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Die Erfindung betrifft ein Behältnis zur Ausbildung eines Wärmezwischenspeichers sowie eine Reaktor-Anordnung mit zwei thermochemischen Reaktoren und mit einem solchen Behältnis.
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Thermochemisch angetriebene Sorptions-Kälteanlagen besitzen ein hohes Energieeinsparungspotenzial, da als Antriebsenergie kostengünstige Ab- oder Überschusswärme genutzt wird und auf diese Weise die elektrischen Netze besonders in warmen Zeit- und Klimazonen mit hohem Kältebedarf entlastet werden. In der kalten Jahreszeit lassen sich die Anlagen auch als Wärmepumpen nutzen, die mittels Brennerwärme zusätzliche Umweltwärme auf ein für Heizzwecke ausreichendes Temperaturniveau heben.
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Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, bei denen poröse Feststoffe zum Einsatz kommen, die ein Arbeitsmittel reversibel ad- und desorbieren können und die keine bewegten und damit störanfälligen Verschleißteile im Arbeitsmittelbereich besitzen.
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Derartige, auf thermochemischen Prozessen basierende Adsorptionswärmepumpen oder Adsorptionskälteanlagen bestehen bevorzugt aus einzelnen thermochemischen Reaktoren, insbesondere Sorptionsreaktoren, die zeitlich versetzt zwischen einem hohen Desorptionstemperaturniveau und einem niedrigeren Adsorptionstemperaturniveau thermisch zykliert werden, wobei sie zeitversetzt Desorptionswärme aufnehmen und Adsorptionswärme abgeben. Derartige Sorptionsreaktoren als wesentliche Komponenten einer Adsorptionswärmepumpen oder -Kälteanlagen sind z. B. in
DE 10 2014 223 058 A1 und
DE 10 2011 079 586 A1 beschrieben. Sie besitzen gegenüber kontinuierlich arbeitenden Absorptionssystemen jedoch den Nachteil, dass die periodischen Temperaturwechsel aufgrund der zyklierten thermischen Massen zu Effizienzeinbußen führen, die die von der Adsorptionswärmepumpe bzw. Adsorptionskälteanlage erzielte Leistungsdichte bzw. Leistungseffizienz mindern. Diese Nachteile können durch verschiedene diskontinuierliche Wärme-Rückgewinnungskonzepte zwar vermindert werden, jedoch durch vorliegende zeitlich und örtliche Temperaturgradienten nicht in vollem Maße vermieden werden. Außerdem sind diese Konzepte mit Verschiebungen von Massenanteilen des Wärmeträgers zwischen unterschiedlich temperierten Fluidkreisläufen verbunden.
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Es wird also eine Lösung gesucht, die die beim Temperaturwechsel anfallende temperaturgeschichtete Wärme ohne Massenverschiebungen zwischen den unterschiedlich temperierten Fluidkreisläufen zwischenspeichert und unter weitgehender Aufrechterhaltung der Temperaturschichtung für einen zeitversetzten komplementären Temperaturwechsel wiederverwendet. Generell kann die Effizienz von Adsorptionswärmepumpen durch Berücksichtigung der Temperaturniveaus der ein- und ausgespeicherten Wärmen signifikant gesteigert werden.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
DE 10 2006 043 715 A1 eine Adsorptionswärmepumpe, bei welcher ein Schichtwärmespeicher zum Einsatz kommt. Dieser erlaubt eine zeitlich versetzte Abspeicherung und Wiederverwendung von sensibler und latenter Wärme beim Adsorptionszyklus. Derartige Speicher erhalten eine Temperaturschichtung durch die temperaturabhängige Flüssigkeitsdichte aufrecht.
