DE3006733A1

DE3006733A1 - Verfahren und einrichtung zum nutzbarmachen von waerme

Info

Publication number: DE3006733A1
Application number: DE19803006733
Authority: DE
Inventors: Georg Prof.Dr. 8000 München Alefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1980-02-22
Publication date: 1981-09-24
Also published as: DE3006733C2

Description

Verfahren und Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärme
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Die Verfahren und Einrichtungen gemäß der Erfindung sind insbesondere für die Nutzbarmachung von Wärme bestimmt, die bei relativ hoher Temperatur an einem Ort anfällt, wo sie nicht vollständig verwertet werden kann oder soll, z.B. der Abwärme, die von glühenden Knüppeln oder Barren in einem Stahl- oder Walzwerk oder von anderen heißen Körpern, wie gebrannten Ziegeln, Keramikkörper und dgl. abgestrahlt wird, von konzentrierter Sonnenwärme oder Abwärme einer Kraftmaschine, wie einer Turbine oder einem Kolbenmotor.
Aus der DE-AS 25 48 715 ist ein Verfahren zum Transportieren von Wärme, wie der Abwärme von Kraftwerken, bekannt, bei dem die Wärme am Entstehungsort durch Verdampfen oder Austreiben einer Komponente oder Substanz aus einem Wärmespeichermedium verwendet und die verdampfte Komponente am Entstehungsort verflüssigt wird. Als verflüchtigbare Substanz wird dabei Ammoniak (NH3) und als eigentliches Wärmespeichermedium Calziumchlorid (CaCl2) verwendet.
Aus der Veröffentlichung "Energy Technology", Nr. 4, 1979, STU Energy Information, Seiten 8 bis 10 ist eine diskontinuierlich arbeitende Ecizunasarlac!e bekannt, die mit dem Arbeitsmittelsystem H2O/Na2S arbeitet. Das Wasser wird aus dem Natriumsulfid durch Sonnenwärme ausyetrieben und die dadurch im System gespeicherte Wärme kann dann später oder an einem anderen Ort durch Vereinigung der beiden Komponenten wieder freigesetzt werden. Die Temperatur der dabei frei werdenden Wärme kann innerhalb gewisser Grenzen durch Wahl der Temperatur des Verdampfers bestimmt werden, der den mit dem Natriumsulfid vereinigten Wasserdampf liefert.
Aus der DE-OS 27 58 727 ist eine ähnliche Einrichtung bekannt, die ebenfalls mit dem System Wasser-Salz oder Alkalihydrbxid arbeitet.
Nachteilig an den oben erwähnten bekannten Einrichtungen ist, daß sie sich nicht zur Nutzbarmachung von Wärmeenergie eignen, die bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, wie bei Temperaturen über 90°, insbesondere bei Temperaturen über 200° oder noch höher wie über 5000 anfällt. Die meisten bekannten Arbeitsmittelsysteme sind bei diesen Temperaturen auch nicht mehr stabil. Außerdem läßt der Wirkungsgrad zu wünschen übrig.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein mit hohem Wirkungsgrad arbeitendes Verfahren zur Nutzbarmachung von Wärme, die bei verhältnismäßig hoher Temperatur anfällt, anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung fällt die aus dem Wärmespeichermedium ausgetriebene verf lüchtigbare Substanz mit so hohem Druck und/oder einer so hohen Temperatur an, daß ihr Wärmeinhalt nutzbar gemacht werden kann, z.B. zur Warmwasserbereitung, zur Raumheizung oder zur Erzeugung mechanischer Arbeit in einer Turbine oder dgl. Der Wärmeinhalt der ausgetriebenen verflüchtigbaren Substanz ist bei den bekannten Verfahren wegen der niedrigen Temperatur, bei denen diese Wärme anfällt, nicht nutzbar zu machen, diese Wärme wurde vielmehr durch Kühlschlangen an die Umgebung abgeführt.
Das durch Austreiben der verflüchtigbaren Substanz energetisch aufgeladene" Wärmespeichermedium kann in bekannter Weise an einem anderen Ort oder zu einer anderen Zeit zur Gewinnung von Nutzwärme und/oder Nutzkälte wieder "entladen" werden.
