DE4431388C2 - Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie - Google Patents
Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von WärmeenergieInfo
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- F24F2203/026—Absorption - desorption cycle
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufnahme
und Abgabe von Wärmeenergie nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1. Diese Vorrichtung kann wahlweise mit Hilfe verschie
dener Wärmequellen aktiviert und im aktivierten Zustand zu be
liebigen Zeiten ohne weitere Energiezufuhr genutzt werden.
Bekannt sind Vorrichtungen, mit denen Räume oder transportable
Gefäße, Fahrzeuge u. ä. mit Hilfe gekühlter oder erwärmter Luft
auf für den Menschen oder Geräte geeignete Temperaturen gebracht
werden. Neben der grundsätzlich geringen, für die nötige Luftbe
wegung erforderlichen, meist elektrischen Energie entsteht ein
hoher Energiebedarf für Heizung und Kühlung der Raumluft. Bei
spiele für herkömmliche Aggregate zur Klimatisierung sind Ab
sorptions- und Kompressionskältemaschinen, Wärmepumpen und Pel
tierkühler/-heizer.
Es ist ebenfalls allgemein bekannt, daß bestimmte mikroporöse
Festkörper wie Zeolithe, Aktivkohle u. a., bestimmte Stoffe unter
Abgabe von Wärmeenergie adsorbieren und bei Aufnahme von Wärme
energie desorbieren können, wodurch die Möglichkeit der Energie
speicherung über größere Zeiträume gegeben ist. Sind diese Stof
fe geeignete Kältemittel, kann mit Hilfe eines Kühlaggregates
auch Wärme entzogen werden. Ähnliche Prozesse laufen auch bei
der Absorption und der Chemisorption sowie physikalischen Zu
standsänderungen (z. B. Eis-Wasser-Dampf) ab. Diese Möglichkeit
der Energiespeicherung kann ebenfalls zur Klimatisierung von
Räumen, Gefäßen usw. genutzt werden.
Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch eine Vielzahl von
Veröffentlichungen zur Speicherung von thermischer Energie unter
Verwendung von Zeolithen und anderen mikroporösen Festkörpern.
So wird in DE 41 26 960 A1 ein Sorptionsapparat zum Kühlen und/
oder Heizen beschrieben, mit dessen Hilfe entweder Verdampfungs
wärme aufgenommen oder Sorptionswärme abgegeben werden kann. In
EP 0 091 095 A2 ist dieses Grundprinzip besonders anschaulich
dargestellt. Allen bekannten Anordnungen ist gemeinsam, daß ent
weder die beim Sorptionsprozeß entstehende Wärme und/oder die
gleichzeitig entstehende Verdampfungswärme voneinander getrennt
genutzt werden. Das ist aus energetischen Gründen auch sinnvoll,
da somit beispielsweise die Verdampfungswärme des verwendeten
fluiden Mediums der Umwelt entzogen werden und deshalb die aus
nutzbare Energie bzw. Wärmemenge um den Betrag der Verdampfungs-
bzw. Kondensationswärme größer sein kann.
In Firmenschriften (vgl. Fa. Zeo-Tech GmbH: Zeolith Kühl-Boiler)
werden die Eigenschaften ausführlich dargestellt. Eine kurze
wertende Übersicht zur Kälteanwendung findet sich in Wirt
schaftsWoche Nr. 28/1994, S. 88. Darüber hinaus liegt umfangreiche
wissenschaftliche Literatur vor, wie z. B. Passos u. a.: "Simula
tion of an Intermittent Adsorptive Solar Cooling System", Solar
Energy, 42 (2), 103 (1989).
Allen Systemen gemeinsam ist das Bemühen um eine möglichst opti
mierte Wärmeaufnahme durch Vermeidung von Wärmeleitungs- und
Strahlungsverlusten. Zur Kühlung vornehmlich durch die Verdamp
fungswärme verschiedenster Stoffe sind Veröffentlichungen be
kannt, die teilweise auch die Sorption dieser Stoffe, beispiels
weise Ammoniak, Wasser oder verschiedene FCKW auch an mikroporö
sen Festkörpern behandeln. Verschiedenste Konstruktionen mit ei
ner Vielzahl von Wirkprinzipien sind schon bei Planck/Kupria
noff: Die Kleinkältemaschine, Springer Verlag, Berlin, Göttin
gen, Heidelberg, 1960 S. 256, 322, 505 ff. zu finden.
Für einen speziellen Anwendungsfall ist mit DE 28 46 139 A1 ein
"Verfahren mit Kühlsystem zur Körperkühlung und ein Wärmeschutz
anzug dazu" bekannt. Wie auch bei DE-OS 14 35 981 wird die Kühl
wirkung durch die Verdampfungswärme einer geeignet an einem
Schutzanzug deponierten Flüssigkeit erreicht. Dabei kann sowohl
eine Flüssigkeit als auch Luft den Abtransport der Körperwärme
übernehmen.