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Klassische Schichtwärmespeicher, wie sie in der Gebäudetechnik bekannt sind, kommen in mobilen Anwendungen hauptsächlich aus Gründen der Baugröße und des Gewichts und der unvollständigen Nutzung der eingespeicherten Fluidmassen kaum in Betracht.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Wärmezwischenspeichern für Sorptionswärmepumpen bzw. Sorptionskälteanlagen, insbesondere mit verbesserter Effizienz, neue Wege aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, als Wärmezwischenspeicher zum Zwischenspeichern eines Wärmeträgerfluids ein Behältnis mit einem Gehäuse zu verwenden, welches zwei fluidisch voneinander getrennte und thermisch zueinander isolierte Teilspeicher mit jeweils variablem Volumen aufweist. Die beiden variablen Teilvolumina werden dabei mithilfe eines aktiv verstellbaren Trennkörpers realisiert, der einen Gehäuseinnenraum des Behältnisses in die beiden Teilspeicher unterteilt. Auf diese Weise kann das Verhältnis der Volumina der beiden Teilspeicher aktiv variiert werden. Dies erlaubt es, je nach Bedarf das Wärmeträgerfluid eines Teilspeichers durch einen ausgewählten thermochemischen Reaktor in den komplementären zweiten Teilspeicher zu schieben und dabei dessen sensible Wärme in Form einer Temperatur-veränderten Fluidmasse für eine spätere Verwendung zwischen zu speichern. Daher eignet sich das hier vorgestellte, erfindungsgemäße Behältnis zur Verwendung in einer Reaktor-Anordnung mit einem oder mehreren thermochemischen Reaktoren, welche mithilfe des Wärmeträgerfluids zyklisch Wärme von einer Wärmequelle aufnehmen und an eine Wärmesenke abgeben kann.
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Mit einer durch die Verstellung des Trennkörpers bewirkten Volumenzunahme des ersten Teilspeichers geht beim erfindungsgemäßen Behältnis eine Volumenabnahme des zweiten Teilspeichers einher, und umgekehrt. Dass die beiden volumen-variablen Teilspeicher zusammen stets das gleiche Gesamtvolumen aufweisen, erleichtert ein Einbringen des Wärmeträgerfluids mit einem geschichteten ersten Temperaturprofil bzw. mit einer geschichteten ersten Temperaturverteilung in den ersten Teilraum ein Abführen des Wärmeträgerfluids mit einem geschichteten zweiten Temperaturprofil bzw. einer geschichteten zweiten Temperaturverteilung aus dem zweiten Teilspeicher, und umgekehrt. Unter „geschichtet“ wird vorliegend verstanden, dass die Temperatur des Wärmeträgerfluids in den beiden Teilspeichern des Behältnisses jeweils von oben nach unten abnimmt. Auf diese Weise können unerwünschte Energieverluste beim thermischen Zyklieren, also beim Umschalten zwischen den beiden Temperaturniveaus von Wärmequelle und Wärmesenke, des thermochemischen Reaktors minimiert werden. Dies führt zu einer verbesserten Effizienz des mit dem erfindungsgemäßen Behältnis zusammenwirkenden Reaktors, insbesondere eines Sorptionsreaktors.
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Durch die aktive Reduzierung des Volumens des ersten Teilspeichers bei gleichzeitiger Vergrößerung des Volumens des zweiten Teilspeichers mittels des Trennkörpers kann darüber hinaus das Wärmeträgerfluid aus dem ersten Teil hinaus gedrückt werden, während gleichzeitig Wärmeträgerfluid in den zweiten Teilspeicher hineingesaugt wird. Umgekehrt wird durch eine aktive Reduzierung des Volumens des zweiten Teilspeichers bei gleichzeitiger Vergrößerung des Volumens des ersten Teilspeichers das Wärmeträgerfluid aus dem zweiten Teilspeicher hinaus gedrückt, während gleichzeitig Wärmeträgerfluid in den ersten Teilspeichers hinein gesaugt wird. Das erfindungsgemäße Behältnis erfüllt also auch die Funktion einer reversiblen Kolbenpumpe, bei welchem der Trennkörper die Funktion des Kolbens übernimmt. Die Bereitstellung einer separaten Förderereinrichtung mit einer typischerweise großen thermischen Masse in einer Reaktor-Anordnung mit dem erfindungsgemäßen Wärmezwischenspeicher, die sich ungünstig auf die Leistungsfähigkeit des Systems auswirken würde, kann somit unterbleiben. Außerdem gehen mit dem Verzicht auf eine solche separate Förderereinrichtung nicht unerhebliche Kostenvorteile bei der Herstellung der Reaktor-Anordnung einher.
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Auf die voranstehend beschriebene Weise kann in einem Teilvolumen gespeichertes Wärmeträgerfluid mit einem bestimmten Temperaturprofil durch den jeweils um zu temperierenden Reaktor hindurch zurück in das komplementäre Teilvolumen des Wärmezwischenspeichers geführt werden, wodurch dieses einen Großteil der sensiblen Wärme des Reaktors aufnimmt.
