DE3638706A1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen erzeugung von waerme und kaelte - Google Patents

Vorrichtung zur kontinuierlichen erzeugung von waerme und kaelte

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Wärme und Kälte ausgehend von einer Wärmequelle.
Zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme und Kälte werden im allgemeinen elektrisch angtriebene Wärmepumpen verwendet. Diese Lösung ist unbrauchbar, wenn andere Energiequellen verwendet werden sollen.
Auch mittels Sorptionssystemen können Kälte und Wärme gleichzeitig erzeugt werden. In der FR-PS 24 65 970 ist ein Kühlverfahren beschrieben, bei dem mit festen Adsorptionsmitteln gearbeitet wird, wobei zwei Behälter verwendet werden, die jeweils dasselbe feste Adsorptionsmittel enthalten und abwechselnd im Adsoprtionsbetrieb und Desorptionsbetrieb arbeiten. Die Temperaturniveaus, die von einem solchen System geliefert werden können, hängen von dem gewählten festen Adsorptionsmittel ab und beeinflussen die Güteziffer der Vorrichtung. Die zu lösenden Hauptprobleme bestehen einerseits in der Anpassung der Temperaturniveaus, die das System verbraucherabhängig liefert, und andererseits in der Erzielung von ausreichend hohen Wirkungsgraden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese beiden Probleme durch einen thermodynamischen Zyklus zu lösen, bei dem in Kaskade angeordnete Reaktoren verwendet werden, in denen jeweils ein Feststoffadsorptionsmittel/ Kältefluid-Stoffpaar wirksam ist, wobei eine optimale Ausnutzung der Wärme erfolgt, die zwischen den Reaktoren selbst und zwischen den Reaktoren und den äußeren Wärmequellen ausgetauscht wird.
Diese Optimierung wird erhalten, indem die Betriebstemperaturen (Kondensations-, Verdampfungs- und Adsorptionstemperaturen) für jedes dieser Paare angepaßt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zahlreiche Freiheitsgrade auf und ermöglicht somit eine leichtere Anpassung an die Betriebsbedingungen als im Falle von in Reihe geschalteten Wärmepumpen.
Im vorliegenden Falle wird die Optimierung erhalten, indem die nutzbare Wärme nicht nur an den Kondensatoren, sondern auch an den Reaktoren in ihren Abkühlphasen entnommen wird: Durch dieses Verfahren können relativ hohe Nutztemperaturen erzielt werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Erzeugung von Wärme und Kälte, die durch folgende Kombination gekennzeichnet ist: eine externe Wärmequelle, wenigstens eine erste und eine zweite Gruppe, die mit verschiedenen Feststoffadsorptionsmittel/ Kältefluid-Stoffpaaren betrieben werden und jeweils wenigstens zwei Reaktoren aufweisen, in denen dasselbe feste Adsorptionsmittel enthalten ist, ein Kondensator sowie ein Verdampfer, wobei die Reaktoren der ersten Gruppe abwechselnd an die externe Wärmequelle angekoppelt werden und die aus der ersten Gruppe gewonnene Wärme dazu dient, abwechselnd die Reaktoren der zweiten Gruppe zu beheizen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Blockdarstellung der Vorrichtung;
Fig. 2 ein die Einzelheiten einer Ausführungsform der Vorrichtung zeigendes Schema;
Fig. 3, 4 und 5 drei Stufen eines Betriebszyklus der ersten Gruppe von Reaktoren einer solchen Vorrichtung.
In den verschiedenen Figuren sind die einander entsprechenden Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ferner handelt es sich bei allen in der Beschreibung erwähnten und in der Zeichnung gezeigten Ventilen um Dreiwegventile.
Zu der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist zunächst anzumerken, daß die Anzahl von Reaktorgruppen verändert werden kann, diese Anzahl jedoch nicht kleiner als 2 sein darf, so daß also diese Vorrichtung wenigstens zwei Gruppen aufweist, die mit verschiedenen Feststoffadsorptionsmittel/Kältefluid- Stoffpaaren arbeiten.
