DD256434A3

DD256434A3 - Waermeuebertrager fuer dynamische latentwaermespeicher

Info

Publication number: DD256434A3
Application number: DD85285763A
Authority: DD
Inventors: Andreas Guenther; Uwe Kessner; Wolfgang Ahrens; Christine Eildermann; Thomas Fanghaenel; Hans-Heinz Emons; Wolfgang Dittrich; Ruediger Naumann
Original assignee: Ingenieurtechnik Halle Bt Kael
Priority date: 1985-12-31
Filing date: 1985-12-31
Publication date: 1988-05-11
Also published as: CH673889A5; SE8605619L; HU199980B; SE8605619D0; SE461546B; ATA332486A; SU1657891A1; HUT46141A; BG50799A1; DE3642754A1; JPS62182594A; AT388046B

Abstract

Die erfindungsgemaesse Loesung bezieht sich auf das Gebiet der Waermespeichertechnik, insbesondere unter Nutzung der Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien. Die Aufgabe der Erfindung, den Waermeeintrag in einem Latentwaermespeicher zu verbessern, wird dadurch geloest, dass der auf der Waermeeintragsseite des Speichers notwendige Waermeuebertrager aus zwei Baugruppen besteht. Dabei ist der eine Teil des Waermeuebertragers ein System konventioneller Bauart. Der zweite Teil des Waermeuebertragers besteht erfindungsgemaess aus einem kegelstumpffoermigen Rohrkaefig, auf dessen (gedachter) Mantelflaeche eine Vielzahl von Strangleitungen, Rohrschleifen oder Rohrwendeln angeordnet sind, wobei sich der Rohrkaefig nahezu vollstaendig im Phasenwechselmaterial des Speichers befindet. Dadurch koennen im Phasenwechselmaterial Aufschmelzkanaele geschaffen werden, die eine Leistungssteigerung beim Waermeeintrag bis zu 30% ermoeglichen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmespeichertechnik, insbesondere unter Nutzung von Phasenwechselmaterialien. Die konstruktive Gestaltung des Latentwärmespeichers zielt auf die weitere Verbesserung der Betriebsführung des Speichersystems.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum Problemkreis der Latentwärmespeicher sind eine Vielzahl von Konstruktionen und Methoden der Betriebsführung vorbekannt. Die in der Fach- und Patentliteratur beschriebenen Lösungen beziehen sich

1. auf bestimmte Phasenwechselmaterialien mit möglichst großer Phasenumwandlungswärme um das Speichervolumen so gering wie möglich zu halten,

2. auf Stoffe und Zusatzelemente, um die speziellen, den Wärmeeintrag/Wärmeaustrag in/aus dem Phasenwechselmaterial negativ beeinflussenden Eigenschaften des Phasenwechselmaterials auszugleichen.

Lösungen dieser Art sind ζ. Β. nach

DE-OS 2.937.959

DD-AP 209.902

DD-WP 154.126

vorgeschlagen.

Die Mehrheit der vorbekannten Lösungsvorschläge bezieht sich auf Speicherkonstruktionen, bei denen der Wärmeeintrag bzw. derWärmeaustrag unter Zuhilfenahme spezieller Wärmetransportmittel, die in direktem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial stehen, erfolgt. Diese Stoffe können z. B. Mineralöl oder auch Kältemittel sein.

Mit dem Ziel der Erhöhung der Wärmeübertragerleistung beim Wärmeeintrag in den Latentwärmespeicher werden bevorzugt mechanische Hilfsvorrichtungen eingesetzt, um durch Bewegung des Wärmetransportmittels innerhalb der Speicherkonfiguration eine erhöhte konvektive Wärmeübertragung zu sichern. So werden gemäß CH-PS 636.427 oder DD-WP 154.126 Rührwerke vorgeschlagen oder Pumpenkreisläufe vorgesehen, wie in DE-OS 2.826.404, DE-OS 3.023.494 oder

DE-OS 2.916.514 beschrieben. Ohne die genannten mechanischen Hilfsmittel ist die Funktionstüchtigkeit des gesamten Latentwärmespeicher-Systems wesentlich beeinträchtigt.

Bei Systemen, bei welchen während der Betriebsführung des Latentwärmespeichers das Wärmetransportmittel verdampft bzw. kondensiertjstdie Behinderung darin begründet, daß der Wärmeeintrags-Zyklus gehemmt ist, da das Wärmetransportmittel im kondensierten Zustand nicht ungehindert zum Wärmeübertrager der Wärmeeintragsseite zurückfließen kann.

Diese nachteilige Eigenschaft des Systems ergibt sich durch die Wirkung des aufsteigenden Wärmetransportmittel-Dampfes und die Behinderung des freien Rückflusses des Wärmetransportmittel-Kondensats durch noch nicht geschmolzene Kristalle des Phasenwechselmaterials.