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Bevorzugt sind die beiden komplementären Teilvolumina des Wärmezwischenspeichers vertikal übereinander angeordnet, und werden auch in vertikaler Richtung befüllt bzw. entleert. Mittels einer solchen Anordnung kann unter Nutzung der stabilisierenden Wirkung des Dichtegradienten eine Temperaturschichtung der zeitlich gleitenden Temperaturen der ein- bzw. ausgebrachten Fluidmassen aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann der Aufheiz- bzw. Abkühlprozess des daran angeschlossenen Reaktors mit weitgehend konstanter Temperaturdifferenz erfolgen.
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Vorteilhafterweise ist die mittlere Temperatur der Fluidmasse im unteren Teilspeichers immer größer als die mittlere Temperatur der Fluidmasse im oberen Teilspeichers, wobei die Temperaturschichtungen des Wärmeträgerfluids in beiden Teilvolumina bzw. Teilspeichern so geartet ist, dass die Temperaturen jeweils von unten nach oben zunehmen. Das bedeutet, dass am Trennkörper die größte Temperaturdifferenz anliegt.
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Ein erfindungsgemäßes Behältnis zur Ausbildung eines Wärmezwischenspeichers umfasst ein einen Gehäuseinnenraum begrenzendes Gehäuse mit vorzugsweise möglichst geringer Wärmekapazität und möglichst geringer axialer Wärmeleitung, wobei im Gehäuseinnenraum ein mittels einer Antriebseinrichtung axial verstellbarer Trennkörper angeordnet ist. Der Trennkörper unterteilt den Gehäuseinnenraum in einen volumen-variablen oberen Teilspeicher und einen thermisch vom oberen Teilspeicher isolierten, ebenfalls volumen-variablen unteren Teilspeicher, der auch fluidisch vom oberen Teilspeicher getrennt ist. Dabei ist der volumen-variable obere Teilspeicher komplementär zum volumen-variablen unteren Teilspeicher ausgebildet, so dass das von den beiden Teilspeichern gebildete Gesamtvolumen konstant ist. Im Gehäuse ist ein oberer Durchlass zum Ein- und Ausleiten eines Wärmeträgerfluids mit einem ersten zeitlich gleitenden Temperaturprofil in den bzw. aus dem oberen Teilspeicher vorhanden, das mit einer ersten lokalen Temperaturschichtung des darin gespeicherten Wärmeträgerfluids korreliert. Im Gehäuse ist ferner ein unterer Durchlass zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids mit einem zweiten zeitlich gleitenden Temperaturprofil in den bzw. aus dem unteren Teilspeicher vorhanden, das mit einer zweiten lokalen Temperaturschichtung des darin gespeicherten Wärmeträgerfluids korreliert . Unter „Temperaturschichtung“ wird vorliegend verstanden, dass die Temperatur des im ersten und zweiten Teilspeicher jeweils vorhandenen Wärmeträgerfluids von unten nach oben zunimmt. Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich dabei auf eine Gebrauchslage des Behältnisses, welche typischerweise durch eine Einbaulage des Behältnisses gegeben ist.
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Erfindungsgemäß ist also der volumen-variable obere Teilspeicher komplementär zum volumen-variablen unteren Teilspeicher ausgebildet, so dass das von den beiden Teilspeichern gebildete Gesamtvolumen konstant ist. Dies erlaubt es, Fluidmassen eines Wärmeträgerfluids mit unterschiedlichen Temperaturprofilen gleichzeitig im Wärmezwischenspeicher aufzunehmen und aus diesem abzuführen, um thermochemische Reaktoren mit weitgehend konstanter treibenden Temperaturdifferenz aufzuheizen und zu einem späteren Zeitpunkt auch wieder abzukühlen. Die jeweilige Richtung der Temperaturschichtungen innerhalb der beiden Teilspeicher mit einer von unten nach oben zunehmenden Temperatur reduziert unerwünschte Konvektionseffekte, die die zeitlichen und räumlichen Temperaturprofile in unerwünschter Weise „verschmieren“ würden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung als Spindeltrieb ausgebildet und umfasst eine im Gehäuseinnenraum angeordnete Gewindestange, welche zum Verstellen des Trennkörpers mit einer am Trennkörper vorgesehenen Gewindemutter zusammenwirkt. Diese Variante erlaubt ein einfaches Verstellen des Trennkörpers im Gehäuseinnenraum, insbesondere von außerhalb des Gehäuseinnenraums. Hierzu kann bevorzugt ein herkömmlicher, mit der Gewindestange antriebsverbundener Elektro-Getriebemotor zum Einsatz kommen.
