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Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher unter Verwendung einer latenten Speichermasse, die durch Änderung ihres Aggregatzustandes Wärmeenergie speichert und bei Bedarf wieder abgibt, wobei zur Aufnahme der latenten Speichermasse Rohre, die sich zwischen Platten einander gegenüberliegender Wände eines Gehäuses erstrecken, vorgesehen sind, wobei die Rohre von einem Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, umgeben sind und wobei das Wärmeträgermedium mittels eines Wärmetauschers aufheizbar ist.
Ein derartiger Wärmespeicher ist in der EP 0 118 028 A2, solarbetrieben, zur Verwendung in Glashäusern geoffenbart. Es enden bei dem Wärmespeicher gemäss dieser Druckschrift die Rohre an den Platten und diese schliessen die Stirnflächen der Rohre dicht ab, sodass mehrere, voneinander getrennte Volumina latenter Speichermasse geschaffen werden. Das ausserhalb der Rohre strömende Wärmeträgermedium wird durch schnorchelartige Gebilde von einem Abteil in das nächste geführt, dabei kommt es insofern zu einer Umschichtung, als das schnorchelähnliche Gebilde einerends im unteren Bereich eines Abteils mündet, andernends im oberen Bereich. Durch eine Vorrichtung wird eine Zwangsumwälzung aufrecht erhalten.
Diese Anordnung ist für andere Zwecke kaum adaptierbar, da durch die strikte Trennung der Latentwärmespeicher und der Behälter für das Wärmeträgermedium keine einfache Füll- bzw. Entleermöglichkeit besteht und der Bedarf an Stellfläche gross ist.
Die EP 0 330 312 A2 offenbart ebenfalls, dass die latente Speichermasse in beidseits geschlossenen Rohren untergebracht ist, während die DE 30 33 014 A1 die Unterbringung des Latentwärmespeichers in kugelförmigen oder in gewellten rohrfömigen Gebilden lehrt.
Die AT 364 121 B betrifft einen Sorptions-Wärmespeicher, der, wie der Name schon sagt, auf der Sorption und der dafür notwendigen Diffusion beruht, und nicht auf der Verwendung einer Latentwärmespeicher. Derartige Sorptions-Weärmespeicher benötigen Einbauten im Speicherbereich und sind schon deshalb komplex aufgebaut.
Wärmespeicher der eingangs definierten Art werden vorwiegend bei NiedertemperaturZentralheizungsanlagen als "Pufferspeicher" oder als "Energiespeicher" eingesetzt. Pufferspeicher dienen dazu, Festbrennstoffheizkessel jederzeit im Nennwärmeleistungsbereich betreiben zu können und die überschüssige Energie zu speichern. Der Schadstoffausstoss solcher Anlagen wird dadurch wesentlich verringert und hohe Jahresnutzungsgrade werden erzielt. Weiters werden Pufferspeicher dazu verwendet, die Schalthäufigkeit von Wärmepumpen zu verringern um eine höhere Lebensdauer dieser zu erreichen. Die Grösse eines Pufferspeichers richtet sich nach der Leistung, die ein Wärmeerzeuger zu bringen vermag.
Energiespeicher haben ihr Einsatzgebiet dort, wo irgendwann anfallende Energie gespeichert werden soll, die zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird und wo Ausschaltzeiten von Wärmepumpen oder Sonnenenergienutzungsanlagen überbrückt werden müssen. Die Grösse eines Energiespeichers richtet sich danach, bei welcher Temperatur, wieviel und wie lange Wärme gespeichert werden soll.
Konventionelle Wärmespeicher arbeiten mit Wasser oder Frostschutzlösungen, die gleichzeitig Wärmeträger und Speichermedium sind. Sie speichern die "fühlbare" Wärme, wobei der Energieinhalt proportional zur Temperatur ansteigt bzw. abfällt. Solche Speicher sind meistens als zylinderförmige Behälter ausgebildet und werden von oben nach unten geladen und entladen, wobei der Inhalt eine thermische Schichtung bildet. Durch Grösse und Form dieser Behälter kommt es immer wieder zu Problemen mit Einbringung und Aufstellung. Daher begannen in den letzten Jahren viele Erzeugerfirmen und Techniker nach Speicherlösungen zu suchen, die bei geringstem Platzbedarf möglichst viel Wärme speichern können. So wurden auch Speicher entwickelt, welche die "Latente Wärme" diverser Stoffe nützen sollen.
Die latente oder versteckte Wärme eines Stoffes ist jene Wärme, die zur Änderung des Aggregatzustandes aufgenommen bzw. abgegeben werden muss. Um zum Beispiel ein Kilogramm Eis mit 273 K (Kelvin) in Wasser mit 273 K umwandeln zu können, muss 335 kJ an Wärmeenergie eingebracht werden. Mit derselben Energiemenge könnte 1kG Wasser von 273 K auf 353 K erwärmt werden. Da Wasser mit 273 Kin Heizungs- und Warmwasserbereitungsanlagen nicht direkt genutzt werden kann, ist die Verwendung von Eis-Latentspeichern nur in Verbindung mit Wärmepumpen möglich.