Eine Wärmequelle 10, die später auch als Heizkessel bezeichnet wird und aus verschiedenen Energiequellen je nach den wirtschaftlichen Verhältnissen gespeist werden kann, beispielsweise Gas und/oder Elektrizität, ist über eine Verbindung 5 an eine erste Gruppe 1 angekoppelt, die wenigstens zwei Reaktoren umfaßt, einen Verdampfer und einen Kondensator, und mit einem ersten Feststoffadsorptionsmittel/ Kältefluid-Stoffpaar arbeitet. Diese Gruppe 1 ist über einen Kreis 8 an eine zweite Gruppe 2 angekoppelt, die wenigstens zwei Reaktoren, nämlich einen Verdampfer und einen Kondensator, umfaßt und mit einem zweiten Feststoffadsorptionsmittel/Kältefluid-Stoffpaar arbeitet, das verschieden von dem erstgenannten Stoffpaar ist. Die Gruppe 1 ist ferner über einen Kreis 9 und ein Ventil V 17 mit einer Wärmespeichervorrichtung 4 verbunden.
Wenn eine weitere Wärmespeichervorrichtung 3 vorgesehen ist, so ist die Gruppe 1 an sie über einen Kreis 17 angekoppelt, wobei dann die Wärmespeichervorrichtung 3 die Wärmequelle für die Gruppe 2 bildet, womit sie über einen Kreis 29 gekoppelt ist, wobei gegebenenfalls eine weitere Kopplung über den Kreis 9 und das Ventil V 17 erfolgen kann.
Wenn die Wärmespeichervorrichtung 3 nicht vorhanden ist, so ist die Gruppe 1 direkt an die Gruppe 2 über die Kreise 17 und 29 angekoppelt, die dann miteinander verbunden sind, um die von der Gruppe 1 abgegebene Wärme der Gruppe 2 zuzuführen.
Die Gruppe 2 ist über einen Kreis 27 an die Speichervorrichtung 4 angekoppelt.
Die von der Vorrichtung erzeugte Wärme wird an der Wärmespeichervorrichtung 4 über einen Verbraucherkreis 6 abgenommen, während die Kälte über einen Kreis 7 am Verdampfer der Gruppe 2 abgenommen wird.
Die Funktion der Vorrichtung wird durch eine Steuerautomatik 30 gesteuert.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 im einzelnen beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, wobei insbesondere die Anzahl von Reaktoren jeder Gruppe verändert werden kann, wobei es sich jedoch versteht, daß sie nicht kleiner als 2 sein darf, damit die Reaktoren abwechselnd betrieben werden können.
Bei dieser Ausführungsform ist auch die Wärmespeichervorrichtung 3 vorgesehen, um eine möglichst vollständige Ausführungsform zu beschreiben. Eine solche Wärmespeichervorrichtung ist aber für den Betrieb der Vorrichtung nicht unbedingt erforderlich.
Zunächst wird daran erinnert, daß ein Hauptvorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung darin besteht, daß sie an die Temperaturbedürfnisse des jeweiligen Benutzers angepaßt werden kann.
Zu diesem Zweck kann unter Beibehaltung der allgemeinen Struktur der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung die Anzahl von Reaktoren in jeder Gruppe an die jeweiligen Bedürfnisse angepaßt werden, die in den Gruppen 1 und 2 verwendeten Feststoffadsorptionsmittel/Kältefluid-Stoffpaare können in geeigneter Weise gewählt werden, und auch die Betriebspunkte können in Abhängigkeit von den gewünschten Verschiedenen Temperaturniveaus gewählt werden.
Allgemein gilt, daß die Kälte an den Verdampfern erzeugt wird und die Wärme an den Kondensatoren und Reaktoren.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ist für die Erzeugung von Kälte bei -10°C und Wärme bei 70°C ausgelegt.
Zu diesem Zweck handelt es sich bei dem Feststoffadsorptionsmittel/ Kältefluid-Stoffpaar der ersten Gruppe um Zeolith/ Wasser, während in der zweiten Gruppe Aktivkohle/Methanol verwendet wird.
Der Heizkessel 10 erhitzt ein Wärmeträgerfluid, beispielsweise ein Öl, welches in dem Kreis 5 bei einer Temperatur von etwa 300°C zirkuliert.