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Besonders bevorzugt ist das Gehäuse im Wesentlichen als stehender Zylinder ausgebildet und weist eine Umfangswandung sowie einen oberen und einen unteren Gehäusedeckel auf, in welchen der obere bzw. der untere Durchlass angeordnet ist. Diese Variante erfordert besonders wenig Bauraum.
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Zweckmäßig stützt sich der Trennkörper fluiddicht an der Umfangswandung des Gehäuses ab. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass aufgrund von im Behältnis vorhandenen Leckagen Wärmeträgerfluid vom oberen in den unteren Teilspeicher gelangen kann, oder umgekehrt. Zum gleichen Zweck ist die Paarung aus Gewindestange und Gewindemutter so ausgeführt und aufeinander abgestimmt, dass bei einer Druckdifferenz zwischen den beiden Teilspeichern möglichst wenig Wärmeträgerfluid durch das Gewindespiel hindurchtreten kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung, welche einen besonders einfachen Anschluss der beiden Teilspeicher an einen Wärmeträgerfluidkreislauf erlaubt, sind der obere Durchlass in einer Gehäuseoberseite des Gehäuses und der untere Durchlass in einer Gehäuseunterseite des Gehäuses angeordnet. Bei dieser Weiterbildung ist das Trennelement entlang einer axialen Richtung verstellbar, die sich von der Gehäuseunterseite zur Gehäuseoberseite erstreckt. Zweckmäßig ist die axiale Richtung dabei identisch zur Schwerkraftrichtung in einer Gebrauchslage bzw. im Einbauzustand des Behältnisses.
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Besonders bevorzugt ist im oberen Teilspeicher im Abstand zum oberen Durchlass ein fluiddurchlässiger oberer Turbulenzminderer angeordnet, welcher den oberen Teilspeicher in eine dem oberen Durchlass zugewandte obere Fluidaustauschzone und eine dem Trennkörper zugewandte obere Fluidspeicherzone unterteilt. Alternativ oder zusätzlich kann bei dieser bevorzugten Ausführungsform im unteren Teilspeicher im Abstand zum unteren Durchlass ein fluiddurchlässiger unterer Turbulenzminderer angeordnet sein, welcher den unteren Teilspeicher in eine dem unteren Durchlass zugewandte untere Fluidaustauschzone und eine dem Trennkörper zugewandte untere Fluidspeicherzone unterteilt. Besagte Turbulenz-minderer ermöglichen eine besonders konvektionsarme und somit vorteilhafte laminare Befüllung sowie Entleerung der beiden Teilspeicher.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst oder ist der fluiddurchlässige obere Turbulenzminderer eine fluiddurchlässige Membran, ein fluiddurchlässiges Gewebe, das vorzugsweise als Gewebeschicht ausgebildet sein kann, oder eine fluiddurchlässige poröse Platte, bevorzugt mit geringer Wärmekapazität. Besonders bevorzugt ist der obere Turbulenzminderer dabei an einer Innenseite des Gehäuses an diesem befestigt. Alternativ oder zusätzlich umfasst oder ist bei dieser Ausführungsform der fluiddurchlässige untere Turbulenzminderer eine fluiddurchlässige Membran, ein fluiddurchlässiges Gewebe, das vorzugsweise als Gewebeschicht ausgebildet sein kann, oder eine fluiddurchlässige poröse Platte, bevorzugt mit geringer Wärmekapazität. Besonders bevorzugt ist der untere Turbulenzminderer an einer Innenseite des Gehäuses an diesem befestigt.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind der fluiddurchlässige obere Turbulenzminderer sowie, alternativ oder zusätzlich, der fluiddurchlässige untere Turbulenzminderer alternativ oder zusätzlich als Diffusor ausgebildet. Auf diese Weise können die beiden Teilspeicher vor einem zu hohen, konvektionsinduzierendem Impulseintrag des Wärmeträgerfluids beim Einbringen in den Gehäuseinnenraum geschützt werden. Eine unerwünschte Störung der Temperaturschichtung wird auf diese Weise weitgehend, im Idealfall sogar vollständig vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Trennkörper in seiner Struktur und Materialauswahl so ausgeführt, dass der Wärmedurchgang zwischen seiner Unter- und Oberseits durch Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion minimiert ist. Dazu liegt der Trennkörper zur Ausbildung der beiden volumen-variablen Teilspeicher entlang der axialen Richtung bewegbar an einer Innenseite der Umfangswandung des Gehäuses fluiddicht an.