Als Speichermasse für Heizungs-Latentspeicher kommen daher nur Stoffe in Frage, die ihren Schmelzpunkt zwischen 303 und 333 K haben und zum Schmelzen möglichst viel Wärme aufneh-
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men müssen. Einige Paraffine und Fettsäuren besitzen diese Eigenschaften. So nimmt zum Beispiel Octadekan (C18H34) 241 kJ/kG an Wärmeenergie auf um sich zu verflüssigen. Das entspricht jener Energie, die benötigt wird um 1 kG Wasser von 273 auf 330 K zu erwärmen.
Versuche haben ergeben, dass sich Kerzenwachs als Latentspeichermaterial sehr gut eignet.
Es beginnt bei ungefähr 318 K zu schmelzen und braucht um 7 Minuten länger um abzukühlen als die gleiche Menge Wasser.
Als problematisch erwies sich die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Speichermaterials im festen Zustand und der damit verbundene Wärmeübergangswiderstand bei der Entladung, sowie die sehr starke Volumenzunahme beim Übergang in den flüssigen Zustand.
Die Erfindung bezweckt einen Latentspeicher, der die gespeicherte Wärme restlos an einen flüssigen Wärmeträger übergibt und bei dem genügend Platz vorhanden ist die Volumensänderungen des Speichermaterials aufzunehmen. Weiters bezweckt die Erfindung einen Latentspeicher herzustellen, bei dem Form und Grösse normalen Haus- und Heizraumeingängen angepasst sind und daher problemlos eingebracht werden können.
Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass die Platten Lochplatten sind, die im Bereich der Rohre Löcher aufweisen, durch die sich die Rohre an beiden Enden in Sammelkästen öffnen, die durch weitere Platten des Gehäuses gebildet sind, und dass die latente Speichermasse in die Sammelkästen über Steigrohre einführbar ist bzw. über Auslassöffnungen abführbar ist. Damit werden die genannten Probleme vermieden, insbesondere ist ein derartiger Wärmespeicher kostengünstig an vorgegebene Aufstellorte anpassbar und einfach befüllbar und entleerbar.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rohre von gekrümmten, bevorzugt rohrförmigen, Seitenwänden umgeben sind, die sich zwischen den Lochplatten erstrecken, wobei sich das Wärmeträgermedium in dem von den gekrümmten Seitenwänden, den Rohren und den Lochplatten begrenzten Raum befindet. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Konstruktion bei grosser Festigkeit, die Vermeidung sogenannter "toter Ecken" und gute Wärmeübergangseigenschaften.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Sammelkästen innen von einem durch die Lochplatten führenden und den Raum vor den Lochplatten durchsetzenden Rohr begrenzt sind, wobei in das Rohr ein insbesondere durch Solarenergie beheizter Wärmetauscher zur Beheizung des Wärmeträgermediums und der latenten Speichermasse eingebracht ist. Damit wird einerseits auf einfache Weise eine hohe mechanische Festigkeit erreicht und andererseits die Wärmeübertragung gesteigert.
Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher beschrieben.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Wärmespeicher, teilweise im Schnitt, die Fig. 2 zeigt eine Variante, die Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der Fig. 4 und die Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie B-B der Fig. 3.
Die Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Wärmespeicher, teilweise im Schnitt. Er besteht aus einem sogenannten Wassermantel 1, der druckfest aus gekrümmten Stahlplatten hergestellt und mit den erforderlichen Anschlussmuffen 2 versehen ist. Der Wassermantel wird hinten und vorne mit den Lochplatten 3 und 4 verschweisst. Die inneren Speichermaterialkammern 5 bestehen aus Stahlrohren, die waagrecht durch den Wassermantel 1 geführt und mit den Lochplatten 3,4 verschweisst sind. Die äusseren Speichermaterialkammern 6 und 7 sind kastenförmig aus Stahlblech hergestellt und mit den Lochplatten verschweisst. Sie sind mit Steigrohren 8 ausgestattet, die sowohl zum Einbringen des Speichermaterials als auch zur Be- und Entlüftung der Speichermaterialkammern 6,7 dienen.
