CH639477A5

CH639477A5 - Verfahren zum waermeaustausch in einem latentwaermespeicher sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH639477A5
Application number: CH366679A
Authority: CH
Inventors: Alexander Dr Stuecheli
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1979-04-18
Filing date: 1979-04-18
Publication date: 1983-11-15
Also published as: FR2454599A1; AT363963B; NL8001778A; GB2049922A; ES490352A0; BR8002382A; ES8104549A1; DE2916514A1; BE882828A; JPS55140095A; DE2916514C2; SE8002829L; ATA306379A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmeaustausch in einem Latentwärmespeicher, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeichermedium und einem Wärmeträgermedium über eine die beiden Medien trennende Wärmeübertragungsfläche erfolgt, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In Latentwärmespeichern werden verschiedene Wärmespeichersubstanzen mit hohen latenten Schmelzwärmen verwendet. Diese Substanzen nehmen grosse Wärmemengen auf,

z.B. Sonnenwärme, und schmelzen dabei. Entzieht man ihnen die Wärme wieder, z.B. nachts oder bei trübem Wetter, gefriert das Material erneut und gibt dabei die gespeicherte Wärme ab. Als Latentwärmespeichermedien kommen z.B. 5 Wasser, Paraffin und insbesondere kristallwasserhaltige Natriumsalze in Frage. So übertrifft z.B. die Heizwärme-Speicher-Kapazität von kristallwasserhaltigem Natriumsulfat diejenige des gleichen Volumens Wasser um cirka das 7-fache.

Die praktische Verwendung solcher Natriumhydrate war io bisher jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So bildet sich z.B. bei derartigen Latentwärmespeichern beim Gefrierprozess eine störende Salzschicht nicht nur an den Behälterwänden, sondern auch an den Wärmeübertragungsflä-chen, so dass die Wärmeübertragung erheblich verschlechtert 15 wird. Bei gewissen Salztypen findet beim Gefrierprozess eine Griess- oder Flockenbildung statt, so dass ebenfalls die Wärmeübertragung stark verringert wird. Selbstverständlich kann auch das Latentwärmespeichermedium, z.B. bei Verwendung von Paraffin, zu einem mehr oder weniger homogenen Block 20 erstarren, wobei ein Wiederaufschmelzen durch im Latentwärmespeichermedium vorhandene Wärmeübertragungsflächen wegen des schlechten Wärmeübergangs sehr zeitraubend ist. Zusätzlich erschwerend kann sich noch eine Fest/Flüssig-Phasentrennung z.B. Natriumsalz/Wasser auswirken, so dass 25 ein kongruentes Wiederkristallisieren einer derartigen Speichersubstanz praktisch verunmöglicht wird.

Die gleichen Probleme stellen sich, falls man statt solcher Natriumhydrate lediglich Wasser als Latentspeichermedium verwendet. Ein solcher Latentwärmespeicher auf Eis/Wasser-30 Basis ist z.B. in der US-PS 2 996 894 beschrieben. Hier wird versucht, die geschilderten Probleme in Bezug auf Verkrustung, d.h. in diesem Falle Eisbildung, an Wärmeaustauschflächen zu umgehen, indem auf den üblichen indirekten Wärmeaustausch zwischen Wärmeträgermedium und Latentwär-35 mespeichermedium über eine Wärmeübertragungsfläche verzichtet wird. Stattdessen wird ein flüssiges Wärmeträgermedium, in diesem Falle Öl, direkt in Kontakt mit dem Latentwärmespeichermedium Wasser gebracht, nach vollzogenem Wärmeaustausch vom Wasser abgetrennt und z.B. durch ei-40 nen Wärmeaustauscher ausserhalb des Latentspeichers zwecks Wärmeentnahme oder Wärmezufuhr gepumpt.

Eine solche Verwendung von Öl zum direkten Wärmeaustausch mit dem Wasser ist jedoch mit verschiedenen Nachteilen verbunden. So hat das Öl eine verhältnismässig geringe 45 Wärmekapazität und eignet sich schon aus diesem Grunde nicht als Wärmeübertrager. Weiter ist es in der Praxis mit grossen Schwierigkeiten verbunden, die erwünschte Trennung zwischen Öl und Wasser nach vollzogenem Wärmeaustausch zu bewerkstelligen, da leicht eine irreversible Emulsionsbil-50 dung eintreten kann. Eine möglichst intensive und daher emulsionsbegünstigende Mischung Öl/Wasser ist jedoch un-erlässlich für eine einigermassen befriedigende Wärmeübertragung. Wird das Öl jedoch nur mit geringer Intensität mit dem Wasser gemischt bzw. durch dieses gepumpt, um das Ri-55 siko einer Emulsionsbildung zu verringern, ist der Wärmeübergang Öl/Wasser ungenügend. Ferner ist ein solcher direkter Wärmeaustausch ausgeschlossen, falls z.B. das Arbeitsmittel einer Wärmepumpe, wie z.B. «Freon» od.dgl. als Wärmeträgermedium verwendet werden soll. Für die Zwecke 60 der Erfindung eignet sich somit ein solcher Latentwärmespeicher nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, sowohl die oben geschilderten Nachteile eines direkten Wärmeaustausches zwischen Latentwärmespeichermedium und einem flüssigen Wärmeträ-65 germedium wie auch beim indirekten Wärmeaustausch zwischen Latentwärmespeichermedium und einem Wärmeträgermedium über eine Wärmeübertragungsfläche zu vermeiden und den Wärmeaustausch in einem Latentwärmespeicher der

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eingangs erwähnten Art so zu verbessern, dass auch beim schlagventil 24 aufweist, mit einem im unteren Bereich des Vorliegen des Latentwärmespeichermediums z.B. in Griess- Behälters 12 angebrachten und sich im wesentlichen über den form ein intensiver Kontakt der gesamten Speichermasse mit Querschnitt des Behälters erstreckenden, siebartigen oder den Wärmeübertragungsflächen bei hohem Wärmeübergang lochbodenartigen Fluidisierungs- oder Dispergierelement 26 gewährleistet ist. Weiter soll bei Vorliegen des Latentwärme- 5 verbunden, dessen Durchtrittsöffnungen mit 28 bezeichnet speichermediums in Agglomerat- oder Blockform ein rasches sind. Eine im Behälter 12 angeordnete, erste, als Rohr-Aufschmelzen bzw. Homogenisieren ermöglicht werden, da- schlänge ausgebildete Wärmeübertragungsfläche 30 wird mit innert kurzer Zeit ein optimaler Wärmeaustausch stattfin- über eine Leitung 32, eine Umwälzpumpe 34, einen Sonnenden kann. kollektor 36 und eine Leitung 38 mit erwärmtem Wärmeträ-Das Verfahren, durch welches diese Aufgabe gelöst wird, io germedium 37, z.B. einem Wasser-Glykol-Gemisch, versorgt ist dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeicher- und dient zur Aufheizung des im unteren Teil des Behälters 12 medium mittels eines mit diesem im wesentlichen unmischba- vorhandenen Latentwärmespeichermediums 14. Ein in der ren Dispersionsmediums in fluidiserten Zustand gebracht Leitung 38 nach dem Sonnenkollektor angebrachter thermi-wird. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist scher Fühler 39 tastet die Temperatur des Wärmeträgermedi-gekennzeichnet durch einen zur Aufnahme des Latentwär- 15 ums 37 ab und steht über eine Signalleitung 41, ein Steuerge-mespeichermediums und des Dispersionsmediums vorgesehe- rät 43 und eine Signalleitung 45 mit der Pumpe 20 in Verbinnen Behälter mit mindestens einer Wärmeübertragungsfläche dung. Eine zweite, ebenfalls im Latentwärmespeichermedium für ein Wärmeträgermedium, welche sich im Bereich des La- 14 angeordnete und als Rohrschlange ausgebildete Wärme-tentwärmespeichermediums befindet, und einen eine im Be- Übertragungsfläche 40 steht über Leitungen 42,44 und eine reich des Dispersionsmediums angeordnete Entnahmelei- 20 Umwälzpumpe 46 mit einem Verbraucherkreislauf in Verbin-tung, ein Umwälzorgan, eine in den Bereich des Latentwär- dung, z.B. mit einer Heizung oder einer Brauchwasseraufbe-mespeichermediums geführte Zufuhrleitung sowie ein Disper- reitung. Das Wärmeträgermedium 47 ist in diesem Falle also gierelement aufweisenden, teilweise durch den Behälter ge- Wasser. Ein elektrischer Heizkörper 48 dient als Zusatzhei-führten Zwangskreislauf für das Dispersionsmedium zung bei Ausfall der Sonnenenergie und erleichtert das Auf-Indem das Latentwärmespeichermedium mit Hilfe des 25 schmelzen des Latentwärmespeichermediums 14, falls dieses Dispersionsmediums in einem wirbelbettartigen Zustand ge- beim Gefrierprozess in feste Form übergegangen ist. Da die-halten werden kann, wird nicht nur ein intensiver Kontakt ser Heizkörper an und für sich nicht zur Speicherung von der gesamten Speichermasse mit den Wärmeübertragungsflä- Wärme im Latentwärmespeichermedium 14 dient, sondern chen erreicht, sondern es ist auch eine jederzeitige Betriebsbe- nur den Fluidisierungsvorgang beim «Anfahren» des Latentreitschaft oder Verfügbarkeit des Latentwärmespeichermedi- 30 wärmespeichers erleichtern soll, kann dieser auch wie in Fig. 1 ums zum Zwecke der Wärmeübertragung gewährleistet. So dargestellt im Dispersionsmedium 16 angeordnet sein.

kann, falls der Latentwärmespeicher z.B. mangels Sonnenein- Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie

Strahlung zeitweise nicht benötigt wird, nur eine geringe Flui- folgt:

disierung bzw. Durchströmung von Dispersionsmedium vor- Es wird z.B. davon ausgegangen, dass der Sonnenkollek-gesehen sein, welche jedoch ausreicht, um ein Zusammenbak- 35 tor 36 ausser Betrieb ist, z.B. während der Nacht. Im Latentken oder eine Phasentrennung im Latentwärmespeicherme- wärmespeicher 10 befindet sich nun im unteren Teil eine brei-dium bzw. eine Inkrustation der Wärmeübertragungsflächen artige, mehr oder weniger zusammenbackende Masse beste-zu verhindern. Soll Wärme im Latentwärmespeicher gespei- hend aus griessförmigem Latenwärmespeichermedium und chert oder abgegeben werden, kann der Fluidisierungszu- Öl. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass in einem derartigen stand beliebig intensiviert werden, um die gewünschte Wär- 40 Gemisch im stationären Zustand nur die der^Wärmeübertra-meübertragung zu gewährleisten. Da das Dispersionsmedium gungsflächen 30,40 unmittelbar benachbarten Festkörper-keine Wärmeübertragungsfunktion erfüllen muss, ist der teile beim Aufheizen des Speichers geschmolzen werden kön-Wärmeübergang nicht von dessen Wärmekapazität abhängig, nen und dass der Wärmeübergang sehr schlecht ist. Treten Als weiterer Vorteil ergibt sich, dass keine komplizierten me- jetzt die Voraussetzungen für einen Betrieb des Sonnenkollek-chanischen Umwälzorgane im Speicher selber erforderlich 45 tors 36 ein, so wird über den Fühler 39 die Pumpe 20 so weit sind. in Betrieb gesetzt, dass das Öl 16 mit einer gewissen Strö-

Die nähere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand von mungsgeschwindigkeit über die Leitungen 18,22 in Pfeilrich-Ausführungsbeispielen in Verbindung mit nachstehender tung in den unteren Teil des Behälters 12 über das RückZeichnung. Es zeigen: schlagventil 24 durch die Durchtrittsöffnungen 28 des Disper-

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens und 50 gierelementes 26 gefördert wird. Hierdurch wird das breiar-

der Vorrichtung unter Verwendung von flüssigem Disper- tige Gemisch fluidisiert, d.h. vom stationären Zustand in ei-

sionsmedium in Verbindung mit einer Sonnenkollektor- nen mobilen Zustand versetzt, wobei die einzelnen festen Par-

heizung, tikeln des Latentwärmespeichermediums ein Wirbelbett bil-

Fig. 2 das Verfahren und die Vorrichtung nach Fig. 1 in den und praktisch der gesamte Behälterinhalt fortwährend in Verbindung mit einer Wärmepumpe und einem ölgefeuerten 55 Kontakt mit den Wärmeübertragungsflächen 30,40 kommt. Heizkessel, Bei diesem minimalen Fluidisierungsgrad wird also der La-Fig. 3 eine Darstellung des Verfahrens unter Verwendung tentwärmespeicher in Betriebszustand versetzt. Meldet der von gasförmigem Dispersionsmedium in Verbindung mit ei- Fühler 39 eine Steigerung der Einstrahlungstemperatur, so ner entsprechenden Vorrichtung im Vertikalschnitt. wird über das Steuergerät 43 die Fördergeschwindigkeit der Ein Latentwärmespeicher 10 (Fig. 1) weist einen auf nicht 60 Pumpe 20 erhöht, so dass der Fluidisierungsgrad im Latentdargestellte Art isolierten Behälter 12 auf, welcher teils mit ei- wärmespeicher entsprechend intensiviert wird. Der Wärme-nem Latentwärmespeichermedium 14, wie z.B. Natriumaze- Übergang zwischen den Wärmeübertragungsflächen 30,40 tat-Trihydrat, und teils mit einem flüssigen Dispersionsme- und dem Latentwärmespeichermedium 14 erhöht sich somit dium 16, z.B. Paraffinöl, gefüllt ist. Der obere, das Disper- entsprechend. Somit werden die bei höherer Temperatur ins sionsmedium 16 enthaltende Bereich des Behälters 12 ist über 65 Gewicht fallenden Abstrahlungsverluste des Sonnenkollek-eine Entnahmeleitung 18, eine Pumpe 20 mit variablem För- tors 36 wesentlich verringert. Nach Aufladung des Speichers dervolumen und eine bis zum unteren Teil des Behälters 12 10 kann über die vom fluidisierten Latentwärmespeicherme-geführte Zufuhrleitung 22, welche austrittsseitig ein Rück- dium umströmte Wärmeübertragungsfläche 40 die gespei-

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cherte Wärme entnommen und dem Verbraucherkreislauf zu- des Latentwärmespeichermediums so zu steuern, dass Übergeführt werden. hitzungen an der Wärmeübertragungsfläche 40 vermieden In der Vorrichtung gemäss Fig. 2 dient eine ein Drosselor- werden. Die Bypassleitung 75 dient zur Aufrechterhaltung gan 50, einen Verdampferteil 52 und einen Verdichterteil 54 des Kreislaufes des Dispersionsmediums 16, falls z.B. der un-aufweisende Wärmepumpe 56 zur Aufheizung des Latentwär- 5 tere Teil des Behälters 12 mit zusammengebackenem Latent-mespeichermediums 14. Der Fühler 39 dient in diesem Falle wärmespeichermedium 14 gefüllt ist und die Durchtrittsöff-zur Abtastung der Temperatur des Arbeitsmediums 77 der nungen 28 teilweise verstopft sind. Dem gleichen Zweck die-Wärmepumpe, welches durch ein über die im Verdampferteil nen die Glockenbodenöffnungen 29.

52 angeordneten Zu- bzw. Abströmleitungen 58 bzw. 60 ge- Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist der Behälter führtes Medium, z.B. Grundwasser oder Umgebungsluft, er- 1013 des Latentwärmespeichers 10 mittels Stützen 78,80 auf wärmt wird. Weiter ist über in den Leitungen 42,44 angeord- dem Boden abgestützt. In diesem Falle dient als Dispersions-nete Drei-Wege-Ventile 62,64 und Leitungen 66,68 eine medium 82 Luft oder inerte Gase, wie z.B. Stickstoff. Das durch einen Ölbrenner 70 beheizbare Rohrschlange 72 ein- Dispersionsmedium wird von einem Axialgebläse 84 über ei-schaltbar. Ein zusätzlicher Temperaturfühler 74 ist über eine nen im oberen Teil des Behälters 13 angeordneten Entnahme-Signalleitung 76 mit dem Steuergerät 43 verbunden. Die Zu- 15 kanal 86 angesaugt, über einen Zufuhrkanal 88 wie im Falle fuhrleitung 22 weist zusätzlich eine Bypassleitung 75 auf, de- der vorstehend beschriebenen Zufuhrleitung 22 in den unteren Durchflusswiderstand grösser ist als derjenige der Zufuhr- ren Teil des Behälters 13 geführt und tritt durch das Disper-leitung 22. Das Dispergierelement 27 weist in diesem Falle zu- gierelement 26 unter Fluidisierung des Latentwärmespeicher-sätzlich zu den Durchtrittsöffnungen 28 auch Glockenboden- médiums 14. In diesem Falle zweigt ein Bypasskanal 90 mit Öffnungen 29 auf. 20 einer Drosselklappe 92 vom unteren Teil des Zufuhrkanales

Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Vorrichtung 88 ab. Der Querschnitt des Bypasskanals 90 ist etwas geringer ist wie folgt: als der Querschnitt des Zufuhrkanals 88. Der nicht darge-

Das Arbeitsmedium bzw. Wärmeträgermedium 77 der stellte VerStellantrieb der Drosselklappe 92 ist über eine Si-Wärmepumpe, z.B. eines der üblichen Kältemittel wie Freon gnalleitung 94 mit dem Steuergerät 43 verbunden. Eine wei-oder dergleichen, wird im Verdampferteil 52 durch das über 25 tere Signalleitung 96 verbindet das Steuergerät mit dem An-die Leitungen 58,60 zu- bzw. abströmende Medium aufge- triebsmotor 98 des Axialgebläses 84.

heizt, im Verdichterteil 54 komprimiert und danach in der Die Wirkungsweise der zuletzt beschriebenen Vorrichtung

Rohrschlange 30, welche in diesem Falle als Kondensator ist wie folgt:

dient, kondensiert, wobei die dabei frei werdende Wärme an Es wird z.B. angenommen, dass das Latentwärmespei-

das Latentwärmespeichermedium 14 abgegeben wird. Der 30 chermedium 14 mittels des elektrischen Heizkörpers 48 so Temperaturfühler 39 steuert dabei den Fluidisierungsgrad des weit aufgeheizt werden soll, dass der Latentwärmespeicher Latentwärmespeichermediums 14, wie an Hand des Beispieles betriebsbereit ist. Anhand eines vom Temperaturfühler 39 gemäss Fig. 1 bereits beschrieben. Nach erfolgter Kondensa- übermittelten Signals schaltet das Steuergerät 43 den Antrieb tion und Wärmeabgabe wird das Arbeitsmedium 77 im Dros- 98 des Axialgebläses 84 ein und stellt gleichzeitig die Drosselseiorgan 50 entspannt und gelangt wieder in den Verdampfer- 35 klappe 92 in Offenstellung. Ein Teil der Luft kann somit teil 52, wo sich der beschriebene Prozess wiederholt. Mittels durch die Bypassleitung entweichen. Hierbei wird ein gewis-der über die Drei-Wege-Ventile, 62,64 einschaltbaren Zusatz- ser Fluidisierungsgrad erreicht, welcher für eine Betriebsbeheizung 66,72,68,70 kann der Verbraucherkreislauf zusätz- reitschaft des Speichers genügt. Falls bei steigender Temperalich beheizt werden, falls die Temperaturbedingungen für ei- tur der Fluidisierungsgrad intensiviert werden soll, wird die nen Betrieb der Wärmepumpe 56 nicht gegeben sind. Er kann 40 Drosselklappe 92 nach und nach geschlossen, so dass ein ma-jedoch auch zur Beheizung des Latentwärmespeichermedi- ximales Luftvolumen durch die Zufuhrleitung 88 strömt, ums geschaltet werden, z.B. zwecks Aufrechterhaltung einer Es versteht sich, dass der beschriebene Kreislauf von gas minimalen Betriebsbereitschaft des Speichers. In diesem Falle förmigen Dispersionsmedium auch Kompressoren und übli-dient der Temperaturfühler 74 dazu, den Fluidisierungsgrad che Gasspeichervorrichtungen enthalten kann.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

639 477 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Wärmeaustausch in einem Latentwärmespeicher, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeichermedium und einem Wärmeträgermedium über eine die beiden Medien trennende Wärmeübertragungs-fläche erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermedium (14) mittels eines mit diesem im wesentlichen unmischbaren Dispersionsmediums (16,82) in fluidi-sierten Zustand gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidisierungsgrad des Latentwärmespeichermediums (14) nach Massgabe der Temperatur mindestens eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsmedium (16) flüssig ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teilstrom des Dispersionsmediums (16, 82) in direktem Kontakt mit dem Latentwärmespeichermedium (14) im Zwangskreislauf durch dieses geführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zur Aufnahme des Latentwärmespeichermediums (14) und des Dispersionsmediums (16,82) vorgesehenen Behälter (12,13) mit mindestens einer Wärmeübertragungsfläche (30,40) für ein Wärmeträgermedium (37,47,77), welche sich im Bereich des Latentwärmespeichermediums (14) befindet, und einen eine im Bereich des Dispersionsmediums (16,82) angeordnete Entnahmeleitung (18,86), ein Umwälzorgan (20,84), eine in den Bereich des Latentwärmespeichermediums (14) geführte Zufuhrleitung (22,88) sowie ein Dispergierelement (26,27) aufweisenden, teilweise durch den Behälter (12,13) geführten Zwangskreislauf für das Dispersionsmedium )16, 82).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Dispergierelement (26) ein sich im wesentlichen über den Behälterquerschnitt erstreckender Boden mit Durchtrittsöffnungen (28,29) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen wenigstens teilweise als Glockenbodenöffnungen (29) ausgebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Dispergierelement (26,27) und Zufuhrleitung (22,88) ein Rückschlagventil (24) geschaltet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (22, 88) eine Bypassleitung (75, 90) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflusswiderstand der Bypassleitung (75,90) grösser ist als derjenige der Zufuhrleitung (22,88).

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (39,43,74) zur temperaturabhängigen Steuerung von Strömungsgeschwindigkeit und/oder Menge des umgewälzten Dispersionsmediums (16,82).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Umwälzorgan (20,84) über einen die Temperatur des Wärmeträgermediums (37,47,77) und/oder des Latentwärmespeichermediums (14) abtastenden Fühler (39,74) beeinflussbar ist.