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Bevorzugt sind der Trennkörper und die Umfangswandung magnetisch miteinander gekoppelt, so dass der Trennkörper reibungsarm, im Idealfall reibungsfrei, in axialer Richtung entlang der Umfangswandung geführt werden kann. Besonders bevorzugt ermöglicht die magnetische Kopplung ein berührungsfreies axiales Bewegen des Trennkörpers relativ zur Umfangswandung, wobei geeignete Dichtungsmittel eine unerwünschte Leckage des Wärmeträgerfluids durch einen bei dieser Variante zwischen dem Trennkörper und der Umfangswandung gebildeten Zwischenraum verhindern.
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Zur Minimierung des Wärmedurchgangs zwischen Ober- und Unterseite des Trennkörpers kann dessen Material aus einer Kunststoff-Matrix bestehen oder eine solche Kunststoff-Matrix umfassen, die vorzugsweise Hohlräume aufweist, die mit einem Gas befüllt sind. Zweckmäßig weist die Kunststoff-Matrix eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit auf, um die erforderliche thermische Isolierung zwischen den beiden Teilspeichern sicherzustellen.
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Besonders bevorzugt ist der Trennkörper als thermisch isolierende Trennplatte ausgebildet, deren Flächenerstreckung in einer Ebene senkrecht zur Verstellrichtung des Trennkörpers verläuft, also vorzugsweise senkrecht zur axialen Richtung des Behältnisses bzw. senkrecht zur Schwerkraftrichtung im Gebrauchszustand. Dies erlaubt eine besonders platzsparende Ausbildung des Trennkörpers, insbesondere entlang der Verstellrichtung des Trennkörpers, bzw. der axialen Richtung des Gehäuses.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Reaktor-Anordnung, die insbesondere als Kältemaschine oder Wärmepumpe ausgebildet sein kann. Die Reaktor-Anordnung umfasst ein als Wärmequelle wirkendes erstes Wärmereservoir und ein als Wärmesenke wirkendes zweites Wärmereservoir. Ferner umfasst die Reaktor-Anordnung einen thermisch und fluidisch mit den Wärmereservoirs verbindbaren oder verbundenen ersten und zweiten thermochemischen Reaktor sowie einen Wärmeträgerfluidkreislauf, in welchem ein Wärmeträgerfluid zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs und den beiden thermochemischen Reaktoren angeordnet ist. Des Weiteren ist im Wärmeträgerfluidkreislauf ein vorangehend vorgestelltes Behältnis zum Zwischenspeichern des Wärmeträgerfluids und zum wahlweisen Fördern des Wärmeträgerfluids durch einen jeweils durch Ventilmittel auswählbaren Reaktor angeordnet. Die vorangehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Behältnisses zur Erzielung einer zeitlich gleitenden Temperaturänderung übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße Reaktor-Anordnung. Die Reaktor-Anordnung umfasst ferner ein im Wärmeträgerfluidkreislauf vorgesehenes Ventilsystem, welches wiederum verstellbare Ventileinrichtungen umfasst, mittels welchen der Wärmetransport wahlweise zwischen den beiden Wärmereservoirs, den beiden thermochemischen Reaktoren und dem Wärmezwischenspeicher durch das Wärmeträgerfluid entsprechend den erforderlichen Teilprozessschritten gesteuert werden kann. Schließlich umfasst die Reaktor-Anordnung eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung zum Steuern des Ventilsystems und des im Behältnis vorgesehenen Trennkörpers.