Mit den Bezugszahlen 11 und 12 sind zwei Reaktoren bezeichnet, die Zeolith enthalten und worin das Wärmeträgerfluid abwechselnd über den Kreis 5 zirkuliert, welcher den Reaktor 11 bzw. 12 über das Ventil V 11 bzw. V 12 an den Heizkessel 10 ankoppelt, während die Reaktoren 11, 12 ferner über ein weiteres Wärmeträgerfluid in einem Kreis 17 und über die Ventile V 15 bzw. V 16 mit der Wärmespeichervorrichtung 3 gekoppelt sind.
Jeder Reaktor 11, 12 ist mit einem Kondensator 13 über einen Kreis 15 und ein Ventil V 13 bzw. mit einem Verdampfer 14 über einen Kreis 16 und ein Ventil V 14 gekoppelt. Der Kondensator 13 ist mit dem Verdampfer 14 über den Kreis 18 verbunden. In den Kreisen 15, 16 und 18 zirkuliert das dem Zeolith zugeordnete Wasser.
Die Gruppe 2 enthält hier dieselben Elemente wie die Gruppe 1, wobei die Bezugszahlen 21 bis 28 sowie V 21 bis V 26 diejenigen Elemente bezeichnen, die mit den Bezugszahlen 11 bis 18 bzw. V 11 bis V 16 bezeichnet sind.
Die Reaktoren 21 und 22 der Gruppe 2 enthalten, wie bereits erwähnt, Aktivkohle, und in den Kreisen 25, 26 und 28 zirkuliert das der Aktivkohle zugeordnete Methanol
Die Wärmespeichervorrichtung 4 hat für die Gruppe 2 dieselbe Funktion wie die Wärmespeichervorrichtung 3 für die Gruppe 1, und der Kreis 29 sowie die Wärmespeichervorrichtung 3 haben für die Gruppe 2 dieselbe Funktion wie der Heizkessel 10 und der Kreis 5.
Die am Kondensator 13 abgenommene Wärme wird über den Kreis 9 und das Ventil V 17 der Wärmespeichervorrichtung 3 bzw. 4 zugeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels des Kreises 8 während gewisser Betriebsphasen die am Verdampfer 14 abgenommene Kälte dem Kondensator 23 zugeführt.
Die erzeugte Wärme beheizt Wasser in der Wärmespeichervorrichtung 4, woraus es dann über den Verbraucherkreis 6 entnommen wird. Die Kälte wird über den Kreis 7 am Verdampfer 24 abgenommen.
Die Umsteuerung der Ventile V 11 bis V 17 sowie V 21 bis V 26 wird durch die Steuerautomatik 30 gesteuert, deren Anschlüsse nicht dargestellt sind.
Es wird nun beschrieben, wie im Inneren der Vorrichtung die Erzeugung von Wärme und Kälte gesteuert wird. Hierzu wird zunächst die Betriebsweise der Gruppe 1 unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 beschrieben. Sie umfaßt drei Stufen.
Stufe 1: Reaktor 11 mit Desorptionsbetrieb und Reaktor 12 im Adsorptionsbetrieb (Fig. 3)
Das in dem geschlossenen Kreis 5 zirkulierende Wärmeträgerfluid wird in dem Heizkessel 10 erwärmt, durchquert den Reaktor 11 und gelangt zu dem Ventil V 12, um von dort zu dem Heizkessel 10 zurückzukehren. Dieser geschlossene Kreis 5, der "Heizkreis", ist durch fett eingezeichnete Linien verdeutlicht.
Das durchströmende Wärmeträgerfluid erwärmt den Zeolith, der Wasserdampf durch Desorption freisetzt. Der Wasserdampf erreicht den Kondensator 13 über den Kreis 15 und das Ventil V 13 und kondensiert dort. Da die Kondensation eine exotherme Reaktion ist, wird das in dem Kreis 9 zirkulierende Fluid beim Durchströmen des Kondensators 13 erwärmt. Das kondensierte Wasser erreicht über einen Kreis 18 den Verdampfer 14, wo er verdampft. Da die Verdampfung eine endotherme Reaktion ist, wird das in dem Kreis 8 strömende Fluid beim Durchgang durch den Verdampfer 14 abgekühlt. Der Wasserdampf erreicht nun den Reaktor 12 über den Kreis 16 und das Ventil V 14 und wird durch den in diesem Reaktor enthaltenen Zeolith absorbiert. Der Kreislauf des dem Zeolith zugeordneten Kältefluids, nämlich Wasser, ist in fetten gestrichelten Linien dargestellt.
