DE4302281A1 - Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie. Diese Vorrichtung kann wahlweise mit einer Wärmequelle niedriger Temperatur, wie warmem Wasser aus Solarkollektoren oder Industrieabwärme und/oder direkter Sonneneinstrahlung und/oder Wärmequellen hoher Temperatur wie Dampf, Elektroenergie betrieben werden.

Es ist allgemein bekannt, daß bestimmte mikroporöse Festkörper wie Zeolithe, Aktivkohle u. a., Stoffe unter Abgabe von Wärme­ energie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärmeenergie desorbie­ ren können, wodurch die Möglichkeit der Energiespeicherung über größere Zeiträume gegeben ist. Ähnliche Prozesse laufen auch bei der Absorption und der Chemisorption sowie physikalischen Zu­ standsänderungen (z. B. Eis-Wasser-Dampf) ab. Zur Verringerung der unerwünschten Wärmeabgabe während des Desorptionsprozesses, d. h. der Wärmeaufnahme, sind die bekannten Wärmeenergie-Aufneh­ mer und -speicher möglichst optimal wärmeisoliert aufgebaut, wo­ bei das Einbringen in Vakuum besonders effizient ist.

Problematisch ist jedoch der Adsorptions- (bzw. Absorptions- oder Chemisorptions-)vorgang, wenn die entstehende Wärmemenge entweder nicht benötigt (Kältetechnik) oder nicht im entstehen­ den Umfang benötigt (Sommer) wird.

Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Reihe von Veröffentlichungen zur Speicherung von Sonnenenergie unter Ver­ wendung von Zeolithen und anderen mikroporösen Festkörpern (vgl. DE-OS-27 20 561 oder DE-OS-35 12 805). In einigen Firmenschriften (vgl. Dornier-Prinz Solartechnik "Sonnenenergie optimal nutzen mit dem Vakuum-Röhren-Kollektor LUX 2000", Klöckner Wärmetechnik "Klöckner Solar-Heizsystem Astron" oder THERMOSOLAR Energie­ technik "Vakuum-Flachkollektor HVL") werden die Eigenschaften ausführlich dargestellt. Darüber hinaus liegt umfangreiche wis­ senschaftliche Literatur vor, wie z. B. Passos u. a.: "Simulation of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar Ener­ gy, 42(2), 103 (1989) oder Kose: "Solaranlage, Beispiel mit Schichtenladung", Sonnenenergie, 17(2), 44 (1992). Allen Syste­ men gemeinsam liegt das Bemühen um eine möglichst optimierte Wärmeaufnahme durch Vermeidung von Wärmeleitungs- und Strah­ lungsverlusten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen, die alternierend eine Adsorptions- und Desorptionsphase eines fluiden Mediums an einem Speichermedium ermöglicht und eine weitestgehend effektive Wärmeenergieabgabe anstrebt.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie aus einem vakuumdichten Gefäß 3 mit Ein- und Auslaßventilen 8; 9; 10; 14 und mit einer Kühlvorrichtung 13 an der Gefäßwand, in dem ein vakuumdichter Behälter 1 angeordnet ist, der eine oder mehrere Flächen 4; 12 zur Wärmeaufnahme und/ oder Wärmeabgabe besitzt und seinerseits ein Medium 2 zur Wärme­ speicherung enthält.

Als Medium zur Wärmespeicherung werden vorzugsweise mikroporöse Festkörper, insbesondere Zeolithe, eingesetzt, wobei jedoch auch andere bekannte, geeignete Medien verwendet werden können.

Zur Steuerung der Vorrichtung kann eine photovoltaische Zelle 7 verwendet werden, die beispielsweise, wenn sie aus Material mit hoher thermischer Belastbarkeit wie Galliumarsenid gefertigt ist, als Bestandteil der Fläche 4 des Behälters 1 ausgebildet werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Nutzung von Sonnenenergie vorgesehen. Zu diesem Zweck weist das vakuum­ dichte Gefäß 3 ein Fenster 5 auf, durch das das Sonnenlicht hindurchtreten kann und dem Behälter 1 auf diese Weise die Energieaufnahme ermöglicht wird. Dieses Fenster 5 kann wellen­ längen-selektiv beschichtet sein.