Zum Stand der Technik gehört ebenfalls die in der Zeitschrift
"Luft- und Kältetechnik" 1991/3, S. 127 bis 132 beschriebene An
ordnung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen,
die es gestattet, unter Ausnutzung von Adsorptions- und Desorp
tionsprozessen eines geeigneten Kältemittels an einem Speicher
medium, ohne weitere Energiezufuhr die Klimatisierung eines Rau
mes über einen längeren Zeitraum zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Aufnahme und Abga
be von Wärmeenergie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge
löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird anhand des in Fig. 1 dargestellten Schemas
näher erläutert.
Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur Raumklimatisierung
aus einem abgeschlossenen Raum 5, der mit den Wärmetauschern 3;
7 in einem von einem Ventilator 2 betriebenen lufttechnischen
System in Reihe betrieben wird. Wärmetauscher 3 ist mit einem
Verdampfer 4, d. h. mit einer Kühlvorrichtung, verbunden und Wär
metauscher 7 mit einem Wärmespeicher 6, der seinerseits ein Me
dium zur Wärmespeicherung enthält. Die Komponenten 2 bis 7 be
finden sich dazu in einem gemeinsamen Gehäuse 1.
Als Medium zur Wärmespeicherung werden vorzugsweise mikroporöse
Festkörper, insbesondere Zeolithe, eingesetzt, wobei jedoch auch
andere bekannte, geeignete Medien verwendet werden können.
Die vakuumdichte Verbindung zwischen Verdampfer 4 und Wärmespei
cher 6 erfolgt über das von einer geeigneten elektronischen Vor
richtung 8 gesteuerte Ventil 15. Temperaturmeßvorrichtungen und
Luftmengenregulierung sind nicht dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise zur Nutzung
von zeitlich versetzt vorliegender Fahrzeugabwärme oder über
schüssiger elektrischer Energie, wie sie beispielsweise bei der
Bremsung von Fahrzeugen anfällt, vorgesehen. Zu diesem Zweck
kann der Wärmespeicher 6 auf Temperaturen bis zu 350°C erwärmt
werden, wobei auf an sich bekannte Weise das adsorbierte fluide
Medium desorbiert wird und entweder bei geöffnetem Ventil 15 im
Verdampfer 4 kondensiert oder durch Öffnung eines Ventils 9 im
Kondensator 10 kondensiert und im Kondensatbehälter 11 gelagert
wird. Nach Unterbrechung der externen Energiezufuhr ist die Vor
richtung bei dann geschlossenen Ventilen 9 und 15 geladen und
kann bis auf Umgebungstemperatur abkühlen.
Zu einem anschließenden beliebigen Zeitpunkt wird durch Öffnen
des Ventils 15 der umgekehrte Vorgang eingeleitet.
Entsprechend der im Wärmespeicher 6 in der Zeiteinheit adsor
bierten Stoffmenge, die dort ihre Kondensationswärme und die
stoffspezifische Adsorptionswärme abgibt und an den entsprechen
den Wärmeübertrager 7 weitergibt, wird im Verdampfer 4 die zur
Kondensationswärme analoge Verdampfungswärme der vom Ventilator
2 auf den Wärmeübertrager 3 gerichteten Luft entzogen. Dieser
Vorgang kann besonders vorteilhaft dadurch gesteuert werden, daß
sich im Kondensatbehälter 11 befindliches Kondensat, beispiels
weise Wasser, über das aus den Elementen Rückschlagventile 12;
13 und Einspritzpumpe 14 bestehende elektronisch angesteuerte
Einspritzsystem in den Verdampfer 4 eingespritzt wird. Insbeson
dere bei der wegen der besonders hohen Verdampfungswärme vorzu
ziehenden Verwendung von Wasser wird auf diese Weise ein Ein
frieren und damit erschwertes Verdampfen im Verdampfer 4 vermie
den. Die durch Konvektion am Wärmetauscher 3 abgekühlte Luft
dient zur Kühlung des abgeschlossenen Gefäßes 5. Die nach Pas
sieren des Gefäßes 5 erwärmte Luft wird über den Wärmeübertra
ger 7 geleitet und kühlt diesen soweit ab, daß eine möglichst
große Adsorptionskapazität des Wärmespeichers 6 erreicht wird.
Die Umkehrung des Luftstromes und entsprechend sinnvolle Steue
rung der Elemente 8 bis 15 kann zur Erwärmung des Raumes 1 ge
nutzt werden und dabei durch die Nutzung der Abluft des Gefä
ßes 5 die temperaturabhängige Verdampfungsgeschwindigkeit des
fluiden Mediums im Verdampfer 4 erhöhen, was wiederum zur Erhö
hung der Temperatur des Wärmespeichers 6 führt.