Im Falle des Einsatzes von nicht verdampfenden bzw. kondensierenden Wärmetransportmitteln wird der zum Betrieb des Latentwärmespeichers notwendige Kreislauf des Wärmetransportmittels durch die Kristallschüttung des Phasenwechselmaterials stark behindert, wenn nicht sogar vollständig unterbrochen.

Darüber hinaus sind Konstruktionen von Latentwärmespeichern bekannt, die die Druckdifferenz zwischen Wärmetransportmittel-Kondensat und dampfförmigem Wärmetransportmittel bzw. einen sogenannten „hydrostatischen Druck" im Wärmetransportmittelkreislauf nutzen und damit auf den Einsatz mechanischer Mittel verzichten.

Derartige Lösungen, z.B. gemäß DE-OS 3.107.240 bzw. DE-OS 3.226.319, sind aber in ihrer Wirksamkeit dadurch eingeschränkt, da die Größe des Drucks, physikalisch bedingt, nicht beliebig gesteigert werden kann bzw. durch die Bauhöhe des Speichers begrenzt ist. Im Falle des Vorschlages nach DE-OS 3.107.240 kann auch nur die Ausspeicherleistung erhöht werden, während sich der Wärmeeintrag nicht verbessert.

Des weiteren sind Lösungsvarianten für Latentwärmespeicher bekannt, bei denen auf Pumpen oder Rührwerke verzichtet wird, weil durch spezielle Vorrichtungen im Phasenwechselmaterial lokale Durchlässe zur Aufrechterhaltung des Kreislaufs für das Wärmetransportmittel geschaffen werden sollen.

Gemäß DE-PS 3.010.625 wird die Energie der Wärmequelle genutzt, um mittels einer sogenannten Aufschmelzleitung, die durch das Phasenwechselmaterial führt, einen Kanal freizusetzen, über den der pumpengestützte Kreislauf des Wärmetransportmittels geschlossen werden kann.

Durch die senkrechte Anordnung dieser Aufschmelzleitung im Phasenwechselmaterial ist die Wärmeeinwirkung des Wärmeübertragungsmittels auf das Phasenwechselmaterial, das die Wandung des freigesetzten Strömungskanals bildet, sowohl im verdampften Zustand als auch als Kondensat gering. Durch die relativ kurze Verweilzeit des Wärmetransportmittels innerhalb des Kanals wird auch nur eine geringe Vorwärmung des Phasenwechselmaterials erreicht. Lokale Durchlässe für ein Wärmetransportmittel sollen gemäß DE-OS 2.846.230 mittels eines schlauchförmigen Verdrängungskörpers erzielbar sein.

Dieser Verdrängungskörper soll sein Volumen verringern, wenn das Phasenwechselmaterial in den festen Aggregatzustand übergeht.

Unabhängig von der komplizierten Mechanik erscheint das Erfindungsziel kaum erreichbar, da das Material des Verdrängungskörpers, das eine gute Verträglichkeit mit dem Phasenwechselmaterial (Korrosionsverhalten) bei großer Elastizität aufweisen müßte, nicht offenbart ist.

Ziel der Erfindung

Ausgehend von den Mängeln des Standes der Technik ist es Ziel der Erfindung, einen Latentwärmespeicher zu schaffen, der sich durch einen schnelleren Wärmeeintrag gegenüber den bekannten Lösungen auszeichnet und damit neben einer Verbesserung der Betriebssicherheit erhöhte Gebrauchseigenschaften besitzt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Um das Ziel der Erfindung zu erreichen, ergibt sich die Aufgabe, die Konstruktion des Wärmeübertragers auf der Seite des Wärmeeintrags eines Latentwärmespeichers, z. B. gemäß DD-WP 225.857 und die Anordnung dieses Wärmeübertragers innerhalb des Speichersystems so zu gestalten, daß das für den Wärmetransport innerhalb des Speichers verantwortliche Wärmetransportmittel besser zur Wirkung kommt und damit eine wesentliche Voraussetzung geschaffen wird, vor allem den Wärmeeintrag in den Speicher schnell und umfassend zu sichern. Das bedeutet eine wesentliche Erhöhung der Wärmeübertragungsleistung bei Ladeprozeß und eine Verkürzung der Ladezeit. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Latentwärmespeicher, gemäß DD-WP 225.857 bestehend

— aus einem Bereich für den Wärmeeintrag, in dem ein erster Wärmeübertrager, der vollständig von einem Wärmetransportmittel eingeschlossen ist, angeordnet ist

— aus einem Bereich für den Wärmeaustrag, in dem ein zweiter Wärmeübertrager, der nur vom Dampf des Wärmetransportmittels umgeben ist, angeordnet ist

— aus einem Volumen, daß vollständig mit Phasenwechselmaterial gefüllt ist und die beiden vorgenannten Bereiche als Zwischenbereich voneinander trennt

— und einem gemeinsamen Hüllkörper, der das Phasenwechselmaterial und die Bereiche für den Wärmeeintrag und Wärmeaustrag umschließt

der Wärmeübertrager auf der Wärmeeintragsseite aus zwei Teilen besteht.

Erfindungsgemäß bildet der erste Teil dieses Wärmeübertragers einen kegelstumpfförmigen Rohrkäfig, während der zweite Teil des Wärmeübertragers in an sich bekannter Form, z. B. als Rohrschlange, ausgebildet ist. Beide Teile des Wärmeübertragers auf der Wärmeeintragsseite des Latentwärmespeichers sind strömungstechnisch in Bezug auf das Wärmequellenmedium vorzugsweise parallel oder in Reihe geschaltet. Der Rohrkäfig besteht erfindungsgemäß aus einer oberen und einer unteren Ringleitung und einer Vielzahl von Strangleitungen, die auf der gedachten Mantelfläche eines Kegelstumpfes von der unteren zur oberen Ringleitung des Rohrkäfigs führen und mit ihnen strömungstechnisch verbunden sind.

Erfindungsgemäß wird das Wärmequellenmedium über einen Verteiler im Raum für den Wärmeeintrag nicht nur zu einem Teil durch den Wärmeübertrager konventionellen Bauart geleitet, sondern ein bestimmter Teil des Wärmequellenmediums wird durch den Rohrkäfig geführt. Dieser Teil des Wärmequellenmediums strömt nach Verlassen des Verteilers durch die untere

Ringleitung, danach gleichmäßig durch alle Strangleitungen und wird über die obere Ringleitung der Rücklaufleitung des Rohrkäfigs zugeführt, die in einem Sammler im Raum des Wärmeeintrags endet.

In einer zweiten Form der Erfindung sind die auf einer (gedachten) Mantelfläche eines Kegelstumpfes angeordneten Strangleitungen durch Rohrschleifen ersetzt. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, daß die vorgenannte obere Ringleitung im Innern des (gedachten) Kegelstumpfes dicht oberhalb der unteren Ringleitung angeordnet ist. Die Durchmesser der beiden Ringleitungen sind nur wenig unterschiedlich. Wesentlich ist, daß sich in beiden Fällen die obere Ringleitung im Raum des Phasenwechselmaterials befindet, während die untere Ringleitung im Bereich des Wärmeeintrags angeordnet ist. In einer dritten Ausführungsform der Erfindung entsteht der kegelstumpfförmige Rohrkäfig dadurch, daß die (gedachte)· Mantelfläche des Kegelstumpfes durch eine Rohrwendel gebildet wird. In diesem Falle sind die beiden Ringleitungen überflüssig. Erfindungsgemäß ist die Konstruktion des kegelstumpfförmigen Rohrkäfigs so ausgeführt, daß 5-20% der Wärmeeintragsleistung durch diesen Wärmeübertrager in das Phasenwechselmaterial eingebracht werden und die Seitenlinien des Kegelstumpfes mit der Horizontalen einen (Innen-) Winkel im Bereich 50° bis 85° bilden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In Fig. 1 ist die zuerst genannte Ausführungsform des Rohrkäfigs in Verbindung mit einem beliebigen konventionellen

Wärmeübertrager dargestellt. . .

Beide Systeme bilden erfindungsgemäß den Wärmeübertrager zum Wärmeeintrag.

Zur Erläuterung der Funktionsweise des Wärmeübertragers ist dessen Anwendung in einer bekannten Form eines dynamischen Latentwärmespeichers gezeigt.

Der Speicher besteht dabei aus einem druckfesten und dichten Hüllkörper 3, in welchem der erfindungsgemäße Wärmeübertrager mit seinem konventionellen Teil 4 und dem Rohrkäfig, bestehend aus einer unteren Ringleitung 9, einer oberen Ringleitung 10, Strangleitungen 7, einem Verteiler für das Wärmequellenmedium 14, einem Sammler für das Wärmequellenmedium 15 und einer Rücklaufleit'ung 6 sowie ein Wärmeübertrager 5 für den Wärmeaustrag integriert sind.

Der konventionelle Teil des Wärmeübertragers 4 und möglicherweise auch die untere Ringleitung 9 befinden sich in einem Bereich für den Wärmeeintrag 1, der mit dem Wärmetransportmittel gefüllt ist.

