DE2705145A1

DE2705145A1 - Verfahren zur rueckgewinnung von verbrennungsabwaerme

Info

Publication number: DE2705145A1
Application number: DE19772705145
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Buchner
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1977-02-08
Publication date: 1978-08-10
Also published as: JPS5398534A; GB1594794A; FR2379704A1; US4290267A; DE2705145C2; FR2379704B1

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft ί. I U J I H3

Stilt tgar t-Unter türkheim

Daim 11 JQ1 /h 1 .2.77

Vorfahren zur Rückgewinnung von Verbrennungsabwärme

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur wenigstens teilweisen Rückgewinnung der Abwärme von Verbrennungsvorgängen.

Die Ausnutzung von Verbrennungsvorgängen ist bekanntermassen sehr schlecht. Ein nicht unerheblicher Anteil der im zu verbrennenden Kraftstoff oder Brennstoff enthaltenen Energie ist unausgenutzt im Abgas der Verbrennung enthalten. Zwar sind Einrichtungen und Verfahren zur Abwärmerückgewinnung bekannt; wegen des Erfordernisses eines treibenden Temperaturgefälles zwischen wärmeabgebenden und wärmeaufnehmendem Medium ist diese Abwärme bisher jedoch nur zum Teil ausnützbar. Insbesondere bei Verbrennungskraftmaschinen von Fahrzeugen ist eine Wärmerückgewinnung im Hinblick auf möglichst gering zu haltendes Fahrzeugge-

wicht und im Hinblick auf den dafür eventuell erforderlichen Aufwand nicht vertretbar.

8098 '2/ (H 0 4

Daim 11 Ujl/h

2705U5

Aufgabe dor Erfindung ist es, Möglichkeiten einer besseren Abwärmerückgewinnung aufzuzeigen, die auch vom Aufwand her vertretbar sind.

Diese Aufgabe wird orfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Einsatz von Hydriden von Metallen bzw. Metallegierungen als Wasserstoffspeicher für Kraftfahrzeuge oder als stationäre Speicher ist stets mit einer Wärmezufuhr zum Speicher zur Freisetzung des Wasserstoffes aus dem Hydrid für Antriebs- oder Heizzwecke verbunden, wobei die Hydride bzw. die Metallspeicher so gewählt werden müssen, daß ihre Freisetzungsenergien für Wasserstoff stets unterhalb der Energien der Verbrennungsabwärme liegen. Damit kann stots erreicht werden, daß Teile der oder die gesamte Abwärmeenergie als latente Wärme im Kristallgitter gespeichert werden. Umgekehrt wird dann beim Detanken der leeren Legierung mit gasförmigem Wasserstoff unter Neubildung des Hydrids die Wasserstoffbindungsenergie wieder frei und zwar entsprechend dem jeweiligen Druck/Temperatur-Verhalten im Dereich zwischen 80 Grad und Ί00 Grad Celsius. Diese Wärmemenge kann als Heißluft, ale Dampf oder als Heißwasser während der Betankung aus dem Speicher abgeleitet und zu Heizzwecken verwendet werden. Aufgrund einer geeigneten Auswahl von Metallhydriden mit einer entsprechenden Lage des Druck/Temperatur-Verhaltens können bei geeigneter Steuerung der Dissoziationsdrücke während des Entleerons und/oder des Auffüllens der Speicher Dissoziationstemporaturen erreicht werden, mit denen die Abluft bis unter die Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann und ihr weit mehr Energie entzogen werden kann als bisher. Beim Einsatz

8Ü9832/0A04

Üaim 1 1

2 7 O S 1 4 5

in Verbrennungsmotoren, bei denen sich etwa ein Drittel der im Kraftstoff chemisch gebundenen Energie mechanisch ungenutzt in den Abgasen wiederfindet und bei denen etwa ein weiteres Drittel der eingetragenen Energie über die Motorkühlung an die Umgebungsluft abgegeben wird, kann mittels der orfindungsgemüßen regenerativ betriebenen Abwärmerückgewinnung mittels Metallhydridspeichern ein besonders hoher Anteil an Energie nutzbringend zurückgewonnen werden. Der Antrieb von Fahrzeug-Verbrennungsmotoren durch Wasserstoff bietet insbesondere in Ballungsräumen den Vorteil schadstofffreier Abgase. Bei Einsatz der erfindungsgemäOen Abwärmerückgewinnung sind derartige Fahrzeuge überdies auch hinsichtlich der Wärmeemission völlig emissionsfrei, was für den Einsatz in längeren unterirdischen Strecken besonders wertvoll ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele noch kurz erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 Austausch- und Auffüllungsstation für Me

tallhydridspeicher von Omnibussen, mit Ausnutzung der Wasserstoffbindungsenergie in einem Kraftwerk,

Fig. 2 einen für die Abwärmerückgewinnung des

Verbrennungsmotors ausgestatteten Omnibus,

809832/0404

Daim 11 l»3i/4

270S145

Fig. 3 einen Metallhydridspeicher zur Verwendung

in dem Omnibus nach Fig. 2,

Fig. h eine schematische Darstellung für die zwei

stufige Abwärmerückgewinnung bei einem Heizkraftwerk,

Fig. 5 eine achssenkrechte Schnittdarstellung an

einem drehbaren Regenerativwärmetauscher mit Metallhydridspeichern,

Fig. 6 die Anwendung der erfindungsgemäßen Abwär-

merückgewinnung bei der Kondensation und Wiederaufwärmung des Kondensates in einem Dampfkraftwerk und

Fig. 7 ein Diagramm mit den Druck/Temperatur-Li-

nien verschiedener Metallegierungen, die für Metallhydridspeicher geeignet sind.