Wie bereits erwähnt, erfolgen Wärmeaufnahme und -abgabe alter­ nierend durch eine Adsorptions- und Desorptionsphase eines flui­ den Mediums an einem Speichermedium, vorzugsweise einem mikropo­ rösen Festkörper. In der Desorptionsphase wird der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung Wärmeenergie, z. B. in Form von Sonnenenergie, zugeführt. Das umgebende Vakuum verhindert dabei im Zusammenhang mit einer an sich bekannten Beschichtung reflektierender Ober­ flächen die Ableitung von Wärmeenergie an die Umgebung über das Gefäß 3. Die Erzeugung des Vakuums erfolgt dabei, zeitlich an die Desorptionsphase gekoppelt, mit Hilfe einer Vakuumpumpe 6 geringer Leistung, die ihre elektrische Energie z. B. aus der in das Gehäuse integrierten photovoltaischen Zelle 7 bezieht. Über Ventile 8; 9; 10; 14 und Vorrichtungen zur Wärmeableitung 12; 13 ist eine Veränderung des Vakuums möglich.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt weiterhin die folgende Funktionsweise zugrunde:

Während der Adsorptionsphase und demzufolge Unterbrechung der äußeren Energiezufuhr wird eine möglichst effektive Wärmeener­ gieabgabe angestrebt. Dazu schaltet sich die Vakuumpumpe 6 - beispielsweise zeitlich an diese Phase gekoppelt - ab, wobei entweder automatisch oder durch Ventile 8; 9; 10 (abhängig vom Wirkungsprinzip der Pumpe) ein geeignetes Gas aus einem Behälter 11 oder die Umgebungsluft in das Gefäß 3 eingelassen werden. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmeenergie­ ableitung in der Adsorptionsphase kann das genannte Gas eine er­ höhte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie beispielsweise Helium, und Energie über die am Behälter 1 angebrachten inneren Kühl­ rippen 12 aufnehmen. Dieses Gas kann komprimiert in einem ent­ sprechenden Behälter bis zu seiner Verwendung aufbewahrt werden. Luft kann auch durch eine entsprechende Vorrichtung bewegt wer­ den und dadurch ebenfalls eine größere Wärmemenge pro Zeit­ einheit an die mit der Kühlvorrichtung 13 versehenen Außenseiten des Gefäßes 3 abgeben.

Im Gefäß 3 kann die Luft vom Einlaßventil 8 entweder über das Absperrventil 9 infolge einer Schornsteinwirkung zum Auslaßven­ til 14 gelangen oder aber über die beispielsweise als Ventila­ tor genutzte Vakuumpumpe 6 und deren Ventil 10.

Zur beispielhaften Nutzung in Verbindung mit einem Kühlaggregat ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem bekannten System (vgl. DE-OS 35 12 805) über eine Leitung 15 verbunden. In einem Kondensator 16 kondensiert in der Desorptionsphase das ausge­ triebene dampfförmige fluide Medium und gelangt in den Verdamp­ fer 17, der einen geringeren Innendruck aufweist als die Vor­ richtung 1. Dies wird dadurch ermöglicht, daß das in der An­ fangsphase des Desorptionsprozesses ausgetriebene fluide Medium durch Sperrung des direkten Weges durch Ventil 19 zwischen Vor­ richtung 1 und Verdampfer 17 über den Kondensator 16 geführt wird, der über eine Leitung 20 mit dem Verdampfer 17 verbunden ist. In der auf die Desorptionsphase nach Abkühlung der absor­ bierenden oder adsorbierenden Medien 2 folgenden Adsorptions­ phase entsteht im Verdampfer ein Unterdruck, infolgedessen die Verdampfungswärme des fluiden Mediums dem Kühlbehälter 21 ent­ zogen wird. Dadurch wird durch Schließen des Ventils 18 das im Verdampfer 17 befindliche gasförmige Medium in das in der Vor­ richtung 1 befindliche absorbierende oder adsorbierende Medium 2 transportiert. Dieser Prozeß entzieht dem Kühlbehälter 21 die nutzbare Wärmemenge.

Bezugszeichenliste

 1 Behälter
 2 Medium
 3 Gefäß
 4 Fläche
 5 Fenster
 6 Vakuumpumpe
 7 photovoltaische Zelle
 8 Ventil
 9 Ventil
10 Ventil
11 Behälter
12 Kühlrippen-Fläche
13 Kühlvorrichtung
14 Ventil
15 Leitung
16 Kondensator
17 Verdampf er
18 Ventil
19 Ventil
20 Leitung
21 Kühlbehälter

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem vakuumdichten Gefäß (3) mit Ein- und Auslaßventilen (8; 9; 10; 14) und mit einer Kühlvor­ richtung (13) an der Gefäßwand besteht, in dem ein vakuumdichter Behälter (1) angeordnet ist, der eine oder mehrere Flächen (4; 12) zur Wärmeaufnahme und/oder Wärmeabgabe besitzt und seiner­ seits ein Medium (2) zur Wärmespeicherung enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (2) zur Wärmespeicherung aus mikroporösen Festkörpern, insbesondere einem oder mehreren Zeolithen, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gefäß (3) eine photovoltaische Zelle (7) zur Steue­ rung der Vorrichtung angeordnet ist, vorzugsweise ausgebildet als Bestandteil der Fläche (4) des Behälters (1).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vakuumdichte Gefäß (3) ein Fenster (5) für die Aufnahme von Sonnenenergie durch den Behälter (1) aufweist.