CH673889A5

CH673889A5 -

Info

Publication number: CH673889A5
Application number: CH5161/86A
Authority: CH
Inventors: Andreas Guenther; Uwe Kessner; Wolfgang Ahrens; Christine Eildermann; Thomas Fanghaenel; Hans-Heinz Emons; Wolfgang Dittrich; Ruediger Naumann
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1985-12-31
Filing date: 1986-12-23
Publication date: 1990-04-12
Also published as: DD256434A3; HU199980B; DE3642754A1; BG50799A1; SE8605619D0; SE461546B; SE8605619L; AT388046B; JPS62182594A; ATA332486A; HUT46141A; SU1657891A1

Description

Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungsvor- ist, vorgeschlagen, mit welcher das Phasenwechselmaterial richtung für einen dynamischen Latentwärmespeicher nach kanalförmig aufgeschmolzen wird. The invention relates to a heat transfer device, with which the phase change material direction for a dynamic latent heat storage device is melted in a channel shape.

dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere unter Die Umwälzung des Wärmetransportmittels wird im Nutzung von Phasenwechselmaterialien, deren Erwärmung Speicherinneren durch diesen Kanal geführt und kann damit und Abkühlung in direktem Kontakt mit siedenden und kon- 45 ohne Behinderung erfolgen. the preamble of claim 1, in particular under The circulation of the heat transport medium is used in the use of phase change materials, the heating of the interior of the memory through this channel and can thus take place and cooling in direct contact with boiling and free of disabilities.

densierenden Wärmetransportmitteln in geschlossenen Diese Lösung stellt nur für schwer siedende Flüssigkeiten dense heat transfer medium in closed This solution provides only for heavy boiling liquids

Behältern oder Kreisläufen erfolgt. eine Verbesserung dar. Containers or circuits. is an improvement.

Zum Problemkreis der Latentwärmespeicher sind bereits Auf leicht siedende Flüssigkeiten ist sie nicht übertragbar. The problem area of latent heat storage is already not transferable to low-boiling liquids.

eine Vielzahl von Konstruktionen und Methoden der Zum einen steigen die zur Wärmeübertragung erforderlichen a variety of constructions and methods of on the one hand increase those required for heat transfer

Betriebsführung bekannt geworden. Die in der Fach- und so Dampfblasen innerhalb des Kanals auf, ohne das Phasen-Patentliteratur beschriebenen Lösungen beziehen sich Wechselmaterial zur Wärmeabgabe zu berühren, zum Management became known. The solutions described in the compartment and so steam bubbles within the channel without touching the phase patent literature refer to alternating material for heat dissipation to

1. auf bestimmte Phasenwechselmaterialien mit möglichst anderen entweichen die Dampfblasen über den oben offenen grosser Phasenumwandlungswärme, um das Speichervo- Kanal und verbleiben nicht innerhalb des Speichermaterials lumen so gering wie möglich zu halten, und zur Wärmeabgabe und nachfolgenden Kondensation bzw. 1. on certain phase change materials with as many others as possible, the vapor bubbles escape over the large phase change heat which is open at the top, in order to keep the storage channel and not remain within the storage material lumen as low as possible, and for heat emission and subsequent condensation or

2. auf Stoffe und Zusatzelemente, um die speziellen, den 55 erneuten Verdampfung. 2. on fabrics and additional elements to the special, the 55 new evaporation.