Zur Schilderung des Ausführungsbeispieles der Abwärmerückgewinnung von Omnibusmotoren sei zunächst der in Fig. 2 dargestellte Omnibus 1 kurz näher erläutert. Der dort im Hock des Omnibusses als rechteckiger Block dargestellte Verbionnungsmotor 2o ist mit Wasserstoff als Kraftstoff betrieben, der in dem Metallhydridspeicher 29 gespeichert, über die Leitung 28 zugeführt und in dem Kraftstoff-Misch- und Dosieraggregat 27 den Arbeitsräumen des Motors zugeführt wird. Ls soll sich bei dem Verbrennungsmotor 2o um

8U5JÖ32/040A

- IT- Da im 1 1

einen wassergekühlten Motor handeln, dessen Kühlwasseranschlüsse 3° am Motor über die Leitungen 3"· nicht etwa zu einem Luft/Wasserwärme tauscher sondern zu dem Metallhydridspeicher 29 geführt sind und dort über SchneLlanschlüssc 32 mit dem Innern des Speichers verbunden sind. Die einen Schalldämpfer 23 enthaltende Abgasleitung 21 des Motors ist unter Zwischenschaltung eines leichtbeweglichon Rohrstückes 2k ebenfalls über eine Rohrschnellkupplung 25 an den Motallhydridspeicher 29 angeschlossen und mündet über den unten am Speicher angeordneten Anschluß 26 ins Freie aus. Aufgrund dieser Anschlüsse des Motors abgassei tig und kühlwassersei tig an den Metallhydridspeichor wird die gesamte Abwarme des Verbrennungsmotors 2o zur Freisetzung von Wasserstoff aus dem Speicher 29 ausgenützt. Mit zunehmender Entleerung des Speichors von Wasserstoff wird zunehmend mehr Abwärme des Motors in dem Speichor chemisch und reversibel gebunden. Eine Wärmeisolierung gegen Wärmoverlust ist nicht erforderlich, weil die Wärme in Form von Bindungsenergie in der Speichersubstanz enthalten ist. Lediglich auf dem Leitungsweg vorn Motor 2o zu dem Speicher 29 ist eine Wärmeisolierung angebracht, weil auf dieser Strecke Wärmeverluste möglich sind. Insbesondere bei der Verwendung von Hochtemperaturhydriden, die je nach Wasserstoffdruck bei Temperaturen von 2oo bis 5°° C arbeiten, ist dafür zu sorgen, daß die Abgase noch möglichst heiß sind, wenn sie auf das Speichermaterial bzw. seine metallische Ummantelung treffen. Aus diesem Grunde könnte sich eine Wärmeisolierung des Speichers 29 lohnen, die aber auch fest im Fahrzeug in dem den Speicher aufnehmenden Raum angeordnet sein kann.

8098'/7/0404

Daim 11

-77

Dor Motallhydridspeichcr 29 ist in Form eines möglichen Ausführungsbeispieles in Fig. 3 im einzelnen dargestellt; eine gewisse Besonderheit dieses Speichers liegt darin, daß er sowohl bezüglich eines flüssigen als auch bezüglich eines gasförmigen Würmeaustauschmediums beschickt werden kann. In einem inneren Druckgefäß 35 aus gegen WasserstofTdiffusion^undurchlässigem Werkstoff ist ein Granulat 39 eines geeigneten Metallhydrids bzw. hydridierbarem Metalles oder Metallegierung enthalten. Um den inneren Druckbehälter 35 ist unter Einhaltung eines Zwischenraumes 37 ein äußeror Druckbehälter 3^ gelegt. In das Innere des Granulates 39 reichen innere auf der Innenseite des Behälters 35 angebrachte Wärnieaustauschrippen 38 hinein, die die Aufgabe haben, eine möglichst gute wärmeleitende Verbindung zwischen der inneren Behälterwand und dem Granulat herzustellen. Desgleichen sind auf der Außenseite des inneren Behälters Wärmeaustauschrippen 36 angebracht, die die Aufgabe haben, einen möglichst guten Wärmeübergang von einem in dom Zwischenraum 37 strömenden gasförmigen Medium an die Behälterwand 35 herzustellen. Durch den zwischen den beiden Behältern 3U und 35 gebildeten Zwischenraum 37 wird beim Motorbotrieb das Motorabgas geleitet. Im Innern des Granulates ist eine Kühlschlange ko eingebettet, die über die Anschlüsse 32 bei Motorbetrieb an den Kühlwasserkreislauf des Motors angeschlossen wird. Über die Kühlschlange 4o wird das Innere des Granulates erreicht, wohingegen über den Mantel 35 und die daran angebrachten Rippen die Außenzonen des Granulates erreichbar sind. Der an dem stirnseitig angeflanschten Deckel angebrachte Gasanschluß 33 mündet eventuell über ein Rückhaltesieb unmit-

3 2/0404

Daim 11

270SH5

telbar in das Granulat ein. Über ihn wird bei Motorbetrieb Wasserstoff abgeführt.