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Bevorzugt ist in dem Wärmeträgerfluidkreislauf der Reaktor-Anordnung keine Fördereinrichtung zum Einleiten oder/und Ausleiten des Wärmeträgerfluids in den oberen/unteren Teilspeicher oder aus dem oberen/unteren Teilspeicher vorhanden. Ein Verzicht auf eine derart ausgebildete Fördereinrichtung ist möglich, da der angetriebene Trennkörper des Wärmezwischenspeichers die Aktivierung eines sehr kleinen, mittels des Ventilsystems aktivierbaren Zweiges des Fluidführungssystems ermöglicht, welches keine Pumpe mit großer thermischer Masse enthält. Ein Verzicht auf eine solche Fördereinrichtung, deren Funktion vom Trennkörper des Behältnisses, also vom Wärmezwischenspeicher übernommen wird, steigert die Effizienz der Anordnung, da die thermische Masse einer solchen Fördereinrichtung klein gehalten werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Behältnisses,
- 2 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Reaktor-Anordnung mit einem Behältnis gemäß 1 in einem Temperaturwechselmodus.
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Die 1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Behältnisses 1 zur Ausbildung eines Wärmezwischenspeichers 25. Das Behältnis 1 umfasst ein Gehäuse 2, welches einen Gehäuseinnenraum 3 begrenzt. Das Gehäuse 2 kann wie in 1 schematisch angedeutet im Wesentlichen als stehender Zylinder ausgebildet sein und eine zylindrische Umfangswandung 16 sowie einen oberen und einen unteren Gehäusedeckel 12a, 12b aufweisen. Im Beispiel der 1 komplettieren die beiden Gehäusedeckel 12a, 12b die Umfangswandung 16 zum Gehäuse 2. Durch eine Mittellängsachse M der zylindrischen Umfangswandung 16 wird hierbei eine axiale Richtung A des Behältnisses 1 bzw. des Gehäuses 2 definiert.
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Im Gehäuseinnenraum 3 ist ein entlang der axialen Richtung A zwischen einer oberen Endposition 14a und einer unteren Endposition 14b verstellbarer Trennkörper 4 angeordnet. Zur Ausbildung bzw. Begrenzung der beiden volumen-variablen Teilspeicher 5a, 5b liegt der Trennkörper 4 entlang der axialen Richtung A bewegbar an einer Innenseite 17 der Umfangswandung 16 des Gehäuses 2 an. Der Trennkörper 4 unterteilt den Gehäuseinnenraum 3 in einen volumen-variablen oberen Teilspeicher 5a und in einen thermisch und fluidisch vom oberen Teilspeicher 5a getrennten, ebenfalls volumen-variablen unteren Teilspeicher 5b. „Thermisch getrennt“ bedeutet dabei, dass die Wärmeübertragung zwischen den beiden Teilspeichern 5a, 5b durch den Trennkörper 4 hindurch auf ein Mindestmaß reduziert ist. Das Material des Trennkörpers 4 kann daher ein Kunststoff mit möglichst geringer Wärmeleifähigkeit sein. Besonders eignet sich eine Kunststoff-Matrix, die vorzugsweise Hohlräume aufweist, welche mit einem Gas befüllt sind. Auf diese Weise wird ein Trennkörper 4 mit geringer thermischer Leitfähigkeit realisiert, der auch die erforderliche mechanische Steifigkeit besitzt.
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Der obere Teilspeicher 5a wird mittels des Trennkörpers 4 fluidisch vom unteren Teilspeicher 5b getrennt. Der obere Teilspeicher 5a ist im Gehäuseinnenraum 3 oberhalb des unteren Teilspeichers 5b angeordnet. Die Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich dabei auf eine Gebrauchslage des Behältnisses 1, welche typischerweise durch seine betriebsmäßige Einbaulage gegeben ist. Der volumen-variable obere Teilspeicher 5a ist dabei komplementär zum volumen-variablen unteren Teilspeicher 5b ausgebildet, so dass das von den beiden Teilspeichern 5a, 5b gebildete Gesamtvolumen unabhängig von der momentan eingestellten Verstellposition des Trennkörpers 4 stets konstant bleibt. Der untere Teilspeicher 5b ergänzt also unabhängig von der momentanen Position des verstellbaren Trennkörpers 4 den oberen Teilspeicher 4a zum Gehäuseinnenraum 3.