Darüber befindet sich (aufgrund gewollter Dichteunterschiede) das Phasenwechselmaterial 2, welches den Rohrkäfig

umschließt. Über dem Phasenwechselmaterial schließt sich ein Bereich für den Wärmeaustrag 13 an, welcher nur mit dem Dampf des Wärmetransportmittels gefüllt ist. Der Strömungsweg für das Wärmequellenmedium 11 und der Strömungsweg für das Wärmeverbrauchermedium 12 sind ebenfalls dargestellt. Im Falle des Wärmeeintrags werden sowohl der konventionelle Teil des Wärmeübertragers als auch der Rohrkäfig mit einem Wärmequellenmedium durchströmt, welches eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials besitzt.

Infolge des Durchströmens beider Systeme laufen 2 Vorgänge gleichzeitig ab.

Zum einen wird das Phasenwechselmaterial entlang der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs zu Kanälen 8 aufgeschmolzen, zum anderen verdampft das Wärmetransportmittel im Bereich für den Wärmeeintrag 1 an der Oberfläche des konventionellen Teiles des Wärmeübertragers 4.

Die entstehenden Dampf blasen steigen in den Kanälen auf, wobei sie infolge der Neigung der Kanäle in ständiger Berührung mit dem noch ungeschmolzenen Phasenwechselmaterial sind.

Ein Aufsteigen der Blasen ohne eine solche Berührung ist nicht möglich. Da nach dem Funktionsmechanismus des gewählten Speichersystems die Verdampfung bei einerTemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials erfolgt, besitzen die Dampfblasen Temperaturen, die größer sind, als die Schmelztemperatur.

Infolge der Berührung der Dampfblasen mit festem Phasenwechselmaterial 2, dessen Temperatur im ungeschmolzenenen Zustand nur kleiner als die Schmelztemperatur sein kann, erfolgt eine Kondensation des Dampfes mit gleichzeitiger Übertragung der Kondensationswärme an das Phasenwechselmaterial.

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.

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 konventionellen Teil des Wärmeübertragers erneut verdampft, so daß sich der gesamte Vorgang in fortlaufendem Zyklus wiederholt.

Da der Rohrkäfig nicht aus dem Phasenwechselmaterial hinausragt, spielt sich dieser Zyklus nur im Inneren des Phasenwechselmaterials 2 mit hoher Effektivität der Wärmeübertragung ab.

Aus Versuchen, die mit Na₂SO₄- 10H₂O als Phasenwechselmaterial und Kältemittel durchgeführt wurden, konnte ermittelt werden, daß bei einer Neigung der Strangleitungen 7 des Rohrkäfigs (bzw. der Seitenlinie des Kegelstumpfes) von 78° gegenüber der Horizontalen und einer den Rohrkäfig durchströmenden Menge von 8% des im Latentwärmespeicher eingespeisten Wärmequellenmediumseine Leistungssteigerung des Wärmeeintrags in den Speicher von 20% erreichbar ist.

Eine gleichgroße Leistungssteigerung würde mit konventionellen Mitteln, d. h. durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche des konventionellen Wärmeübertragers, einen etwa 8fachen Materialaufwand erfordern.

Claims

1. Wärmeübertrager für dynamische Latentwärmespeicher, die zum Wärmeeintrag mit siedenden und kondensierenden Wärmetransportmitteln arbeiten, welche in direktem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial stehen, bestehend aus einem konventionellen Teil und einem mit Aufschmelzleitungen versehenen unkonventionellen Teil, die innerhalb dynamischer Latentwärmespeicher so angeordnet sind, daß der konventionelle Teil mit dem Wärmetransportmittel und derunkonventionelleTeil mit dem Phasenwechselmaterial in Berührung sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Aufschmelzleitungen einen kegelstumpfförmigen Rohrkäfig derart bilden, daß eine oder mehrere Strangleitungen (7) auf der (gedachten) Mantelfläche des Kegelstumpfes, die eine Neigung von 50 bis 85° gegenüber der Horizontalen hat, angeordnet sind.

2. Wärmeübertragung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strangleitungen (7) über eine obere, die Deckfläche des Kegelstumpfes bildende, im Phasenwechselmaterial befindliche, als Ringleitung (10) ausgebildete Strangleitung und eine untere, ebenfalls als Ringleitung (9) ausgebildete Strangleitung, die die Grundfläche des Kegelstumpfes bildet, miteinander verbunden sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strangleitungen (7) Rohrschleifen sind und sich die obere, als Ringleitung (10) ausgebildete Strangleitung im Phasenwechselmaterial (2) über der unteren, ebenfalls als Ringleitung (9) ausgebildeten Strangleitung im Bereich für den Wärmeeintrag (1) befindet.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Rohrkäfig aus einer als Rohrwendel ausgebildeten Strangleitung (7) besteht, die sich vollständig im Phasenwechselmaterial (2) befindet.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Rohrkäfig nur eine als untere Ringleitung (9) ausgebildete Strangleitung (7) besitzt und die Mantelfläche aus einer Vielzahl oben verschlossener Strangleitungen (7) besteht.

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