Da die Adsorption eine exotherme Reaktion ist, wird das in dem Kreis 17 zirkulierende und den Reaktor 12 über die Ventile V 15 und V 16 durchströmende Fluid beim Durchströmen dieses Reaktors erwärmt. Der Wärmerückgewinnungskreis ist durch feine gestrichelte Linien dargestellt.
Wenn der in dem Reaktor 11 enthaltene Zeolith beinahe vollständig desorbiert ist, werden die Ventile V 11 bis V 16 umgeschaltet, um auf die zweite Stufe umzuschalten, deren Bedeutung in der FR-PS 24 65 970 beschrieben ist, damit die Adsorptionsphase beendet wird, wenn ihr Wirkungsgrad zu gering wird.
Eine plötzliche Umschaltung des Zyklus führt nämlich zu Wärmeverlusten, die eine Verminderung der Güteziffer nach sich ziehen. Daher wird in der oben genannten Druckschrift vorgeschlagen, eine Zwischenstufe einzufügen, die nun beschrieben wird.
Stufe 2: Zwischenstufe (Fig. 4)
Die Ventile V 15 und V 16 werden so umgeschaltet, daß das in dem Kreis 17 zirkulierende Fluid die beiden Reaktoren 11 und 12 durchquert. Dieser Fluidkreislauf ist gestrichelt dargestellt. Durch diese Fluidströmung wird ein Teil der beträchtlichen Wärme, die von der Abkühlung des Reaktors 11 herrührt, und auch ein Teil der latenten Adsorptionswärme zum Reaktor 12 geführt. Dieser Reaktor 12 wird also zunächst erwärmt, wobei eine partielle Desorption stattfindet, ohne daß externe Energie zugeführt wird, wodurch die Güteziffer der Vorrichtung gesteigert wird.
Wenn die Temperatur des Zeoliths in dem Reaktor 12 annähernd gleich der des Zeoliths in dem Reaktor 11 ist, werden die Ventile V 11 bis V 16 umgeschaltet, um den Zyklus gegenüber der ersten Stufe zu invertieren und auf die dritte Stufe überzugehen.
Stufe 3: Reaktor 11 im Adsorptionsbetrieb und Reaktor 12 im Desorptionsbetrieb (Fig. 5).
Das Wärmeträgerfluid strömt in dem Kreis 5 vom Heizkessel 10 über das Ventil V 11, durchquert, den Reaktor 12, gelangt zum Ventil V 12 und kehrt zum Heizkessel 10 zurück. Der Heizkreis 5 ist in fetten gestrichelten Linien dargestellt.
Das von dem Reaktor 12 ausgehende Kältefluid erreicht den Kondensator 13 über das Ventil V 13 und den Kreis 15, dringt dann in den Verdampfer 14 über den Kreis 18 ein und wird über das Ventil V 14 und den Kreis 16 zum Reaktor 11 zurückgeführt. Der Kreislauf des Kältefluids ist in fetten gestrichelten Linien dargestellt.
Das in dem Kreis 17 zirkulierende Wärmerückgewinnungsfluid durchquert den Reaktor 11 und strömt über die Ventile V 15 und V 16. Der Wärmerückgewinnungskreis ist in feinen gestrichelten Linien dargestellt.
Das in dem Kreis 9 zirkulierende Fluid wird beim Durchgang durch den Kondensator 13 erwärmt, während das im Kreis 9 zirkulierende Fluid beim Durchgang durch den Verdampfer 14 abgekühlt wird.
Die Funktionsweise ist dieselbe wie in der ersten Stufe.