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Wie 1 außerdem erkennen lässt, ist im oberen Gehäusedeckel 12a des Gehäuses 2 ein oberer Durchlass 6a zum Ein- und Ausleiten eines Wärmeträgerfluids F mit einem geschichteten ersten Temperaturprofil TP1 in den bzw. aus dem oberen Teilspeicher 5a vorgesehen. In analoger Weise ist im unteren Gehäusedeckel 12b des Gehäuses 2 ein unterer Durchlass 6b zum Ein- und Ausleiten des Wärmeträgerfluids F mit einem geschichteten zweiten Temperaturprofil TP2 in den bzw. aus dem unteren Teilspeicher 6b vorgesehen. Der im Gehäuseinnenraum 3 angeordnete Trennkörper 4 kann hierbei mittels einer Antriebseinrichtung 18 entlang der axialen Richtung A verstellt werden. Hierzu kann die Antriebseinrichtung 18 beispielsweise als Spindelantrieb 19 ausgebildet sein, der eine im Gehäuseinnenraum 3 angeordneten und sich entlang der axialen Richtung A erstreckenden Gewindestange 20 umfasst. Die Gewindestange 20 wirkt zum Verstellen des Trennkörpers 4 mit einer am Trennkörper 4 vorgesehenen Gewindemutter 21 zusammen. Die Paarung aus Gewindestange 20 und Gewindemutter 21 ist konstruktiv so ausgelegt, dass eine hohe Fluiddichtigkeit erzielt wird. Eine Drehbewegung der Gewindestange 20 um ihre Längsachse L führt somit zu einer Bewegung des Trennkörpers 4 entlang der axialen Richtung A. Die Gewindestange 20 kann wie in 1 gezeigt durch den oberen Gehäusedeckel 12a hindurch über Wellendichtungen (in den Figuren nicht gezeigt) nach außen aus dem Gehäuseinnenraum 3 herausgeführt sein. Dies erlaubt es, einen Elektromotor 22 oder eine andere geeignete - elektrische oder nicht-elektrische - Antriebseinheit zum Antreiben der Gewindestange 20 außerhalb des Gehäuseinnenraums 3 zu platzieren.
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Für die fluidische Trennung der beiden Teilräume 5a, 5b voneinander stützt sich der Trennkörper 4 unter Verwendung geeigneter, hier nicht näher erläuterter Dichtmittel fluiddicht an der Umfangswandung 16 des Gehäuses 2 ab. Der Trennkörper 4 ist zweckmäßig als thermisch isolierende Trennplatte 23 ausgeführt, deren Flächenerstreckung in einer Ebene E senkrecht zur Verstellrichtung des Trennkörpers 4, im Beispielszenario also senkrecht zur axialen Richtung A des Behältnisses 1, angeordnet ist.
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Gemäß 1 ist der obere Durchlass 6a in einer Gehäuseoberseite 7a des Gehäuses 2 und der untere Durchlass 6b in einer Gehäuseunterseite 7b des Gehäuses 2 angeordnet. Der Trennkörper 4 ist entlang der axialen Richtung A verstellbar, die sich von der Gehäuseunterseite 7b zur Gehäuseoberseite 7a erstreckt. Wie 1 außerdem erkennen lässt, ist im oberen Teilspeicher 5a axial im Abstand zum oberen Durchlass 6a ein fluiddurchlässiger oberer Turbulenzminderer 8a angeordnet. Der obere Turbulenzminderer 8a unterteilt den oberen Teilspeicher 5a in eine dem oberen Durchlass 6a zugewandte obere Fluidaustauschzone 9a und eine dem Trennkörper 4 zugewandte obere Fluidspeicherzone 10a. In analoger Weise ist im unteren Teilspeicher 5b axial im Abstand zum unteren Durchlass 6b ein fluiddurchlässiger unterer Turbulenzminderer 8b angeordnet. Der fluiddurchlässige obere Turbulenzminderer 8a kann eine fluiddurchlässige Membran, ein fluiddurchlässiges Gewebe oder eine fluiddurchlässige poröse Platte 11a mit geringer Wärmekapazität und geringer Wärmeleitfähigkeit sein, die wie in 1 gezeigt innen am Gehäuse 2 befestigt ist. Der untere Turbulenzminderer 8b unterteilt den unteren Teilspeicher 5b in eine dem unteren Durchlass 6b zugewandte untere Fluidaustauschzone 9b und eine dem Trennkörper 4 zugewandte untere Fluidspeicherzone 10b. Auch der fluiddurchlässige untere Turbulenzminderer 8b kann eine fluiddurchlässige Membran, ein fluiddurchlässiges Gewebe oder eine fluiddurchlässige poröse Platte 11b mit geringer Wärmekapazität und geringer Wärmeleitfähigkeit sein, die innen am Gehäuse 2 befestigt ist. Alternativ oder zusätzlich dazu können der fluiddurchlässige obere Turbulenzminderer 8a und der fluiddurchlässige untere Turbulenzminderer 8b jeweils auch mit einem Diffusor kombiniert sein.