Durch die vordere Speichermaterialkammer 6 sind Flanschöffnungen 9 in den Wassermantel 1 geführt. Sie dienen zum Einbau von handelsüblichen Wärmetauschern, die es ermöglichen, den Wärmespeicher mit Sonnenenergie oder mittels Wärmepumpe zu laden. Die Muffen 10, die ebenfalls in den Wassermantel 1 geführt werden, sind zum Einbau von Entleerung, Thermometern und Temperaturfühlern vorgesehen. Zum Entleeren der Speichermaterialkammern werden die Muffen 11 benötigt. Der Wärmespeicher ist aussen mit Mineralwolle 12 wärmegedämmt und mit einem Blechmantel 13 verkleidet. Der Inhalt dieses Speichers besteht aus 71, 5 % Wasser als Wärmeträger und aus 28, 5 % Latentspeichermaterial. Die Wärmeaustauschfläche beträgt 6, 17 dm2 pro 1 dm3 Speichermaterial.
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Fig. 2 zeigt eine verbesserte Version des erfindungsgemässen Wärmespeichers mit mehr Speichermaterialinhalt. Durch Aufschweissen zusätzlicher Stahlplatten 14 rund um den Wassermantel 1 entsteht eine zusätzliche, äussere Speichermaterialkammer. Durch Ausschneiden von Löchern 15 in den Deckplatten wird sie mit der vorderen und hinteren Speichermaterialkammer verbunden. Der Inhalt dieses Speichers besteht aus 57, 6 % Wasser als Wärmeträger und aus 42, 4 % Latentspeichermaterial. Die Wärmeaustauschfläche beträgt 5, 76 dm2 pro 1 dm3 Speichermaterial.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Schnittdarstellungen des Wärmespeichers, der innere Aufbau geht aus diesen Darstellungen gut hervor.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wärmespeicher unter Verwendung einer latenten Speichermasse, die durch Änderung ih- res Aggregatzustandes Wärmeenergie speichert und bei Bedarf wieder abgibt, wobei zur
Aufnahme der latenten Speichermasse Rohre, die sich zwischen Platten einander gege- nüberliegender Wände eines Gehäuses erstrecken, vorgesehen sind, wobei die Rohre von einem Wärmeträgermedium, z. B. Wasser, umgeben sind und wobei das Wärmeträgerme- dium mittels eines Wärmetauschers aufheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Plat- ten Lochplatten (3,4) sind, die im Bereich der Rohre (5) Löcher aufweisen, durch die sich
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The invention relates to a heat accumulator using a latent storage mass, which stores thermal energy by changing its physical state and releases it again when required, with tubes for extending the latent storage mass extending between plates of opposing walls of a housing, the tubes being provided by a heat transfer medium, e.g. B. water, and the heat transfer medium can be heated by means of a heat exchanger.
Such a heat store is disclosed in EP 0 118 028 A2, solar powered, for use in glass houses. According to this publication, the heat ends of the tubes on the plates and these seal the end faces of the tubes so that several, separate volumes of latent storage mass are created. The heat transfer medium flowing outside the pipes is led from one compartment to the next by snorkel-like structures, whereby there is a shift in that the snorkel-like structure ends at one end in the lower region of a compartment and at the other end in the upper region. A forced circulation is maintained by a device.
This arrangement can hardly be adapted for other purposes, since the strict separation of the latent heat accumulator and the container for the heat transfer medium means that there is no easy filling or emptying option and the space requirement is large.
EP 0 330 312 A2 also discloses that the latent storage mass is accommodated in tubes closed on both sides, while DE 30 33 014 A1 teaches the accommodation of the latent heat store in spherical or in corrugated tubular structures.
AT 364 121 B relates to a sorption heat store, which, as the name suggests, is based on sorption and the necessary diffusion, and not on the use of a latent heat store. Sorption heat stores of this type require internals in the storage area and are therefore of complex construction.
Heat stores of the type defined at the outset are mainly used in low-temperature central heating systems as "buffer stores" or as "energy stores". Buffer tanks are used to be able to operate solid fuel boilers at any time in the nominal heat output range and to store the excess energy. This significantly reduces the pollutant emissions of such systems and high levels of annual utilization are achieved. Buffer tanks are also used to reduce the switching frequency of heat pumps in order to achieve a longer service life. The size of a buffer tank depends on the performance that a heat generator can deliver.
Energy storage systems are used wherever energy is to be stored at some point in the future, which is needed at a later point in time, and where switch-off times for heat pumps or solar energy systems have to be bridged. The size of an energy store depends on the temperature, how much and how long heat should be stored.
Conventional heat stores work with water or frost protection solutions, which are both heat transfer medium and storage medium. They store the "sensible" heat, whereby the energy content increases or decreases in proportion to the temperature. Such stores are usually designed as cylindrical containers and are loaded and unloaded from top to bottom, the contents forming a thermal stratification. Due to the size and shape of these containers, there are always problems with insertion and installation. Therefore, in recent years, many production companies and technicians have started looking for storage solutions that can store as much heat as possible while taking up the least space. This is how storage tanks were developed, which should use the "latent heat" of various materials.