Bei der Gewinnung von Wärme durch "energetisches Entladen" des Wärmespeichermediums kann die im gasförmigen Zustand benötigte verflüchtigbare Substanz durch minderwertige oder abführbare Wärme, wie Wärme aus der Umgebung oder einem zu kühlenden Medium, vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeführt werden.
Man gewinnt bei dem Verfahren gemäß der Erfindung also Wärme auf hohem Temperaturniveau aus Wärme, die auf niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung steht. Berücksichtigt man die beim Austreiben nutzbar gemachte Wärmemenge, so erhält man mehr Nutzwärme als zum Austreiben aufgewendet wurde. Dieser "Wärmepumpeneffekt" ist ein wesentlicher Vorteil des erfindungsq-emäßen Verfahrens.
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens gemäß der Erfindung und vorteilhafte Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Besonders vorteilhafte Wärmespeichermedia für die Verfahren und Einrichtungen gemäß der Erfindung sind Zeolithe. Zeolithe sind auch noch bei Temperaturen bis über 300°C stabil, außerdem ist dieses Material billig und umweltfreundlich.
Zeolithe sind bekanntlich Alkali- bzw. Erdalkaii-Alumosilikate der allgemeinen Formel Me2/Z Al203 . xSiO2 . yH2O, wobei Me ein ein- oder mehrwertiges Metall, H,[NH4] ,0CH3-NH3] usw., Z die Wertigkeit, x = 1,8 bis ca 12 und y = 0 bis ca 8 sein können. Eine charakteristische Eigenschaft der Zeolithe, die bei der vorliegenden Erfindung nutzbar gemacht wird, ist, daß sie ihr Wasser beim Erhitzen stetig und ohne Änderung der Kristallstruktur abgeben. Sie sollen möglichst viel Wasser rever sibel binden können und thermisch stabil sein. Natürlich Zeolithe haben den Vorteil der Billiqkeit, während künstlich Zeolithe reproduzierbarere Eigenschaften haben und gegebenenfalls für den jeweiligen Verwe!ndungszweck optimiert werden können.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung; Figur 2 eine Querschnittsansicht in einer Ebene II-II der Figur 1 und Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine verflüchtigbare Substanz, vorteilhafterweise Wasser, durch Zuführung von Wärmeenergie verhältnismäßig hoher Temperatur, die mindestens 90 OC, im allgemeinen mindestens 200 OC, vorteilhafterweise noch höher, z.B. über 500 OC liegen kann, aus einem kondensierten, insbesondere festen, Wärmespeichermedium endotherm ausyetrieben. Als Wärmespeichermedium wird vorteilhafterweise ein Zeolith verwendet. Das Austreiben erfolgt unter solchen Bedingungen, daß die wärmeenergie, die die ausgetriebene, verflüchtigte Substanz mit sich führt, nutzbar gemacht werden kann, z.B. zur Warmwasserbereitung, Raumheizung oder Erzeugung mechanischer Arbeit in einer Turbine oder dgl. Im Falle von Wasser als verfluchtigbarer Substanz wird der beim Austreiben entstehende Wasserdampf also zweckmäßigerweise eine Temperatur von mindestens etwa 100 "C und einen Druck von mindestens etwa 1 bar haben.
Figur 1 zeigt stark vereinigt eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens der oben beschriebenen Art, Bei diesem Verfahren wird die Wärme gewonnen, welche glühende Stahlknüppel oder -barren 12 abgeben, welche durch einen Rollenförderer in Pfeilrichtung transportiert werden. Ein Teil des Transportweges ist mit einer Kammer 14 umgeben, die an den Stirnseiten durch Klappenschleusen 16, 18 abgeschlossen ist und eine Wärmeisolierung 20 aufweist, die innen durch eine Metallblechauskleidung 22 abgedeckt ist. Im Inneren der Kammer 14 befindet sich oberhalb des Weges der Stahlknüppel 12 ein Wärmetauscher mit einem drehbar gelagerten Rohr 24, das ähnlich wie ein Drehofen ausgebildet ist. An die Enden des durch einen nicht dargestellten Antrieb drehbaren Rohres 24 sind eine Einlaßkammer 26 und eine Auslaßkammer 28 dicht angeschlossen, z.B.