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Die 2 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Behältnisses 1 als Wärmezwischenspeicher 25 in einer Reaktor-Anordnung 30. Die Reaktor-Anordnung 30 kann als Kältemaschine oder Wärmepumpe fungieren.
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Die Reaktor-Anordnung 30 der 2 umfasst ein als Wärmequelle wirkendes erstes Wärmereservoir 31a mit Temperaturniveau T1 und ein als Wärmesenke wirkendes zweites Wärmereservoir 31b mit Temperaturniveau T2. Das Temperaturniveau T2 ist also kleiner als das Temperaturniveau T1. Ferner umfasst die Reaktor-Anordnung 30 einen thermisch und fluidisch mit den beiden Wärmereservoirs 31a, 31b fluidisch wahlweise verbindbaren oder verbundenen ersten und zweiten thermochemischen Reaktor 32a, 32b. Die beiden Reaktoren 32a, 32b, bei welchen es sich um Adsorptionsreaktoren handeln kann, werden verwendet, um einen quasi-kontinuierlich Exergie liefernden thermischen Verdichtungsprozess oder einen Exergie-verbrauchenden Wärmepumpenprozess zu realisieren, wobei ein Großteil der sensiblen Wärmen zum Umtemperieren der beiden thermochemischen Reaktoren zurückgewonnen wird. Somit kann eine hohe exergetische Effizienz sichergestellt werden. Hierzu umfasst die Reaktor-Anordnung 30 einen Wärmeträgerfluidkreislauf 34, in welchem ein Wärmeträgerfluid F zum Transport von Wärme zwischen den beiden Wärmereservoirs 31a, 31b und den beiden thermochemischen Reaktoren 32a, 32b angeordnet ist. Im Wärmeträgerfluidkreislauf 34 ist ein vorangehend erläutertes Behältnis 1 zum Zwischenspeichern des Wärmeträgerfluids F und zum wahlweisen Fördern des Wärmeträgerfluids F durch einen der beiden Reaktoren 32a, 32b angeordnet. Hierzu besitzt der Wärmeträgerfluidkreislauf 34 ein Ventilsystem 33 mit verstellbaren Ventileinrichtungen 35. Mit Hilfe der verstellbaren Ventileinrichtungen 35 und des aktiv verstellbaren Trennkörpers 4 im Behältnis 1 können verschiedene Teilkreisläufe aktiviert werden, bei denen entsprechend den Anforderungen der diskontinuierlichen Prozessführung mittels des Wärmeträgerfluids F ein Wärmetransport zwischen den beiden Wärmereservoirs 31a, 31b, den beiden thermochemischen Reaktoren 32a, 32b und dem Wärmezwischenspeicher 25 gesteuert werden kann. Hierzu ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 36 zum Steuern des Ventilsystems 33 und des im Behältnis 1 vorgesehenen Trennkörpers 4 vorgesehen.
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Die 2 zeigt exemplarisch einen von mehreren möglichen Systemzuständen der Reaktor-Anordnung 30, bei welchem der erste Reaktor 32a stationär mittels der Wärmesenke, also dem zweiten Wärmereservoir 31b, gekühlt wird und der zweite Reaktor 32b durch den Wärmezwischenspeicher 25 vom Temperaturniveau T1 der Wärmequelle, also des ersten Wärmereservoirs 31a, gleitend auf das niedrigere Temperaturniveau T2 der Wärmesenke 31b abgekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014223058 A1 [0004]
- DE 102011079586 A1 [0004]
- DE 102006043715 A1 [0006]