Die beschriebene Vorrichtung kann stationär, beispielsweise zur
Klimatisierung von Fahrzeugen zu beliebigen Zeiten ohne wesent
liche Energiezufuhr als lediglich die für die elektronische
Steuerung und die Luftbewegung erforderliche Energie eingesetzt
werden. Ebenfalls möglich ist der Einsatz für die Klimatisie
rung, hier insbesondere die Kühlung transportabler Gefäße wie
beispielsweise Schutzanzüge, bei der Medizintechnik und ähnli
chem.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird an ei
nem Beispiel näher erläutert.
Zum Zwecke der Nutzung in Verbindung mit einem Schutzanzug ist
hier die erfindungsgemäße Vorrichtung tragbar ausgebildet. Unter
der Annahme, daß der Mensch unter körperlicher Belastung eine
Eigenwärmeleistung von etwa 200 W aufweist und bei Verwendung
von Wasser als fluidem Medium, ist es möglich, durch den Ver
dampfer 4 der Luft diese Wärmemenge über beispielsweise etwa 3
Stunden zu entziehen, wenn in dieser Zeit etwa 1 Liter Wasser
mit einer spezifischen Verdampfungswärme von 0,627 kWh/l ver
dampft und im Wärmespeicher 6 adsorbiert wird. Dies wird dadurch
ermöglicht, daß sich je nach den speziellen Parametern der ver
wendeten Stoffe etwa 5 kg, beispielsweise Zeolith, im Wärmespei
cher 6 befinden. Gleichzeitig werden in diesem Beispiel etwa 1
bis 1,5 kWh Wärmeenergie über den Wärmeübertrager 7 an die Ab
luft abgegeben. Für die Kühlung der sich sonst unter Verringe
rung ihrer Adsorptionskapazität auf Temperaturen weit über
100°C erwärmenden Zeolithe im Wärmespeicher 6 wird die im Ge
fäß 5 auf in diesem Beispiel höchstens 30 bis 35°C erwärmte
Luft verwendet. Sinngemäß ist die Umkehrung des Luftstromes zur
Erwärmung des Gefäßes 5 geeignet und dessen Abluft dient nunmehr
der schnelleren Verdampfung im Verdampfer 4, wenn sie Wärme im
Wärmeübertrager 3 abgibt. Der dadurch höhere Dampfdruck ermög
licht eine schnellere und besser steuerbare Erwärmung des das
Gefäß 5 erwärmenden Luftstroms.
Eine optimierte technische Anordnung unter Verwendung dieses
Prinzips kann mit einer Gesamtmasse von etwa 10 kg auskommen und
ermöglicht einem damit ausgestatteten Menschen das Überleben in
heißer und bei Kombination mit geeigneten Filtern auch kontami
nierter Luft über einen längeren Zeitraum.
1
Gehäuse
2
Ventilator
3
Wärmetauscher
4
Verdampfer
5
Gefäß
6
Wärmespeicher
7
Wärmetauscher
8
Elektronische Steuerung
9
Ventil
10
Kondensator
11
Kondensatbehälter
12
Rückschlagventil
13
Rückschlagventil
14
Einspritzpumpe
15
Ventil
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie in einem
Gehäuse, das mit einem abgeschlossenen Gefäß verbunden ist, wel
ches sich in Reihe mit einem Ventilator, einem als Kühlaggregat
dienenden Verdampfer mit Wärmetauscher und einem als Adsorber
oder Absorber dienenden Wärmespeicher mit Wärmetauscher befindet,
wobei der Verdampfer und der Wärmetauscher vakuumdicht über ein
Ventil miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß
der Verdampfer (4) und der Wärmetauscher (6) neben dem Ventil
(15) mit einem weiteren Ventil (9), einem Kondensator (10) und
einem Kondensatbehälter (11) ausgestattet sind sowie die als Kon
densateinspritzanlage fungierende Kombination zwei Rückschlagven
tile (12; 13), eine elektronische Steuerung (8) und eine Ein
spritzpumpe (14) umfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
sich im Wärmespeicher (6) befindende Medium zur Wärmespeicherung
aus mikroporösen Festkörpern, insbesondere einem oder mehreren
Zeolithen, besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das mit dem Gehäuse (1) verbundene Gefäß (5) ein zu klimatisie
render ortsfester oder beweglicher Raum ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gefäß (5) ein Schutzanzug ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die sensible Wärme des Verdampfers (7) und des Wärmespeichers (6)
ebenfalls zur Klimatisierung herangezogen werden.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944431388 DE4431388C2 (de) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4431388A1 DE4431388A1 (de) | 1996-05-15 |
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ID=6527322
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944431388 Expired - Fee Related DE4431388C2 (de) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | Vorrichtung zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4431388C2 (de) |
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EP0091095A2 (de) * | 1982-04-05 | 1983-10-12 | Schiedel GmbH & Co. | Speicherheizanlage mit Sorptionsspeicher |
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1994
- 1994-08-25 DE DE19944431388 patent/DE4431388C2/de not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
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---|---|
DE4431388A1 (de) | 1996-05-15 |
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