The latent or hidden warmth of a substance is the warmth that has to be absorbed or released to change the physical state. For example, to be able to convert one kilogram of ice at 273 K (Kelvin) into water at 273 K, 335 kJ of thermal energy must be introduced. With the same amount of energy, 1kg of water could be heated from 273K to 353K. Since water cannot be used directly with 273 Kin heating and water heating systems, the use of latent ice storage is only possible in connection with heat pumps.
Therefore, only substances with a melting point between 303 and 333 K and which absorb as much heat as possible for melting can be used as storage mass for heating latent storage.
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must. Some paraffins and fatty acids have these properties. For example, octadecane (C18H34) absorbs 241 kJ / kG of thermal energy to liquefy. This corresponds to the energy required to heat 1 kg water from 273 to 330 K.
Tests have shown that candle wax is very suitable as a latent storage material.
It starts to melt at around 318 K and takes 7 minutes longer to cool down than the same amount of water.
The poor thermal conductivity of the storage material in the solid state and the associated heat transfer resistance during discharge, as well as the very large increase in volume during the transition to the liquid state, proved to be problematic.
The invention aims at a latent storage device that transfers the stored heat completely to a liquid heat transfer medium and in which there is sufficient space to accommodate the volume changes of the storage material. Furthermore, the invention aims to produce a latent memory in which the shape and size of normal house and boiler room entrances are adapted and can therefore be introduced without problems.
The invention achieves this object in that the plates are perforated plates which have holes in the region of the pipes, through which the pipes open at both ends in collecting boxes which are formed by further plates of the housing, and in that the latent storage mass in the collecting boxes can be inserted via risers or can be discharged via outlet openings. This avoids the problems mentioned, and in particular such a heat store can be inexpensively adapted to predetermined installation locations and can be easily filled and emptied.
In one embodiment it is provided that the tubes are surrounded by curved, preferably tubular, side walls which extend between the perforated plates, the heat transfer medium being located in the space delimited by the curved side walls, the tubes and the perforated plates. This enables simple and inexpensive construction with great strength, the avoidance of so-called "dead corners" and good heat transfer properties.
A further embodiment provides that the collecting boxes are delimited on the inside by a tube leading through the perforated plates and penetrating the space in front of the perforated plates, a heat exchanger, in particular heated by solar energy, for heating the heat transfer medium and the latent storage mass being introduced into the tube. On the one hand, this achieves high mechanical strength in a simple manner and on the other hand increases heat transfer.
The invention is described in more detail with reference to drawings.
1 shows a heat accumulator according to the invention, partly in section, FIG. 2 shows a variant, FIG. 3 shows a section along the line AA in FIG. 4 and FIG. 4 shows a section along the line BB in FIG . 3.
1 shows a heat accumulator according to the invention, partly in section. It consists of a so-called water jacket 1, which is made pressure-resistant from curved steel plates and is provided with the necessary connecting sleeves 2. The water jacket is welded at the back and front with perforated plates 3 and 4. The inner storage material chambers 5 consist of steel tubes which are guided horizontally through the water jacket 1 and are welded to the perforated plates 3, 4. The outer storage material chambers 6 and 7 are box-shaped made of sheet steel and welded to the perforated plates. They are equipped with risers 8, which are used both for introducing the storage material and for ventilation of the storage material chambers 6, 7.
Flange openings 9 are guided into the water jacket 1 through the front storage material chamber 6. They are used to install commercially available heat exchangers, which make it possible to charge the heat accumulator with solar energy or by means of a heat pump. The sleeves 10, which are also guided in the water jacket 1, are provided for installing drainage, thermometers and temperature sensors. The sleeves 11 are required to empty the storage material chambers. The heat accumulator is thermally insulated on the outside with mineral wool 12 and clad with a sheet metal jacket 13. The content of this storage consists of 71.5% water as a heat transfer medium and 28.5% latent storage material. The heat exchange area is 6, 17 dm2 per 1 dm3 storage material.
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2 shows an improved version of the heat accumulator according to the invention with more storage material content. By welding additional steel plates 14 around the water jacket 1, an additional, external storage material chamber is created. By cutting holes 15 in the cover plates, it is connected to the front and rear storage material chambers. The content of this storage consists of 57.6% water as a heat transfer medium and 42.4% latent storage material. The heat exchange area is 5, 76 dm2 per 1 dm3 storage material.
Fig. 3 and Fig. 4 show sectional views of the heat accumulator, the internal structure is clear from these representations.
PATENT CLAIMS:
1. Heat storage using a latent storage mass, which stores thermal energy by changing its physical state and releases it again when necessary, whereby for
Recording of the latent storage mass tubes, which extend between plates of opposing walls of a housing, are provided, the tubes from a heat transfer medium, eg. B. water, and the heat transfer medium can be heated by means of a heat exchanger, characterized in that the plates are perforated plates (3, 4) which have holes in the region of the tubes (5) through which the plates can pass
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