DD269209A1

DD269209A1 - Vorrichtung zur drucksicherung dynamischer latentwaermespeicher

Info

Publication number: DD269209A1
Application number: DD87310853A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Ahrens; Christine Eildermann; Ruediger Naumann; Hans-Heinz Emons; Andreas Guenther; Uwe Kaessner
Original assignee: Bauakademie Ddr
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1987-12-21
Publication date: 1989-06-21

Abstract

Die erfindungsgemaesse Vorrichtung zur Drucksicherung dynamischer Latentwaermespeicher ist vorzugsweise fuer solche Latentwaermespeicher vorgesehen, die mit Waermetransportmitteln im Wechsel zwischen Verdampfen und Kondensieren in vollstaendig geschlossenen Behaeltern, Anlagen oder Zirkulationssystemen betrieben werden. Aufgabe der Erfindung ist es, die in geschlossenen dynamischen Latentwaermespeichern unter zu grosser Waermeeinwirkung entstehenden Druckbelastungen ohne Verlust des Waermetransportmittels abzubauen und nach Absinken des Druckes den normalen Betriebszustand des Speichers wieder herzustellen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, indem der mit dem Waermetransportmitteldampf gefuellte Hohlraum des Latentwaermespeichers ueber ein Druckrohr mit einem Auffanggefaess verbunden ist und innerhalb des Druckrohres Absperrvorrichtungen mit entgegengesetzten Durchlassrichtungen angeordnet sind.

Description

Titel der Erfindung

Vorrichtung zur Druokaioherung dynamischer Latentwärmeapeicher

Anwendungsgebiet der Erfindung. .

Dynamische Latentwärmespeicher, die mit Wärmetransportmitteln in direktem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial zum Wärmeeintrag und Wärmeaustrag arbeiten, unterliegen im überhitzten Zustand Druckbelastungen, welche die zulässige Druckbeanspruchung der Speicherbehälter übersteigen können» Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drucksicherung dynamischer Latentwärmespeicher ist vorzugsweise für solche Latentwärmespeicher vorgesehen, die mit Wärmetransportmitteln im Wechsel zwischen Verdampfen und Kondensieren in vollständig geschlossenen Behältern, Anlagen oder Zirkulationssystemen betrieben werden.

Charakteristik d^r bekannten technischen Lösungen

Pur Latentv/ärmespeicher liegt eine Vielzahl technischer Lösungen vor, welche die mit den verwendeten Phasenwechse!materialien bestehenden allgemeinen Probleme, wie schlechte Wärmeleitfähigkeit, Stratifikation, Entmischung, Unterkühlung u«ä. mehr oder weniger vollkommen klären oder beseitigen«

Zu den Lösungen, die aufgrund ihres Wirkprinzips besonders viele dieser Probleme beseitigen, gehören die Latentwärme-Speichersysteme, die mit Wärmetransportmitteln arbeiten, welche in direktem Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial im Wechsel zwischen Verdampfen und Kondensieren den Wärmeeintrag in das Phasenwechselmaterial und den Wärmeaustrag aus dem Phasenwechselmaterial bewirken»

Dazu gehören z.B. DE-OS 2826, DE-OS 3236 319, DD-PS 207758 und DE-PS 3324 9431.

In diesen Lösungen werden Speicherbehälter verwendet, die gegenüber der Umgebung vollständig abgedichtet sind. Aufgrund der Abdichtung ist die Wärmeübertragung während des Wärmeeintrags und Wärmeaustrags druckabhängig.

Durch die gezielte Auswahl eines geeigneten Wärmetransportmittels ist es möglich, den Speicherinnendruck im Bereich der fUr den Speicher charakteristischen Wärmeein- unä Wärmeaustragstemperaturen in der Nähe des Umgebungsdrucks , insbesondere des Luftdrucks, zu halten«

Bei davon abweichenden Temperaturen kann der entstehende Innendruck stark vom Umgebungsdruck abweichen und dadurch Festigkeits- bzwp Sicherheitsprobleme fUr den Speicherbehälter hervorrufen·

Dieser Pail tritt ein, entweder, wenn dem Speichermaterial nach dem Aufschmelzen weiter Y/ärme zugeführt wird, oder durch Versagen der Steuer- und Regelungstechnik.

Der Schutz druckbelasteter Behälter wird in der Praxis durch Sicherheitsventile erreicht, die beim überschreiten des maximal zulässigen Behälterinnendrucks öffnen und das unter Druck stehende Material (Luft, Dampf, Gas) abblasen. Im Falle der Latentwärmespeicher ergibt sich unter Anwendung dieser Technik ein vollständiger oder teilweiser Verlust des Y/ärme t r ans ρ or t mit t e Is.

Da die Wärmetransportmittel im allgemeinen einen der höchsten Kostenanteile dynamischer Latentwärmespeicher verursachen, stellt das Abblasen des Materials eine sehr unökonomische Lösung dar.