über Labyrinthdichtungen. In die Einlaßkammer 26 und das bei dieser gelegene Ende des Rohres 24 führt eine ZufGhrungsleitung 30, durch die energetisch "entladenes" Wärmespeichermedium das mit der verflüchtigbaren Substanz vereinigt worden ist, von einem Vorratstrichter 32 in das links gelegene Einlaßende des Rohres 24 eingeführt wird. Die Zuführungsleitung kann einen Druckverschluß oder eine Schleuse (nicht dargestellt) enthalten die ein Rückströmen von ausgetriebener verflüchtigbarer Substanz in den Vorratstrichter 32 verhindert. Durch das Drehen oder Schwenken des Rohres 24 wird das Wärmespeichermedium, vorzugsweise Zeolith, in einer relativ dünnen Schicht auf die Innenfläche des Rohres 24 verteilt und in Richtung auf das etwas tiefer gelegene Auslaßende des Rohres in der Auslaßkammer 24 gefördert, es bewegt sich also im Gegenstrom zu den erhitzte Körpern. Dabei wird die verflüchtigbare Substanz, vorteilhafter weise Wasser, aus dem Wärmespeichermedium ausgetrieben und der entsprechende Dampf wird über eine Abströmleitung 36 einem Wärmetauscher 38 zur Warmwasserbereitung und/oder einer Turbine 40 zur Gewinnung mechanischer Arbeit zugeführt. Die verflüchtig bare Substanz kondensiert im Wärmetauscher 38 bzw. in einem der Turbine 40 nachgeschalteten Kondensator 42 und kann dann in einem Vorratsbehälter gesammelt oder im Falle von Wasser in einen Abwasserkanal geleitet werden.
Die gut wärmeleitende Metallverkleidung 22 im Inneren des Gehäuses 14 gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeübertragung auf das als Wärmetauscher dienende Rohr 24, An die Stelle des drehbaren Rohres 24 kann selbstverständlich auch ein anderer geeigneter Wärmeaustauscher mit einer anderen Transportvorrichtung verwendet werden, z.B. einem Metallförderband, einem Schwingförderer und dgl.
Das "aufgeladene" Wärmespeichermedium wird von der Auslaßkammer 28, gegebenenfalls über einen zwischengeschalteten Vorratstrichter 44, einem Transportbehälter, z.B. einem Eisenbahnwaggon 46, zugeführt. Der Transportbehälter ist vorteilhafterweise thermisch isoliert, um die im Wärmespeichermedium enthaltene spezifische Wärme zu erhalten und kann einen Wärmeaustauscher und Anschlüsse zum Zuführen von gasförmiger verflüchtigbarer Substanz enthalten, die dem Wärmespeichermedium zur Freisetzung der gespeicherten Wärme zugeführt werden muß.
Figur 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Vorrichtung zum energetischen Entladen des Wärmespeichermediums. Diese Einrichtung enthält ein Rohr 50, das um seine Achse schwenkbar gelagert und mit einer entsprechenden Antriebsvorrichtung versehen ist, die das Rohr um beispielsweise 900 hin- und herdreht. Die Achse des Rohres 50 ist bezüglich der Horizontale etwas geneigt, so daß das in Figur 3 links gelegene Eintrittsende etwas höher ist als das rechtsgelegene Austrittsende. Die Enden des Rohres 50 sind dicht mit einer Einlaßkammer 52 bzw. einer Auslaßkammer 54 verbunden. Auf der Außenseite des Rohres ist eine Rohrschlange 56 aufgelötet, die mit flexiblen Anschlüssen 58 versehen und durch diese in einen Wärmekreislauf (nicht dargestellt) geschaltet sowie von einer Wärmeisolation 59 umgeben ist.
Der Warmeträger fließt im Gegenstrom zum Wärmespeichermedium.
Die Einlaßkammer 52 ist über eine Rohrleitung 60 mit einem Verdampfer 62 verbunden, in dem die verflüchtigbare Substanz durch Zuführen von relativ minderwertiger oder abzuführender Wärme Q1 in den gasförmigen Zustand übergeführt wird. In die Einlaßkammer 52 und das Einlaßende des Rohres 50 ist ferner eine Zuführungsleitung 64 eingeführt, durch die energetisch aufgeladenes Wärmespeichermedium, z.B. aus dem Eisenbahnwaggon 46 (Figur 1) über einen Druckverschluß oder eine Schleuse (nic dargestellt) die die verflüchtigbare Substant zurückhält, in das Rohr 50 eingespeist wird.
Mit der Auslaßkammer 54 ist eine Vakuumpumpe 66 verbunden, die das Rohr 50, die Einlaßkammer 52, die Auslaßkammer 54 und den Verdampfer 62 evakuiert und das Verdampfen der Substanz im Verdampfer 62 fördert.
Durch die Vereinigung des Wärmeträgermediums mit dem Substanzdampf entsteht Wärme auf relativ hoher Temperatur, die durch die Temperatur des Verdampfers 62 in gewissen Grenzen gesteueri werden kann. Diese Nutzwärme wird durch das die Rohrschlange 56 durchströmende Wärmeträgermedium zu einem Verbraucher transportiert.
An die Stelle der Rohrschlange 56 kann selbstverständlich auch eine hohlzylinderförmige Kammer (Mantel) treten, durch die der Wärmeträger geleitet wird.
Das "entladene", mit der verflüchtigbaren Substanz wieder vereinigte Wärmespeichermedium tritt aus dem Rohr 50 in einen Sammelraum 54a der Auslaßkammer 54 aus, von wo es durch eine Leitung 68 einem Transportbehälter, z.B. einem Eisenbahnwaggon 46' (Figur f) zugeführt werden kann. Es kann dann zu einer Einrichtung der in Figur 1 dargestellten Art transportiert und dort erneut "aufgeladen" werden.
Bei dem Verfahren und den Einrichtungen gemäß der Erfindung entsteht etwa ein Drittel der Nutzwärme am Ort, wo das Wärmespeichermedium energetisch beladen wird und zwei Drittel der Nutzwärme am Ort, wo das Wärmespeichermedium energetisch entladen wird. Das Verfahren und die Einrichtungen gemäß der Erfindung eignen sich ausgezeichnet für das Ausgleichen von Spitzenbelastungen, da in Hochlastzeiten auf die aus dem Wärmespeichermedium freisetzbare Energie zurückgegriffen werden kann, die während Niederlastzeiten gcspeichcrt worden ist.
Die Erfindung läßt sich auch mit großem Vorteil bei Klimaanlagen anwenden und zwar sowohl stationären als auch mobilen Klimaanlagen in Fahrzeugen. Man kann z.B. das W§rmespeichermedium mit der beim Betrieb der Antriebsmaschine des Fahrzeuges freiwerdenden Abwärme enerqetisch aufladen und dann Wahrend der Fahr;t 9der spaeI/ die gespeicherte Wärmeenergie/bei abgeschalteter Antriebsmaschine zum Heizen und/oder Kühlen verwenden.
Da die Wärmeenergie beim energetischen Entladen des Wärmespeichermediums mit relativ hoher Temperatur frei wird, kann sie auch zum Zubereiten von Lebensmitteln (Kochen, Braten) verwendet werden.
In einem Kilogramm Zeolith (gerechnet als Mittelwert des Gewichts im trockenen (energetisch geladenen) und wasserhaltigen (energetisch entladenen) Zustand) lassen sich etwa 0,4 bis 0,5 Kilowattstunden Energie speichern, was ein sehr günstiger Wert ist.
Als Eingangswärme für das Verfahren und die Einrichtungen gemäß der Erfindung kann jede Wärme verwendet werden, die auf Temperaturen über 90Q, vorteilhafterweise über 200 "C oder höher anfällt und am Ort und/oder zur Zit der Entstehung nicht vollständig benötigt wird. Außer der Abwärme, die die oben erwanten erhitzten Stahlknüppel abstrahlen, kann auch die Abwärme von anderen erhitzten Körpern, wie Ziegeln, Keramikkörpern und dgl. nutzbar gemacht werden, ferner die mittels eines Sonnenofens durch Spiegel oder dgl. konzentrierte Sonnenwärme und die Abwärme von Brennkraftmaschiaen, wie Turbinen,Kolbenmotoren und dgl.
Die Einrichtung gemäß Fig. 1 zum energetischen Aufladen des Wärmespeichermediums kann dadurch abgewandelt werden, daß man das Rohriähnlich wie bei Fig. 3 mit einer Rohrschlange oder einem Mantel umgibt, durch die ein die nutzbar zu machende Wärme enthaltender Wärmeträger im Gegenstrom zu dem Wärmespeichermedium geleitet wird.
Das energetische Entladen von Zeolith kann auch dadurch erfolgen, daß man durch den energetisch aufgeladenen Zeolith feuchte Luft bläst, die dadurch erwärmt wird und dann zu Heizzwecken verwendet werden kann.
L e e r s e i t e

Claims

Verfahren und Einrichtung zum Nutzbarmachen von Wärme Patentansprüche J). Verfahren zum Nutzbarmachen von Wärme, bei welchem diese zum endothermen Austreiben einer verflüchtigbaren Substanz aus einem Wärmespeichermedium um verwendet wird, die verflüchtigte Substanz kondensiert wird, und das Wärmespeichermedium an einen anderen Ort transportiert und dort zur Erzeugung von Nutzwärme oder Nutzkälte mit verflüchtigter Substanz wieder exotherm vereinigt wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Austreiben bei einer Temperatur über 90 OC, insbesondere über 200 °C erfolgt, und daß der Wärmeinhalt der verflüchtigten Substanz nutzbar gemacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß als Wärmespeichermedium ein Zeolith und als verflüchtigbare Substanz Wasser verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Wärme dem mit Wasser beladenen Zeolith mit einer solchen Temperatur zugeführt wird, daß der aus dem Zeolith verflüchtigte Wasserdampf einen Druck hat, der mindestens in der Größenordnung von 1 bar liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß Wärme von erhitzten Körpern oder Werkstücken zum Austreiben der verflüchtigbaren Substanz aus dem Wärmespeichermedium verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Wärme durch einen Sonnenofen geliefert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß als Wärme Abwärme von einer Kraftmaschine verwendet wird.
7. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß über einem Transportweg, längs dessen erhitzte Körper (12) transportiert werden, ein Wärmetauscher (24) anyeordnet ist, dem das mit der verflüchtigbaren Substanz beladene Wärmespeichermedium zuführbar ist.
8.Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das Wärmespeichermedium im Gegenstrom zu den erhitzten Körpern durch den Wärmetauscher geführt wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher ein drehbar gelagertes Rohr (24) enthält, in das das Wärmespeichermedium einführbar ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher und der Transportweg mit einer wärmeisolierten Kammer (14) umgeben sind.
11.Einrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Kammer innen mit einem gut wärmeleitenden Material (22) ausgekleidet ist.
12. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t, durch einen evakuierbaren Wärmetauscher (50, 56) dem das von der verflüchtigbaren Substanz befreite Wärmespeichermedium und verflüchtigte Substanz von einem mit minderwertiger oder abzuführender Wärme betriebenen Verdampfer (62) zuführbar sind.
13. Einrichtung nach Anspruch 6, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher ein dreh- oder schwenkbar gelagertes Rohr (50) enthält, das mit einer von einem Wärmeträgermedium durchströmten Rohrleitung (56) oder Mantelanordnung in Wärmekontakt steht und in das das Wärmespeichermedium einführbar ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß das Wärmeträgermedium im Gegenstrom zu dem Wärmespeichermedium geführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Energie des aufgeladenen Wärmespeichermediums zum Erwärmen oder Kühlen von Lebensmitteln verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h a e k e n n -z e i c h n e t , daß die Kraftmaschine der Antriebsmotor eines Fahrzeuges ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Energie des aufgeladenen Wärmespeicher mediums in einer Klima-Anlage zum Erzeugen von Wärme oder Kälte verwendet wird.