Aus der obigen Beschreibung der Arbeitsweise der Gruppe 1 ergibt sich, daß ausgehend von der durch den Heizkessel 10 gelieferten Wärme, durch die das Wärmeträgerfluid beispielsweise auf eine Temperatur von 300°C erwärmt wird:
- Wärme erzeugt wird:
· nämlich abwechselnd an den Reaktoren 11 und 12, wobei diese Wärme in die Wärmespeichervorrichtung 3 mittels des in dem Kreis 17 zirkulierenden Fluids, dessen Temperatur etwa zwischen 170°C und 120°C liegt, überführt wird;
· und im Bereich des Kondensators 13, wobei diese Wärme über das in dem Kreis 9 zirkulierende Fluid übertragen wird, und zwar einerseits zur Wärmespeichervorrichtung 3, wenn die Temperatur des Fluids größer als 120°C ist, und andererseits in die Wärmespeichervorrichtung 4, wenn die Temperatur des Fluids zwischen etwa 120°C und 70°C liegt; - Kälte am Verdampfer 14 erzeugt wird, wobei diese Kälte dem Kondensator 23 der Gruppe 2 zugeführt wird, um ihn über das in dem Kreis 8 zirkulierende Fluid, dessen Temperatur zwischen etwa 20 und 40°C liegt, abzukühlen.
Die Arbeitsweise der zweiten Gruppe 2 stimmt völlig mit der der Gruppe 1 überein, und die Wärmespeichervorrichtung 3 hat dieselbe Funktion wie der Heizkessel 10, erwärmt jedoch das Wärmeträgerfluid, welches in dem Kreis 29 zirkuliert, dessen Struktur dieselbe wie die des Kreises 5 ist, bei einer Temperatur in der Größenordnung von 120°C, die ausreicht, um die Desorption der Aktivkohle zu gewährleisten, jedoch nicht zu hoch ist, damit eine partielle Zersetzung des Methanols vermieden wird.
In der Speichervorrichtung 4, welche dieselbe Funktion wie die Wärmespeichervorrichtung 3 erfüllt, wird das für den Verbraucherkreis verfügbare Wasser auf eine Temperatur von etwa 70°C erwärmt.
Schließlich liefert der Verdampfer 24 zu dem Kreis 7 ein Fluid unter einer Temperatur von etwa -10°C.

Claims (7)

1. Vorrichtung für die kontinuierliche Erzeugung von Wärme und Kälte, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgende Kombination aufweist: eine externe Wärmequelle (10), wenigstens eine erste und eine zweite Gruppe (1, 2), die jeweils mit verschiedenen Feststoffadsorptionsmittel/ Kältefluid-Stoffpaaren betrieben werden sowie jeweils zwei Reaktoren (11, 12; 21, 22) enthalten, die dasselbe Feststoffadsorptionsmittel enthalten, nämlich ein Kondensator (13, 23) und ein Verdampfer (14, 24), wobei die Reaktoren der ersten Gruppe (1) abwechselnd mit der externen Wärmequelle (10) verbunden sind und die an der ersten Gruppe (1) abgenommene Wärme zur abwechselnden Beheizung der Reaktoren der zweiten Gruppe (2) dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an wenigstens einem Verdampfer (14) der ersten Gruppe (1) abgenommene Kälte wenigstens einem Kondensator (23) der zweiten Gruppe (2) zugeführt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Kreis (17) aufweist, welcher die Reaktoren der ersten Gruppe (1) durchquert und durch den die während der Adsorptionsphasen gelieferte Wärme abgenommen wird, in Verbindung mit einem zweiten Kreis (29), welcher die Reaktoren der zweiten Gruppe (2) durchquert, so daß diese abwechselnd beheizt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Kreis (17, 29) miteinander verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wärmespeichervorrichtung (3) umfaßt, die zwischen dem ersten Kreis (17) und dem zweiten Kreis (29) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wärmespeichervorrichtung (4) aufweist, die an einen dritten Kreis (27) angeschlossen ist, welcher die Reaktoren der zweiten Gruppe (2) durchquert und durch den die Energie abgenommen wird, welche während der Adsorptionsphasen geliefert wird, wobei die von der Vorrichtung abgegebene Wärme an einen Verbraucherkreis (6) geliefert wird, der an die Wärmespeichervorrichtung (4) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Vorrichtung abgegebene Kälte an einen Verbraucherkreis (7) geliefert wird, welcher an wenigstens einen Verdampfer (24) der zweiten Gruppe (2) angeschlossen ist.
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