Die bei Latentwärmespeichern vorhandene Drucksicherungsproblematik ist bisher in verschiedenen Lösungen behandelt worden, wie z.B. in DE-PS 3001 725, DE-OS 3023 494, DE-OS 2517 921, DE-OS 3005 450 und DE-OS 2551 37S.

Bei diesen Lösungen besteht das Ziel jedoch primär in der Kompensation der durch die V/ärme aus dehnung des Speichermaterials hervorgerufenen Volumenvergrößerung, sekundär bieten diese aber auch einen Schutz gegen Überdruck, wenn das Volumen des gasgefüllten Hohlraums, wie in DE-OS 2517 921 oder DE-PS 3001 725 durch Ausbildung in Form eines Balges oder die Verwendung elastischen Materials vergrößert oder verkleinert werden kann,

Unter der Bedingung der Volumenvergrößerung bleibt der Speicher innendruck konstant, so daß keine unzulässigen Druckbelastungen entstehen können·

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Die Konstanz des Innendruokes bringt aber die Vorgänge des Wärmeein- und Wärmeaustraga in dynamischen Latentwärmespeichern, die mit siedenden und kondensierenden Wärmetransportmitteln arbeiten, zum Erliegen, so daß diese Lösungen nioht anwendbar sind·

DarUber hinaus erfolgt ein Druokabbau nur solange, wie die Elastizität des Materials des Hohlraums eine Volumenvergrößerung zuläßt«

Beim Erreichen der Elastizitätsgrenze baut sich der Di¹UCk erneut auf, so daß das Sicherheitsproblem weiterhin ungeklärt ist.

Auch die Übertragung des Innendrucks auf einen umhüllenden Druckbehälter, wie in DE-AS 2517 080 beschrieben, stellt keine ausreichende Lösung dar. Beim Erreichen des maximal zulässigen Druckes des Hüllbehälters muß wiederum aus dem Latentwärmespeicherbehälter Wärmetransportmittel entfernt werden, wodurch erneut ein Wärmetransportmittelverlust entsteht.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, die -Sicherung dynamischer Latentwärmespeicher gegen ungewollte Druckbelastungen ohne Verlust des Wärmetransportmittels zu ermöglichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in geschlossenen dynamischen Latentwärmespeichern unter zu großer Wärmeeinwirkung entstehenden Druckbelastungen ohne Verlust des Wärmetransportmittels abzubauen und nach Absinken des Druckes den normalen Betriebszustand des Speichers wieder herzustellen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, indem im Latentwärmespeicher im Bereich des Wrlrmetransportmitteldampfes ein Druckrohr vorhanden ist, welches Über eine Verzweigung auf zwei parallel geschaltete Ventile, vorzugsweise Expansionsventile, führt, die Abgänge hinter den Expansionsventilen wieder zusammengeführt werden und in ein geschlossenes

Auffanggefäß münden.

Die beiden Expansionsventile haben entgegengesetzte Durchlaßrichtungen,,

Beim Überschreiten des maximal zulässigen Speioherinnendruck3 öffnet eines der Expaneionsventile und expandiert einen Teil des Wärmetransportmitteldampfes in das Auffanggefäß. Unter der Bedingung, daß das Auffanggefäß im Aufstellungsraum des Speichers einer Temperatur (Raumtemperatur) ausgesetzt ist, die niedriger als die Speicherinnentemperatur ist, wird der expandierte V/ärmetransportmitteldampf im Auffanggefäß bei gleichzeitig fallendem Druck kondensiert.

Ist durch diesen einmaligen ExpansionsVorgang der zu hohe Innendruck des Speichers nicht abgebaut, wiederholt sich die Expansion selbsttätig solange, bis entweder durch Rücknahme der Wärmezufuhr in den Speicher der Druck unter den zulässigen Druck gefallen oder das gesamte Wärmetransportmittel au. ι dem Speicher entfernt ist und sich als Kondensat im Auffanggefäß befindet, so daß der Druck durch Entfernen des Wärmetransportmittels abgebaut wird.

Die Rückführung des Wärmetran3portmittels in den Speicherbehälter erfolgt durch Wärmeentzug aus dem Speicher bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur. Infolge den Wärmeentzugs senkt sich der Dampfdruck des WärmetransportmitteIs unter den Druck im Auffanggefäß ab, so daß Wärmetrahsportmittel aus dem Auffanggefäß über das zweite Expansionsventil in den Speicher expandiert wird.