Zur besseren Wärmeleitung innerhalb des Metallgranulates kann dieses formbeständig verpreßt oder versintert sein. Zweckmässig ist es, wenn Kupfer- oder Aluminiumspäne mit verpreßt werden. Diese hydridieren nicht und behalten ihre guten Wärmeeigenschaften. Sie sorgen für einen guten Wärmefluß in dem Preßling aus Metallhydridkürnern, die selber in hydridiertem Zustand schlecht wärmeleitend sind. Der Porenanteil in dem Granulat sollte wenigstens etwa 5 - 1 ° ⁿ/o betragen, um noch genügend Gasaustauschkanäle innerhalb des Preßlings bzw. des Sinterkörpers zu haben.

Die Füllung des inneren von der Wand ^1 gekapselten und von der Rohrwendel Uo durchzogenen Metallhydridspeichers besteht aus einem Niedertemperatur-Metallhydrid, z. B. aus Titan-Eisen-IIydrid, bei dem bei Temperaturen von -2o bis + So C(z. D. Kühlwasser) und einem Überdruck von 1 - 1o Dar der Speicher völlig von Wasserstoff entleerbar ist. Der äußere Speicher zwischen den Wandungen 35 und Ηλ besteht aus einem Hochtemperatur-Metallhydrid, z. D. aus Magnesium-Nickel-Nydrid; bei Überdrücken von etwa 1 Dar sind hier für die weitgehende Entleerung des Speichers Temperaturen über etwa 3<>o C erforderlich. Solche Temperaturen können mit den Motorabgasen, wenn die Abgasleitungen wärmeisoliert sind, aufgebracht werden.

In den weiteron Ausführungen wird ein Metallhydridspeicher zugrunde gelegt, der zwar nach dem Vorbild von Fig. 3 aufgebaut bzw. ausgebildet ist, der jedoch nur eine Art von Speichermaterial für die Rückgewinnung von Abgaswärme aufweist.

809832/04(H

Daim 11 431A

270SU5

Dio in Fig. 1 veranschaulichte Verfahrensvariante zur Abwärmerückgewinnung mittels Metallhydridspeichorn läuft nun folgendermaßen ab; Sämtliche Omnibusse eine» rogional zusammengehörigen Dereiches, die auf die Abwärmerückgewinnung ausgelegt sind, haben untereinander austauschbare gleiche Metallhydridspoicher, die schnell austauschbar sind. Innerhalb der entsprechenden Region wird bei einem Kraftwerk oder bei einigen wonigen Kraftwerken eine Austauschstation für Metallhydridspoicher gebildet, bei der die leergefahrenon Speicher 2 aus den ankommenden Fahrzeugen ausgebaut und gelagert werden und bei der mit Wasserstoff gefüllte Speicher 3, die auf Vorrat gehalten werden, wieder in das Fahrzeug eingesetzt werden. Diese Station bzw. Stationen werden von den Omnibussen des Bereiches regelmäßig, beispielsweise täglich, zum Speicheraustausch angefahren.

12s sei hier der Vollständigkeit halber erwähnt, daß außer der vorbeschriebenen Wechseltechnik auch ein direktes Betanken der im Fahrzeug belassenen Speicher möglich ist. Die Fahrzeuge würden in einem solchen Fall eine Zapf- und Wärmeaustauschsteile einzeln und nacheinander anzufahren haben. Dort wird der Speicher an eine Wasserstoffspeiseleitung druckfest angeschlossen; ferner wird an die Wärmeaustauschflächen des jeweiligen Speichers zu- und ablaufseitig ein Wärmeaustauschmedium einus Kraftwerkes, z. B. Wasser oder Dampf, angeschlossen, das den Speicher kühlt und ihn dadurch wasserstoffaufnahmefähig macht bzw. hält und sich selber dabei aber erhitzt. Nach Füllung U6ä Speichers mit Wasserstoff und Entzug der latent gespeicherten Wärme werden alle Anschlüsse entfernt und beim Speicher des nächsten Fahrzeuges angeschlossen.

80983 2

üaiin 1 1 h'}\/h

270M45

Das als Beispiel dargestellte Kraftwerk besteht aus einem mit Kohle (Kohlenhalde 11) gespeisten Kessel 1o, einem Dampfturbinensatz 13 und einem Generator I5» der ein elektrisches Netz 1ό speist. Der aus dem Generatorsatz 13 austretende Dampf wird in dem Kondensator 1U kondensiert und das Kondensat in den Kessel zurückgepumpt· Von dem Kessel 1o führen warnieisolierte Leitungen 12 zu der Ladestation, wo in einem wärineisolierton Behälter 7 vorgewärmtes Kosseiwasser in Vorlage gehalten werden kann. Aus dieser Vorlage kann über Zirkulatioiislei tungen 9 und eine Pumpe 8 Kesselwasser durch einen aufzuladenden und in den Kreislauf einbezogenen Metallhydridspeicher 6 liiridurchgepumpt werden.

8098 3 2/CK(H

Dai

In der Aufladestation ist ferner ein Gaspeicher k vorgesehen, in dem Wasserstoff oder wassorstoffhaltiges Gas gespeichert wird. Über eine Pumpe 5 kann der Wasserstoff dem Metallhydridspeicher 6 in der erforderlichen Druckhöhe zugeführt werden. Beim Befüllen des Speichers 6 mit Wasserstoff wird die Bindungsenergie für den Wasserstoff freigesetzt und das Metallgranulat erhitzt sich stark. Bei der Verwendung von Magnesiom-Nickel-Legierung als Substanz für den Metallhydridspeichor tritt Z. B. bei einem Wasserstoffdiffusionsdruck von einem Bar eine Diffusionstomperatur von 250 C auf, bei zehn Bar treten 500 C auf. Hierdurch kann ein sehr großes Temperaturgefälle gegenüber dem aufzuheizenden Kesselwasser aufgebracht werden und eine sehr hohe Aufheiz- bzw. Verdampfungsloistung dem Wasser zugeführt werden.

Der Einsatz von Ilochtemperaturhydriden wie z. B. MgH„ oder Mg₂NiII. in städtischen Autobussen gibt z. B. folgendes Bild: Da die Wasserstoff-Bindungsenergien der genannten Hydride in der Größenordnung der Abgaswärme liegen, benötigt man zur Freisetzung von 18 kg Wasserstoff - dies entspricht etwa 60 Litern Dieselkraftstoff - I80 Megakalorien, was dem Heizwert von etwa 2o Litern Dieselkraftstoff entspricht. Dieser Wert ist allein im Abgas des Wasserstoffmotors 2o des Omnibusses 1 enthalten. In dem Kühlwasser ist etwa nocheinmal die gleiche Menge an Wärme enthalten.

809832/0404

Daim 11

2705U5

Die folgende Energieabschätzung legt nur die Ausnutzung der Abwärme, die im Abgas enthalten ist, zugrunde. Während des Tankvorganges werden pro Fahrzeug die oben angenommenen 1Bo Megakalorien wieder freigesetzt und zwar im Temperaturbereich zwischen 2oo Grad und 4oo Grad Celsius je nach Wasserstoff-Betankungsdruck. Legt man einmal eine Anzahl von etwa 3oo Autobussen zugrunde, was etwa einer Großstadt mit rd. 600 000 Einwohnern entspricht, und nimmt man ferner eine tägliche Fahrstrecke von 2oo km je Omnibus an, was einem täglichen Kraftstoffverbrauch von etwa 60 1 Dieselöl entspricht, so liefern die zu betankenden Metallhydridspeicher eines solchen Fuhrparkes täglich eine Energiemenge von 5k Gigakalorien, die in der dargestellten Weise direkt genützt werden kann. Im Falle der 300 städtischen Autobusse entspricht dies einer jährlich rückgewinn-

3 baren Energiemenge mit einem Heizwert von mehr als 2ooo m Dieselkraftstoff. Abgesehen von der möglichen Energieeinsparung hat das beschriebene System der Abwärmerückgewinnung auch noch den Vorteil einer Wärmespeicherung, deren Energiemenge in Zeiten von Belastungsspitzen des Kraftwerkes gezielt mit zur Energiedeckung herangezogen werden kann. Der Betrieb von Verbrennungsmotoren mit Wasserstoff als Kraftstoff hat den Vorteil,giftfreier Abgase. Wird darüber hinaus - wie beschrieben - die Abwärme der Motoren gespeichert und ausgenützt, so gelingt es, die Fahrzeuge völlig emissionsfrei, d. h. auch wärmeemissionsfrei zu betreiben, was insbesondere bei Betrieb in längeren unterirdischen Strecken von Wichtigkeit ist.

809832/0404

Daim 11

2705U5

In Fitf. h und 5 ist ein AusfUhrungsbeispiel der Wärmerückgewinnung am Beispiel eines Heizkraftwerkes dargestellt. Dieses besteht aus einem Kessel 5o mit Flammrohr 51 und Rost 5²· Die symbolisch dargestellte Brennstoffzufuhr 53 kann aus Flüssigkeitsbrennstoffen (Öltank 62),aus Feststoff brennstoff en (Kohlenhalde 63) oder aus gasförmigen Brennstoffen bestehen. Die Verbrennungsluft wird dem Kessel über das Verbrennungsluftgebläse 57 und über die Leitung 56 zugeführt. Der um das Flamarohr herum gebildete Wassermantel 58 wird durch die Verbrennungswärme aufgeheizt. Durch die Wasserrücklaufleitung 60 wird dem Wassermantel aus einem Heizsystem abgekühltes Wasser zurückgeleitet und durch die Nutzwasser-Vorlaufleitung 61 wird aufgewärmtes Wasser in das Heizsystem zurückgeleitrt.

Durch den Rauchgasabzug 5^1 der mit einer Wärmeisolierung 55 versehen ist, zieht die Verbrennungsabluft aus dem Kessel ab; die Abgase enthalten eine sehr große Energiemenge an thermischer Energie, die wieder zurückgewonnen werden soll. Hierzu ist in dem wärmeisolierten Abschnitt des Rauchgasabzuges ein System von Rohrschlangen 67 vorgesehen, in welchem ein Wärmeträgermedium, z. D. hochsiedendes Öl, zirkuliert. Hierdurch wird dem Rauchgas in einer ersten Stufe Wärmeenergie entzogen, wobei es auf Temperaturen im Bereich von etwa 80 bis I00 Grad abgekühlt wird. Anschließend wird das Rauchgas durch eine zweite Abkühlungsstufe geleitet und auf Umgebungstemperatur oder noch weniger abgekühlt, bevor es durch den Kamin 85 ins Freie gelangt.

809832/04 04

Daim 11 431 A

Zur Nutzbarmachung der dem Rauchgas entzogenen Wärme sind zwei auf unterschiedliche Temperaturniveaus ausgelegte regenerativ arbeitende Metallhydridspeicher 66 und 65 vorgesehen, von denen einer im Querschnitt in Fig. 5 dargestellt ist. Bei diesen drehenden Metallhydrid-Regenerativ-Wärmetauschorn sind mehrere einzelne gegeneinander wasserstoff -diffusionsdicht gekapselte Metallhydridspeicher vorgesehen, die in Kreisform möglichst dicht aneinander anschließend angeordnet sind. Die solcherart gebildeten radförmigen Regenerativwärmetauscher sind drehbar um die Achse όδ gelagert und über einen an ihrem Außenumfang angeordneten Zahnkranz 69 und das Antriebsritzel 7 ο sowie die Antriebswelle 71 vom Motor 72 aus antreibbar. Im Innern der einzelnen Metallhydridspeicher ist eine Vielzahl von achsparallel verlaufenden Wärmetauscherrohren 9^ vorgesehen, durch die wärmeaufnehmende bzw. wärmeabgebende Medien hindurchströmen. Zwischen die Rohre ist ein Granulat von Metallhydrid 95 eingefüllt. An der radial inneren Umfangsseite der Metallhydridspeicher sind Lochplatten 96 vorgesehen, auf welcher Seite über jeweils eine Gasverteilerbzw. Gassammlerhaube 9& Wasserstoff in die Granulatporen hineingedrückt oder aus ihnen abgeführt werden kann. Über einen aus einem mitlaufenden Teil 99a und einem stillstehenden Teil 99b gebildeten Gasverteilkopf, der zentrisch zur Drehachse 68 angeordnet ist, können diejenigen Metallhydridspeicher, die gerade mit dem wärmeabgebenden Medium in Kontakt stehen, mit einer Gasabfuhrleitung 81 bzw. 79 verbunden werden, wohingegen der diametral gegenüberliegende Metallhydridspeicher jeweils mit einer Gaszufuhrleitung 78 bzw. 80 verbunden ist.

809832/(H(H

Daim :1 <:3i/4

Der in Fig. k unten dargestellte Metallhydrid-Regenerativ-Wärmetauscher 69 ist als Hochtemperatur-Wärmetauscher ausgebildet und demgemäß mit einem Hochtemperatur-Metallhydrid, z. B. mit Magnesium-Nickel-Metallhydrid gefüllt. Der obere der beiden Speicher bzw. Wärmetauscher ist mit einem Niedertemperatur-Metallhydrid, z. B. mit Titan-Eisen-Metallhydrid gefüllt. Die Drucktemperaturlinien dieser beiden Speicherlegierungen sind in Fig. 7 dargestellt. Der Wärmeaufnahmeseitig angeordnete Motallhydridspeicher aus dem Hochtemperatur-Wärmetauscher 66 ist mit der Gasabfuhrleitung 81 verbunden, die in den Gasspeicher 83 mündet, der unter einem definierten Druck gehalten wird. Desgleichen ist der Wärmeaufnahmeseitig gerade befindliche Metallhydridspeicher des oberen Regenerativ-Wärme tauschers gasseitig über die Gasabfuhrleitung 79 ebenfalls mit einem Gasspeicher, und zwar mit dem Speicher 82 verbunden, in dem ein anderer definierter Druck eingesteuert ist. Auf der wärmeabgebenden Seite des oberen Regenerativwärmetauschers sind die Metallhydridspeicher von der über die Hutze Sk eingesaugte Verbrennungsluft durchströmt, die sich darin aufwärmt und über den Frischluftsammler 86 und eine Verbindungsleitung zum Gebläse 57 geleitet wird. Gasseitig werden die wärmeabgebenden Metallhydridspci eher, die wasserstoffaufnahmefähig sind, über die Gaszufuhrleitung 78 mit einem ersten Druckbehälter 75 verbunden, der über die Pumpe 7^ aus dem Wasserstoff-Vorratsbehälter 6k aufgefüllt und unter einem ständig gleichbleibenden definierten Druck gehalten werden. Die wärmeabgebenden Metallhydridspeicher des anderen auf ein Hochtemperaturniveau ausgelegten Regenerativwärmetauschers 66 sind gassei-

809832/0404

Daim 11 *O1/k

iii">er die Gaszufuhrleitung 8o ebenfalls an einen Druckbehälter, und zwar den zweiten Druckbehälter 77 angeschlossen, der über die Pumpe 76 unter einem erhöhten Druck gehalten wird. Zur Aufnahme der von diesen Metallhydridspeichern abgegebenen Wärme werden sie nacheinander auf der wärmeaufnehmenden Seite an örtlich stillstehende Sammler bzw. Verteilköpfe für das Wärmetauschermedium des Rauchgaswärmetauschers 67 angeschlossen, welches hochsiedendes Öl oder Sattdampf sein kann. Auf der wärmeabgebenden Seite werden die Metallhydridspeicher zyklisch nacheinander an entsprechende stillstehende Sammler bzw. Verteilköpfe für ein Wärmetauschermedium eines zweiten Kreislaufes angeschlossen. Zu diesem Kreislauf gehört ein in der Vorlaufleitung 61 angeordneter Wasserüberhitzer 59· Das in dem wärmeabgebenden Metallhydridspeicher aufgewärmte Wärmeübertragungsmedium, ζ. D. hochgespannter Sattdampf, zirkuliert in diesem Kreislauf und gibt laufend seine Wurme in dem Überhitzer 59 an das Nutzwasser des Heizkessels ab. Aufgrund der dadurch bewirkten "Kühlung" des wärmeabgebenden Metallhydridspeichers wird dieser aufnahmefähig fUr Wasserstoff, der ihm durch die Leitungen 80 bzw. - beim oberen Wärmetauscher 65 - durch die Leitungen 78 zugeführt wird.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist nun kurz folgende: Durch gezielte Drucksteuerung in dem Behälter 83 kann in dem wärmeaufnehmenden Metallhydridspeicher des Hochtemperatur-Regenerativ-Wärmetauschers 66 eine bestimmte Temperatur, z. B. 17o C, eingesteuert werden. Hierdurch ist es möglich, das Rauchgas über die Schlangen 67 auf etwa 2oo bis 24o Grad herunterzukühlen und ihm insoweit einen entsprechenden Wärmeinhalt zu entziehen. Das

809832/0404

üaim 11

270GU5

dabei aus den Metallhydridspeichersn freigesetzte Wasserstoffgas wird in dem Gasbehälter 83 gepuffert und bei Druckanstieg entweder in den Gasbehälter 64 abgoblasen oder in dem Kessel 50 mit verfeuert. Die im Metallhydrid latent gespeicherte Wärme wird durch die Zufuhr von Wasserstoff wieder freigesetzt, wobei durch geeignete Wahl des

Wasserstoffdiffusionsdrucks, der durch den Druck in den Be-

K haltern 77 bzw. 75 vorgegeben wird, das Temperaturniveau in dem entsprechenden Metallhydridspeicher festgelegt und vor allen Dingen wesentlich höher als WärmeaufnahmeseItig angesetzt werden/*· Hierdurch lassen sich leicht sehr hohe treibende Temperaturgefälle erzielen und somit hohe Leistungen an Wärmeenergie übertragen.

Nach einer Abkühlung des Rauchgases auf etwa I80 bis 22o C in einer ersten Stufe und der nutzbringenden Rückgewinnung der bis dahin entzogenen Wärme durchströmt das Rauchgas in einer zweiten Stufe die Röhren entsprechender auf Niedertemperaturniveau ausgelegter Metallhydridspeicher unmittelbar selber, wobei es ohne weiteres auf Raumtemperatur oder auch niedriger, z. B. auf Gefrierpunktnähe abgekühlt werden kann. Bei einer Einsteuerung des Wasserstoffdiffusionsdrukkes wärmeaufnahmeseitig bzw. wasserstoffabgabeseitig auf ein Bar treten ohne Wärmezufuhr Temperaturen von -2o C im

auf Metallhydridgranulat/: Aufgrund derart niedriger im wärema aufnehmendeη Metallhydridspeicher einsteuerbarer Temperaturen kann ein sehr starkes Temperaturgefälle hergestellt und das Rauchgas sehr niedrig abgekühlt werden, so daß ihm weitgehend sämtliche nutzbare Wärmeenergie entzogen werden kann. Auf der wärmeabgebenden bzw. wasserstoffaufnehmenden

809832/0404

Daim 11 431/*»

ϋ^Γ.Η5

270

Seite des Niedertemperatur-Regenerativwännetauschers 65 kann durch geeignete Steuerung des Wasserstoffdiffusionsdruckes eine Temperatur im Bereichvon 50 bis 60 C eingesteuert werden, wodurch eine gute Verbrennungsluftvorwärmung erzielbar ist.

Bei dem in Fig. 6 angedeuteten Ausführungsbeispiel von Abwärmerückgewinnung geht es um eine andere Art der Abwärme, und zwar um die Kondensationswärme eines Dampfkraftwerkes. Es sei angenommen, daß es sich dabei um ein Kernkraftwerk mit einem Kernreaktor 100 als Wärmequelle zur Dampferzeugung handelt. Oie im Reaktor entstehende Wärme wird über ein Kreislaufmedium in dem Wärmetauscher Ιοί an das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes übergeben und dieses dabei in hochgespannten Dampf überführt. Die im Dampf enthaltene Energie wird in dem Turbinensatz 1o2 in mechanische Energie umgewandelt, welche wiederum in dem Regenerator I03 in elektrische Energie verwandelt wird, die in das Netz 1o4 eingespeist wird. Der aus der Turbine austretende entspannte Dampf muß zur Volumenroduzierung des Arbeitsmediums kondensiert,werden. Das Kondensat kann dann arbeitssparend durch die Kesselspeisepumpe I08 auf die Hochdruckseite des Kreislaufes zurückgepumpt werden. Zur Kondensation muß dem Arbeitsmedium die Kondensationswärme entzogen werden. Hierfür kann ein Satz I05 von regenerativ eingesetzten Wärmetauschern I06 und 1o7 vorgesehen werden. Der vom entspannten Dampf durchströmte wärmeaufnehmende und wasserstoffabgebende Metallhydridspeicher ist gassei tig an die Saugseite einer

809832/(H(H

- vT-

Daim 11 431/4

Gasförderpumpe 19 angeschlossen und dadurch auf relativ niedrigen Druck gehalten, wodurch die wärmeaufnehmenden Wände des betreffenden Metallhydridspeichers sehr kalt sind und eine hohe Wärmeleistung aufzunehmen vermögen. Dadurch kann auch weniger stark entspannter Dampf rekondensiert worden, wodurch die sehr voluminösen Sattdampfstufen des Turbinensatzes 1o2 entfdlen können. Wegen der nutzbringenden Rückgewinnung der Kondensationswärme kann der Entspannungsprozeß ohne Energieeinbuße ruhig etwas früher abgebrochen wcrdtn. Das in dem wärmeaufnehmenden Metallhydridspoicher kondensierte Arbeitsmedium wird durch die Kesselspeisepumpe 108 auf den Arbeitsdruck des Kessels gebracht und wärmeaufnehmend durch den wärmeabgebenden und wasserstoffaufnehmenden Metallhydridspeicher 1o7 hindurchgepumpt. Die Gasförderpumpe 1o9, die mit ihrer Hochdruckseite mit dem wasserstoffaufnahmefähigen Metallhydridspeicher gassei tig verbunden ist, steuert darin einen relativ hohen Wasserstoffdiffusionsdruck und somit eine entsprechend hohe weit über der Kondensattemperatur liegende Granulattemperatur ein, so daß das Kondensat wenigstens zu Sattdampf verdampft werden kann.

Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, daß ein Kraftwerk auf diese Weise wärmeemissionsfrei betrieben werden kann. Grade bei den mit Kernreaktoren möglichen großen Kraftwerksblöcken nimmt die Wärmebelastung der Kraftwerksumgebung teilweise bedenkliche Ausmaße an, wodurch das Kleinklima der Umgebung verändert und selbst große Flüsse in biologisch unzulässiger Weise aufgeheizt werden können.

809832/0404

ZaIm 11

27ÜL.U5

Diese Umweltschaden sind durch die erfindungsgemäße Abwärmerückgewinnung vermeidbar·

Wegen der hohen Drücke in dem wärmeaufnehmenden Kreislaufmedium kann es zweckmäßiger sein, anstelle eines drehenden Satzes von Regenerativwärmetauschern die einzelnen Regenerativwärmetauscher ortsfest anzuordnen und ihre Einbeziehung kreislaufseitig und wasserstoffseitig über Wechselventile od. dgl. zyklisch zu verändern. Im übrigen ist es natürlich auch denkbar, den Wärmeaustausch unter Zwischenschaltung eines Wärmeaustauschmediums, z. B. Wasser auf der einen Seite und Sattdampf auf der anderen Seite, zu bewirken.

8U9832/0404

Le 4$

r s e

i te

Claims

Daim 11 Ό1/4

27ΠΜ45

Ansprüche

V 1 . )Verfaliren zur wenigstens teilweisen Rückgewinnung der Abwärme von Verbrennungsvorgängen, dadurch gekennzeichnet , daß bei der Verbrennung wenigstens teilweise Wasserstorr, der in Form von Metallhydrid in einem Metallspeicher gespeichert und durch Zufuhr von Wärmeenergie daraus freigesetzt wird, verwendet wird, daß zur Freisetzung des Wasserstoffs dem Metallhydrid Abwärme der Verbrennung zugeführt wird und daß der von Wasserstoff wenigstens großenteils befreite Metallspeicher als Speicher latent gebundener Wärmeenergie verwendet wird, dessen beim Auffüllen des Metallspeichers mit Wasserstoff zu Metallhydrid freigesetzte Wärmeenergie genutzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß solche Metalle oder Metallegierungen als Wasserstoff- bzw. Wärmespeicher ausgewählt werden, bei denen die Freisetzungsenergie für Wasserstoff um wenige Prozent unterhalb der Energie der Verbrennungswärme zumindesten derjenigen Abwärmeart bzw. desjenigen Abwärmestromes liegt, die bzw. der zur Freisetzung des Wasserstoffs herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß zur Nutzung der beim Auffüllen des Metallspeichers freigesetzten Bindungsenergie während des Auffüllens ein fließfähiges Trägermedium thermischer Energie wenigstens mittelbar in wärmeübertragende Verbindung mit dem Metallspeicher gebracht wird.

8 U 'J ^f^"' ⁿ / OLQ it

ORIGINAL INSPECTED

Daini 11 'ΠΙ A

2705Η5

h. Vorfahren nach oinom der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Wasser eines Zontralheizungssystems über den Metallspeicher geleitet wird.

5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß Speisewasser, Sattdampf oder Heißdampf oinos Wärmekraftwerkes über den Motallspeicher gleitet wird.

t'. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu oder anstelle von der unmittelbaren Abwärme von Verbrermungsvorgängen weitere Wärmequellen, insbesondere die Wärme abgeführter Raumluft oder die von Umgebungsluft oder Sonnenenergie zur Aufbringung der Freisetzungsenergie von Wasserstoff herangezogen werden.

· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, rückgewonnen wird und daß die den Verbrennungskraftmaschinen zugeordneten Metallspeicher während des Auffüllens bezüglich wärmeabgebender Flächen wenigstens mittelbar an den Kreislauf eins fließfähigen Trägermediums thermischer Energie eines stationären thermischen Kraftwerkes oder eines Zentralheizungssystems angeschlossen sind.

8098 >?/(K(K

Daitn 11 431/4

27ns U5

8. Vcri'alircii nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch go kennzeichnet, daß dio Abwärme eines stationären Heizkessels rückgewonnen wird, indem dessen Verbronnungsabgase wenigstens mittelbar in wärmeübertragende Verbindung mit einem ersten Metallspeicher, der wasserstoffabgabefühig ist, oder einer ersten Gruppe von solchen Metallspeichern gebracht und daraus freigesetzter Wasserstoff zur Speisung oder Unterstützung der Verbrennung herangezogen wird und daß gleichzeitig ein weiterer Metallspeicher, der wasserstoffaufnahmefähig ist, oder eine weitere Gruppe von solchen Metallspeichern, denen zur Auffüllung und Bildung von Motallhydrid Wasserstoff zugeführt wird, wenigstens mittelbar in wärmeübertragende Verbindung mit einem fließfähigen wärmeaufnehmenden Medium gebracht wird und daß der erste Metallspeicher gegen den zweiten bzw. einzelne Metallspeicher aus der ersten Gruppe gegen einzelne Metallspeicher aus der zweiten Gruppe zyklisch gegeneinander ausgetauscht wird bzw. werden.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeaufnehmende Medium Verbrennungsluft des Heizkessels ist.

ο. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das wärmeaufnehmende Medium ein Kreislaufstoff, der von dem Heizkessel behandelt wird, in einem geeigneten Aggregatzustand ist.

809R??/(H04

Pain· 11 k-} \/h

2705U5

11. Vorfahren zur Rückgewinnung von Abwärme eines einen Dampfkroisprozeß ausführenden Kraftwerkes, in welchem durch Wiirmespendor Dampf erzeugt, dieser arbeitsleistond entspannt und nach Arbeitsabgabe kondensiert wird und box welchem das Kondensat anschließend wieder in den Wärmespender zurückgepumpt und verdampft wird, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dor wenigstens teilweise entspannte Dampf zur Kondensation wenigstens mittelbar in wärmeübertragende Verbindung mit einem ersten Metallspeicher, der vasserstoffabgabefähig ist, oder mit einer ersten Gruppe solcher Metallspeicher gebracht und daraus Wasserstoff freigesetzt wird und daß gleichzeitig ein weiterer Metallspeicher, der wasserstoffaufnahmefähig ist, oder eine weitere Gruppe von solchen Metallspeichern, denen zur Auffüllung und Bildung von Metallhydrid Wasserstoff zugeführt wird, wenigstens mittelbare in wärmeübertragende Verbindung mit Kondensat oder mit Dampf gebracht wird und daß der erste Metallspeicher gogen den zweiten bzw· einzelne Metallspeicher aus der ersten Gruppe gegen einzelne Metallspeicher aus der zweiten Gruppe zyklisch gegeneinander ausgetauscht wird bzw. werden.

12. Vorfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffdruck in den wasserstoffaufnehmenden Metallhydridspeichern höher ist als in den wasserstoffabgebenden Speichern.

809832/0404

Daim 11 ^31/^

270SU5

13· Vorrichtung odor Anordnung zum regenerativen Wärmeaustausch mit zyklischem Austausch von värmeaufnehmenden Körpern in einem wärmeabgebenden Strom gegen wärmeabgebende Körper in einem wärmeaufnehmenden Strom, insbesondere zur Ausübung dos Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichne t , daß die Körper als Metallhydridspeicher ausgebildet sind.

1'k Vorrichtung oder Anordnung nach Anspruch 13t dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von einzelnen gegeneinander abgeteilten Metallhydridspoichorn vorgesehen ist, die dichtend mit einom gegen Wasserstof £tiffusion undurchlässigen Werkstoff gekapselt und mit Wärmekontaktflächen für die würmeaufnehmenden bzw. -abgebenden Ströme sowie mit einem ins Innere der Kapselung führenden Gasanschluß an der Kapselung versehen sind.

15. Vorrichtung oder Anordnung nach Anspruch I'*, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die einen höheren Druck des Wasserstoffs in dom oder den wasserstoffaufnehmenden Metallhydridspeichern als in den wasserstoffabgebenden Speichern bewirken.

8 0 9 P : ? / (H 0 4