Wärmeeintrag/Wärmeaustrag in/aus dem Phasenwechsel- Eine praktikable Lösung für leicht siedende Flüssigkeiten material negativ beeinflussenden Eigenschaften des Phasen- könnte die Vergösserung der Wärmeübertragerflächen für wechselmaterials auszugleichen. den Wärmeeintrag, wie z. B. durch Rippen und Lamellen, Heat input / heat discharge in / out of the phase change - A practical solution for low-boiling liquids material properties that negatively influence the phase - could compensate for the increase in the heat transfer surface for alternating material. the heat input, such as B. by ribs and slats,

Lösungen dieser Art sind z. B. durch die Publikationen sein. Diese Flächen stellen jedoch einen erhöhten Material-DE-OS 2 937 959, DD-AP 209 902, und DD-WP 154126 60 aufwand und eine zusätzliche Behinderung der Siede- und bekannt gemacht worden. Kondensationsprozesse dar, so dass diese Form der Erhö- Solutions of this type are e.g. B. be through the publications. However, these areas represent an increased material DE-OS 2 937 959, DD-AP 209 902, and DD-WP 154126 60 and an additional obstruction of boiling and have been made known. Condensation processes so that this form of enhancement

Charakteristisch für diese Lösungen ist die Verwendung hung der Wärmeübertragungsleistungen bisher nur in stati-von Wärmetransportmitteln, die zur Verbesserung der Wär- sehen Latentwärmespeichern genutzt wird, welche ohne meübertragungsleistungen in direkten Kontakt mit dem Pha- diese Flächen nicht arbeiten. Characteristic of these solutions has been the use of heat transfer capacities so far only in static heat transport means, which is used to improve the latent heat storage, which does not work without measurement transfer capacities in direct contact with the pha.

senwechselterial gebracht und in Bewegung versetzt werden, 6s Es ist das Ziel der Erfindung, die bei dynamischen Latent-um den konvektiven Anteil der Wärmeübertragung beson- wärmespeichern im Zusammenhang mit siedenden und kon-ders zu steigern. densierenden Wärmetransportmitteln während des Wärme- brought and changed in motion, 6s. It is the aim of the invention to increase the heat retention associated with boiling and condensing in dynamic latent around the convective portion of the heat transfer. densifying heat transport agents during the heat

Ais Wärmetransportmittel werden dabei schwer siedende eintrags bestehenden Wärmeübertragungsleistungen zu ver- As a heat transport medium, high-boiling, entry-existing heat transfer capacities are to be

673889 673889

bessern, wobei gleichzeitig der Materialaufwand gesenkt und die Betriebssicherheit erhöht wird. improve, while at the same time reducing the cost of materials and increasing operational safety.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Wärmeeintrag in das Phasenwechselmaterial dynamischer Latentwärmespeicher mittels konstruktiver Elemente zu erhöhen. The invention is therefore based on the object of increasing the heat input into the phase change material of dynamic latent heat stores by means of structural elements.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert. Ausführungsformen davon gehen aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 hervor. The achievement of this object according to the invention is defined by the characterizing features of patent claim 1. Embodiments thereof emerge from the dependent claims 2 to 5.

Ein Wärmeübertrager herkömmlicher Bauart im Bereich des Wärmeeintrags und der Rohrkäfig können in Reihe oder parallel miteinander verbunden sein. Bei einer parallelen Verbindung wird ein Teil des von der Wärmequelle kommenden Heizmediums dem Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches über einen Verteiler der unteren Ringleitung zugeführt. A heat exchanger of conventional design in the area of heat input and the tube cage can be connected in series or in parallel. In the case of a parallel connection, part of the heating medium coming from the heat source is fed to the heat exchanger of the heat input area via a distributor of the lower ring line.

Von dieser Ringleitung ausgehend, steigt das Heizmedium in den Strangleitungen hoch und mündet in die obere Ringleitung ein. In dieser wird das Heizmedium gesammelt und über eine Rücklauf leitung mit dem aus dem herkömmlichen Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches austretenden Strom des Heizmediums in einem Sammler vereinigt. Starting from this ring line, the heating medium rises in the branch lines and opens into the upper ring line. In this, the heating medium is collected and combined via a return line with the current of the heating medium emerging from the conventional heat exchanger of the heat input area in a collector.

Bei einer Reihenschaltung wird das Heizmedium zuerst vollständig durch den Rohrkäfig geführt und danach über den Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches oder umgekehrt. Zur Anordnung des erfindungsgemässen Wärmeübertragers innerhalb eines dynamischen Latentwärmespeichers muss der Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches mit dem Wärmetransportmittel und der Rohrkäfig mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt sein. With a series connection, the heating medium is first completely led through the pipe cage and then via the heat exchanger of the heat input area or vice versa. To arrange the heat exchanger according to the invention within a dynamic latent heat store, the heat exchanger of the heat input area must be in contact with the heat transport medium and the tube cage must be in contact with the phase change material.

Wesentlich ist dabei, dass die vorhandenen Strangleitungen geneigt sind und der Käfig nach oben nicht aus dem Phasenwechselmaterial herausragt. It is essential that the existing string lines are inclined and that the cage does not protrude upwards out of the phase change material.

Aufgrund der Neigung und der begrenzten Höhe des Rohrkäfigs ist gesichert, dass die vom Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches aufsteigenden Dampfblasen nur in schräg liegenden und nach oben geschlossenen Kanälen aufsteigen können. Due to the inclination and the limited height of the pipe cage, it is ensured that the steam bubbles rising from the heat exchanger in the heat input area can only rise in inclined and upwardly closed channels.

Auf diese Weise ist es möglich, dass die Dampfblasen nicht senkrecht und ohne Berührung des Phasenwechselmaterials aufsteigen und das Phasenwechselmaterial ohne Wärmeabgabe verlassen können, sondern in fortwährender Berührung mit demselben bleiben und dieses ohne Wärmeabgabe nicht verlassen können. In this way it is possible for the vapor bubbles not to rise vertically and without touching the phase change material and to be able to leave the phase change material without giving off heat, but to remain in constant contact with the same and not to be able to leave it without giving off heat.

Das durch die Wärmeabgabe entstehende Kondensat kann durch die schräge Lage des Kanals an dessen Unterseite in ständiger Berührung mit dem Phasenwechselmaterial gehalten und zum Wärmeübertrager zurückgeführt werden, wobei vorteilhaft die im Kondensat vorhandene Wärme an das Phasenwechselmaterial zu dessen Vorwärmung abgegeben wird. Aufgrund dieser Vorgänge kann eine wesentliche Erhöhung des Wärmeeintrags in das Phasenwechselmaterial erzielt werden. The condensate resulting from the heat dissipation can be kept in constant contact with the phase change material and returned to the heat exchanger due to the inclined position of the channel on its underside, the heat present in the condensate advantageously being released to the phase change material for preheating it. Due to these processes, a significant increase in the heat input into the phase change material can be achieved.

Die Wirkung des Käfigs kann sich dabei durch die Verbesserung der Kinetik des Wärmeeintrags einstellen und nicht durch die Vergrösserung der Wärmeübertragerflächen. The effect of the cage can be achieved by improving the kinetics of the heat input and not by increasing the heat transfer area.

Demzufolge genügen nur wenige Rohre, um eine Verbesserung zu erzielen, so dass erhöhte Materialaufwendungen vermieden werden können. Zweckmässig ist die Konstruktion des kegelstumpfförmigen Rohrkäfigs so ausgeführt, dass 5-20 % der Wärmeeintragsleistung durch diesen Rohrkäfig in das Phasenwechselmaterial einbringbar sind. As a result, only a few pipes are sufficient to achieve an improvement, so that increased material costs can be avoided. The construction of the frustoconical tube cage is expediently designed in such a way that 5-20% of the heat input can be introduced into the phase change material through this tube cage.

Für den speziellen Fall, dass als Heizmedium ein Kältemittel verwendet wird, welches durch Wärmeabgabe im Rohrkäfig kondensiert, kann die obere Ringleitung entfallen, und die Strangleitungen sind nach oben verschlossen. In the special case that a refrigerant is used as the heating medium, which condenses in the pipe cage due to heat, the upper ring line can be omitted and the branch lines are closed at the top.

Die Strangleitungen gleichen in ihrer Arbeitsweise in diesem Falle Wärmerohren, die mit Kältemittel gefüllt sind. In this case, the string lines are similar in their mode of operation to heat pipes which are filled with refrigerant.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die angeordneten Strangleitungen durch Rohrschleifen ersetzt. Dies ist dadurch möglich, dass die obere Ringleitung im s Innern des Kegelstumpfes dicht oberhalb der unteren Ringleitung angeordnet ist. Die Durchmesser der beiden Ringleitungen sind nur wenig unterschiedlich. In a second embodiment of the invention, the arranged string lines are replaced by pipe grinding. This is possible because the upper ring line is arranged in the interior of the truncated cone just above the lower ring line. The diameters of the two ring lines are only slightly different.

In einer dritten Ausführungsform der Erfindung entsteht der kegelstumpfförmige Rohrkäfig dadurch, dass der Kegels-lo tumpf durch eine Rohrwendel entsteht. In a third embodiment of the invention, the truncated cone-shaped tube cage is created in that the truncated cone is created by a tube coil.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist die zuerst genannte Ausführungsform des Rohrkäfigs in Verbindung mit einem beliebigen konventionellen Wärmeübertrager dar-15 gestellt. Beide Systeme bilden den Wärmeübertrager zum Wärmeeintrag. The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing, the first-mentioned embodiment of the tube cage is shown in connection with any conventional heat exchanger. Both systems form the heat exchanger for heat input.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Wärmeübertragungsvorrichtung ist deren Anwendung in einer bekannten Form eines dynamischen Latentwärmespeichers gezeigt. 20 Der Speicher besteht dabei aus einem druckfesten und dichten Hüllkörper 3, in welchem der erfindungsgemässe Wärmeübertrager mit einem herkömmlichen Wärmeübertragerteil 4 für den Wärmeeintrag 4 und dem Rohrkäfig, bestehend aus einer unteren Ringleitung 9, einer oberen 25 Ringleitung 10, Strangleitungen 7, einem Verteiler für das Wärmequellenmedium 14, einem Sammler für das Wärmequellenmedium 15 und einer Rücklaufleitung 6 sowie ein Wärmeübertrager 5 für den Wärmeaustrag integriert sind. To explain the mode of operation of the heat transfer device, its use is shown in a known form of a dynamic latent heat store. 20 The memory consists of a pressure-tight and tight envelope 3, in which the heat exchanger according to the invention with a conventional heat exchanger part 4 for the heat input 4 and the tube cage, consisting of a lower ring line 9, an upper 25 ring line 10, branch lines 7, a distributor for the heat source medium 14, a collector for the heat source medium 15 and a return line 6 and a heat exchanger 5 for the heat discharge are integrated.

Der Wärmeübertrager 4 und möglicherweise auch die 30 untere Ringleitung 9 befinden sich in einem Bereich 1 für den Wärmeeintrag, der mit dem Wärmetransportmittel gefüllt ist. The heat exchanger 4 and possibly also the lower ring line 9 are located in an area 1 for the heat input which is filled with the heat transport medium.

Darüber befindet sich (aufgrund gewollter Dichteunterschiede) das Phasenwechselmaterial 2, welches den Rohr-35 käfig umschliesst. Über dem Phasenwechselmaterial 2 schliesst sich ein Bereich für den Wärmeaustrag 13 an, welcher nur mit dem Dampf des Wärmetransportmittels gefüllt ist. Der Strömungsweg für das Wärmequellmedium 11 und der Strömungsweg für das Wärmeverbrauchermedium 40 12 sind ebenfalls dargestellt. Im Falle des Wärmeeintrags werden sowohl der Wärmeübertrager des Wärmeeintragsbereiches als auch der Rohrkäfig mit einem Wärmequellenmedium durchströmt, welches eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials 2 besitzt. 45 Infolge des Durchströmens beider Systeme laufen 2 Vorgänge gleichzeitig ab. Above (due to deliberate density differences) is the phase change material 2, which encloses the tube 35 cage. Above the phase change material 2 there is an area for the heat discharge 13, which is only filled with the steam of the heat transport medium. The flow path for the heat source medium 11 and the flow path for the heat consumer medium 40 12 are also shown. In the case of heat input, both the heat exchanger in the heat input area and the tube cage are flowed through with a heat source medium which has a temperature above the melting temperature of the phase change material 2. 45 As a result of the flow through both systems, 2 processes take place simultaneously.

Zum einen wird das Phasenwechselmaterial entlang der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs zu Kanälen 8 aufgeschmolzen, zum anderen verdampft das Wärmetransport-50 mittel im Bereich für den Wärmeeintrag 1 an der Oberfläche des Wärmeübertragers 4. On the one hand, the phase change material is melted along the string lines 7 of the tube cage to form channels 8, on the other hand, the heat transport medium evaporates in the area for the heat input 1 on the surface of the heat exchanger 4.

Die entstehenden Dampfblasen steigen in den Kanälen auf, wobei sie infolge der Neigung der Kanäle in ständiger Berührung mit dem noch ungeschmolzenen Phasenwechsel-5S material sind. The resulting vapor bubbles rise in the channels, whereby due to the inclination of the channels they are in constant contact with the still unmelted phase change 5S material.

Ein Aufsteigen der Blasen ohne eine solche Berührung ist nicht möglich. Da nach dem Funktionsmechanismus des gewöblten Speichersystems die Verdampfung bei einer Tem-60 peratur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erfolgt, besitzen die Dampfblasen Temperaturen, die höher sind als die Schmelztemperatur. The bubbles cannot rise without such contact. Since, according to the functional mechanism of the curved storage system, the evaporation takes place at a temperature above the melting temperature of the phase change material, the vapor bubbles have temperatures that are higher than the melting temperature.

Infolge der Berührung der Dampfblasen mit festem Phasenwechselmaterial 2, dessen Temperatur im ungeschmol-65 zenen Zustand nur niedriger als die Schmelztemperatur sein kann, erfolgt eine Kondensation des Dampfes mit gleichzeitiger Übertragung der Kondensationswärme an das Phasenwechselmaterial 2. As a result of the vapor bubbles coming into contact with solid phase change material 2, the temperature of which in the unmelted state can only be lower than the melting temperature, the steam is condensed with simultaneous transfer of the heat of condensation to the phase change material 2.

673889 673889

4 4th

Die Übertragung der Kondensationswärme bewirkt entweder die allmähliche Erwärmung des Materials bis zur Schmelztemperatur oder, wenn diese schon erreicht ist, den Phasenwechsel in dem schmelzflüssigen Zustand. The transfer of the heat of condensation causes either the gradual heating of the material up to the melting temperature or, if this has already been reached, the phase change in the molten state.

Das aus dem Dampf des Wärmetransportmittels gebildete Kondensat tropft im Kanal 8 nach unten und kommt wiederum durch die Neigung des Kanals in Kontakt mit ungeschmolzenem Phasenwechselmaterial 2 an der unteren Innenseite der Kanäle 8. Das zurückfliessende Kondensat wird am Wärmeübertrager 4 erneut verdampft, so dass sich der gesamte Vorgang in fortlaufendem Zyklus wiederholt. D; der Rohrkäfig nicht aus dem Phasenwechselmaterial 2 hinausragt, spielt sich dieser Zyklus nur im Inneren des Phasenwechselmaterials 2 mit hoher Effektivität der Wärmeübertragung ab. The condensate formed from the vapor of the heat transport medium drips downward in the channel 8 and in turn comes into contact with unmelted phase change material 2 on the lower inside of the channels 8 due to the inclination of the channel. The condensate flowing back is evaporated again at the heat exchanger 4, so that the the entire process is repeated in a continuous cycle. D; the tube cage does not protrude from the phase change material 2, this cycle only takes place inside the phase change material 2 with high effectiveness of heat transfer.

Aus Versuchen, die mit Na2 SO4 • 10 H2O als Phasenwechselmaterial und Kältemittel durchgeführt wurden, konnte 5 ermittelt werden, dass bei einer Neigung der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs von 780 gegenüber der Horizontalen und einer den Rohrkäfig durchströmenden Menge von 8% des im Latentwärmespeicher eingespeisten Wärmequellenmediums eine Leistungssteigerung des Wärmeeintrags in den Speicher 10 von 20% erreichbar ist. From experiments carried out with Na2 SO4 • 10 H2O as phase change material and refrigerant, 5 it could be determined that with an inclination of the string lines 7 of the pipe cage of 780 with respect to the horizontal and an amount of 8% of the heat source medium fed into the latent heat store flowing through the pipe cage a 20% increase in the heat input into the memory 10 can be achieved.

Eine gleichgrosse Leistungssteigerung würde mit herkömmlichen Mitteln, d. h. durch Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers 4, einen etwa 8-fachen Materialaufwand erfordern. An equally large increase in performance would be achieved with conventional means, i.e. H. by increasing the heat transfer area of the heat exchanger 4, require an approximately 8-fold material expenditure.

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

1. Heat transfer device for dynamic heat input or output remain in the liquid state or latent heat storage, which is used for heat input with boiling low-boiling liquids, such as. B. refrigerants that work during and condensing heat transport means, rend the heat input and heat exchange between which in direct contact with the phase change material s undergo boiling and condensing. It is assumed in advance, consisting of a first heat exchanger (4), that the heat transport means and the phase changes - the area of the heat materials filled with heat transport means are not soluble in one another and separate from one another in the part provided with melting lines.

The area of phase change material and a second essential is that for all inventions in which

Heat exchangers (5) are used for the liquids boiling with the vapor of the heat, the area of the heat transfer filled with the heat transfer agent, metering means with the help of circulation pumps in motion, characterized in that the melting lines (7, 9) add the heat transfer agent via the Boiling processes 10) form a frustoconical tube cage, one of which can be done without a drive, and a mechanical number of string lines (7) which do not necessarily require an inclination of 50 °.

Have at least 85 ° to the horizontal over at least solutions in which circulation pumps are used

a ring line (9), which are the base of the cone z. B. in DE-OS 2 826 404, which forms DE-OS 3 023 494 and blunt, are interconnected. DE-OS 2916 514. Solutions with boiling

1

! j

673889 2

PATENT CLAIMS Liquids such as B. oils suggested during the

2. Heat transfer device according to claim 1, and condensing heat transport means, which are characterized in that the strand lines (7) operate without circulation pumps without. B. from DD-WP 225 857 an upper, the top surface of the truncated cone ring 20 and EP 0 079. EP 0 079 452 known.

line (10) and the lower ring line (9) interconnect There is a problem for both solutions:

are bound. In the solid state, the phase change material is for everyone

3. Heat transfer device according to claim 1, heat transfer medium not or only slightly permeable.

characterized in that the strand pipes (7) are pipe. As a result of this impermeability is the process of thermal grinding and the upper ring pipe (10) in phase entry into the phase change material either under-change material (2) over the lower ring pipe (9) tied or severely disabled.

Area of heat input (1). The circulation of heavy boiling liquids is

4. Heat transfer device according to claim 1, characterized by either not or only with high pump pressures characterized in that the frustoconical tube is possible. The circulation of low-boiling liquids is caged from a completely in the phase change material (2) 30 only within the existing pipe coil in the phase change material. Capillaries and cracks or in phase change materials that

5. Heat transfer device according to claim 1, pre-characterized by special additives as a bed of crystals, characterized in that the frustoconical tube are possible in the spaces between the crystals. The cage consists of a lower ring line (9) and a plurality of steam lines (7) closed at the top when the phase change material is boiling. 35 and the condensate flowing back obstruct the

Interstices mutually and thus do not allow high heat transfer rates.

To solve this problem in DE-PS 3 010 625 for heavy-boiling liquids, a so-called reflow tool 40 is guided vertically through the phase change material