Nach vollständiger Rückführung des Wärmetransportmittels in den Speicher ist dieser wieder arbeitsfähig·

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird an 2 Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung mit zwei Expans ionsvent ilen

!'ig. 2 eine Prinzip darstellung der Vorrichtung mit zwei ineinander angeordneten Expansions vent ilen

Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aua einem Druckrohr 1, welches durch Verzweigung zwei parallel angeordnete und in ihrer Durchlaßrichtung entgegengesetzte Expansionoventile 2 und 3 enthält,, sowie einem geschlossenen Auffanggefäß 4_f welches zur verbesserten Wärmeabgabe oberflächenvergrößernde Elemente, wie z.B. Rippen, besitzen kann» Die Vorrichtung ist über das Druckrohr 1 mit dem Inneren do3 Latentwärmespeicher 5 verbunden»

Die Einbindung des Druckrohres 1 erfolgt stets im Bereich des Wärmetransportmitteldampfes 6, der sich im Speicher befindet. Übersteigt der Druck das Wärmetransportmiulelclampfes 6 den zulässigen Innendruck des Latentwärmespeichers 5, so öffnet das Expansionsventil 2 und expandiert Wärmetransportmitteldampf 6 in das Auffanggefäß 4.

Befindet sich das Auffanggefäß 4 auf einem Temperaturniveau, welches niedriger ist, als das Temperaturniveau im Latentwärmespeicher '5, so wird ein Teil des Wärmetransportmitteldampfes kondensiert«

Im Auffanggefäß 4 befindet sich das Wärmetransportmittel damit zum Teil als Kondensat 7 und zum Teil als Dampf 8. Wird als Wärmetransportmittel z.B. ein Kältemittel verwendet, so liegt die Druckdifferenz zwischen dem Speicherinnendruck und dem Innendruck des Auffanggefäßes 4 b.ei mehreren "bar, wenn im Speiche·"· V.Urme für Heizzwecke oder Warmwasserbereitung auf einem Temperaturniveau zwischen 40 und 120 ⁰C und in der Umgebung des Auffanggefäßes 4 Raumtemperaturen kleiner gleich 30 ⁰C herrschen.

Die Rückführung des Wärmetranaportmittels aus dem Auffanggefäß 4 in den Speicher erfolgt mit dem Beginn der Wärmeausspeicherung über dan Wärnfeübertrager 9« Durch Kühlung des Wärmetransportmitteldampfes 6 mit Hilfe de3 Wärmeübertragers 9 sinkt der Druck im Latentwärmespeicher 5 unter den Druck im Auffanggefäß 4« Infolge der Druckänderung öffnet das Expansionsventil 3, so daß über das Druckrohr 1 Wärmetransportmittel in den Latentwärmespeicher 5 zurückfließt. Anateile des Expansionsventils 3 kann auch ein Magnetventil verwendet weifäfen, welches druckgesteuert öffnet.

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Das in Pig, 2 dargestellte AusfUhrungsbeispiel enthält ein Ventil 10 mit zwei ineinander angeordneten Expansionsventilen_e

Im Falle von Überdruck im Latentwärmespeicher 5 wird der im Ventil 10 vorhandene Ventilkegel 11 angehoben und Y/ärmetrans· portmittei in das Auffanggefäß 4 expandiert, in welchem es kondensiert und als Kondensat 7 anfällt« Durch Kühlung des V/ärmetransportmitteldampfe.q 6 mit Hilfe des Wärmeübertragers 9 und der damit verbundenen Druckabsenkung des Wärmotransportmitteldampfes 6 hebt der Ventilkegel 12 zusammen mit Ventilkegel 11 ab, 30 daß Y/ärmetransportmittel in den Latentwärmespeicher 5 expandiert wird. Das Abheben beider Ventilkegel kann auch über Magnetkraft erfolgen.

Claims

Erfindun&sansprüche

1t Vorrichtung zur Drucksicherung dynamischer Latentwärmespeicher, die mit Wärmetransportmitteln im Wechsel zwischen Sieden und Kondensieren zum Wärmeein- und Wärmeaustrag mit Latentspeichermaterialien in geschlossenen Behältern oder Systemen arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Wärmetransportmitteldampf (6) erfüllte Hohlraum des Latentwärmespeichers (5) Über ein Druckrohr (1) mit einem Auffanggefäß (4) verbunden ist und innerhalb des Druckrohres (1) zwei Expansionsvorrichtungen mit entgegengesetzten Durchlaßrichtungen angeordnet sind·
2, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Druckrohr (1) in zwei Teilleitungen verzv/eigt, jede der beiden Teilleitungen mit einem Ventil, vorzugsweise Expansionsventil (2, 3), verbunden ist, die beiden Teilleitungen nach den Ventilen in ein geschlossenes Auffanggefäß (4) münden, vornehmlich in der Weise, daß die Teilleitung des Expansionsventils (2), dessen Durchlaßrichtung zum Auffanggefäß (4) führt, oben in das Auffanggefäß (4) einbindet und die andere Teilleitung unten einbindet und das Auffanggefäß (4) nur den Dampf (8) und/oder das Kondensat (7) des Wäi'tnetranspo.vtmittels enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Druckrohr (1) und Auffanggefäß (4) nur ein Ventil (10) befindet, in dem zwei Ventilkegel (11, 12) angeordnet sind und daß bei Expansion des Wärmetransportmittels i-i das Auffanggefäß (4) nur ein Ventilkegel (11) und bei Expansion in den Latentwärmespeicher (5) beide Ventilkegel (11, 12) gleichzeitig abheben_e

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen