a) und (b) in dem Gefäß (1) ohne Abtrennung oder Teilungseinrichtung (S) ausgebildet sind.

3. Adsorptionsthermischer Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2) sich außen an den Wärmeübertragungsröhren (3) befinden.

4. Adsorptionsthermischer Speicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (2) mit einem Netz umgeben sind, die das Adsorbens (4) halten.

5. Adsorptionsthermischer Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtung eine oder mehrere Schalen (5) sind.

6. Adsorptionsthermischer Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungseinrichtungen des das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitts (b) getrennte Wärmeübertragungsröhren für die Kondensation (6′) und für die Verdampfung (6″) aufweisen.

7. Adsorptionsthermischer Speicher, umfassend evakuierte, längliche Wärmeübertragungsröhren (11), die sich in einem oberen Behälter (1a) und einem unteren Behälter (1b) befinden; wobei

- jede Wärmeübertragungsröhre in ihrer oberen Hälfte in dem oberen Behälter (1a) ein Kühlmittel und einen das Adsorbens erwärmenden oder kühlenden Abschnitt (a) enthält sowie in ihrer unteren Hälfte in dem unteren Behälter (1b) einen das Kühlmittel kondensierenden oder verdampfenden Abschnitt (b);
- der obere Behälter (1a) mit einer Wärmequelle zum Erwärmen des Adsorbens, einem Wärmeverbraucher zum Kühlen des Adsorbens und einer Nutzeinrichtung verbindbar ist;
- der untere Behälter (1b) mit einer Kältequelle zum Kondensieren des Kühlmittels, einem Kälteverbraucher zum Verdampfen des Kühlmittels und der Nutzeinrichtung verbindbar ist, und
- innen an der Wärmeübertragungsröhre mehrere Rippen (12) vorgesehen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
- das Adsorbens im Abschnitt a von oberen Rippen aufgenommen ist; und
- der Abschnitt b innen an der Wärmeübertragungsröhre mehrere untere Rippen (12) aufweist, an denen das Kühlmittel kondensiert, und die das kondensierte Kühlmittel aufnehmen; und daß
- der Abschnitt a und der Abschnitt b in direkter Verbindung miteinander stehen.