DD291827A5 - Latentwaermespeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Waermespeicherung mit einem Latentspeichermaterial unter Verwendung eines Waermetransportmittels. Gemaesz der Erfindung ist oberhalb des Waermeuebertragers fuer den Waermeeintrag (Verdampfer) eine aus einem Siebboden mit darauf liegenden Rachigringen gebildete Trennschicht angeordnet, waehrend unterhalb des Waermeuebertragers fuer den Waermeaustrag (Kondensator) ein einen Teilbereich des Kondensators abdeckender Trichter, dessen Verlaengerungsrohr bis in den Verdampferbereich ragt, vorgesehen ist. Der Verdampfer befindet sich somit ausschlieszlich in der fluessigen Phase des Waermetransportmittels. Das gesamte Waermetransportmittel ist an der Dynamik des Speicherprozesses beteiligt. Figur{Speicherbehaelter; Latentspeichermaterial; Waermetransportmittel; Verdampfer; Kondensator; Trennschicht; Siebboden; Raschigringe; Trichter; Verlaengerungsrohr; Rueckschlagventil}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Latentwärmespeicher, die aufgrund der Phasenumwandlung eines mit einem zwischen Verdampfen und Kondensieten wechselnden Wärmetransportmittel in direktem Kontakt stehenden Latentspeichermaterials Wärme bei konstanter Temperatur über Wärmeübertrager aufnehmen bzw. wieder abgeben. Die Anwendung der vorgeschlagenen Lösung erfolgt bei Wärmespeichern der genannten Art beispielsweise zur Wärmespeicherung aus Sonnenkollektoren, Wärmepumpen sowie von Abwärme.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Latentwärmespeicher, deren Funktion auf den Eigenschaften von Phasenwechselmaterialien beruht und die mit einem Wärmetransportmittel betrieben werden, sind bezüglich der konstruktiven Ausbildung und der Betriebsführung in vielfacher Ausführung bekannt.

Der Wärmeeintrag und -austrag erfolgt über Wärmeträgermedien und im Speicherbehälter angeordnete Wärmeübertrager.

Die bekannten Latentwärmespeicher sind in ihrer Wirkung dadurch beeinträchtigt, daß sich auf dem am Boden des Speicherbehälters angeordneten Wärmeübertrager Speicherstoffkristalle ablagern, die an den Wärmeübertragerflächen anbacken und infolge Austrocknung und damit erhöhtem Schmelzpunkt eine nicht mehr abschmelzbare feste Kruste bilden.

Dadurch wird die Wärmeübertragerleistung mehr und mehr verringert, bis schließlich die Speichertätigkeit gänzlich zum Erliegen kommt.

Es sind verschiedene Lösungen bekanntgeworden, mit denen eine Beseitigung der genannten Nachteile angestrebt wird.

So werden gemäß DE-OS 2543686 drallerzeugende umlaufende Vorrichtungen mit beheizbaren Abstreichflächen beschrieben, die einerseits den Speicherstoff in Bewegung halten und zum anderen die aktive Oberfläche des Wärmeübertragers bestreichen.

Nach der US-PS 3997001 erfolgt das Ablösen der Kristalle durch mechanische Schrapper, die durch Betätigung von außen über die Rohre des Wärmetauschers gezogen werden.

Diese Maßnahmen sind mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden. Die Störanfälligkeit der Speicheranlage wird erhöht. Außerdem gelingt es durch das Abschaben nicht, die Kristalle vollständig von den Rohroberflächen zu entfernen.

Gemäß einem anderen Vorschlag wird der durch den Wärmetauschar fließende Wärmeträgerstrom hin und wieder unterbrochen, oder es wird er. Wärmeträgermedium mit höherer Temperatur durch den Wärmetauscher geschickt, um die angebackenenen Kristalle des Wärmespeichermaterials abzuschmelzen.

Das Ablösen der niedergeschlagenen Speicherstoffkristalle gelingt jedoch auch mit diesem Verfahren nur unvollständig.

Ein anderer Nachteil bekannter Latentwärmespeicher, bei denen ein verdampfendes und kondensierendes Wärmetransportmittel verwendet wird, besteht darin, daß das kondensierte Wärmetransportmittel unter der Wirkung der aufsteigenden Dampfblasen und der Kristallschichtung nicht ungehindert zum Wärmeübertrager an der Wärmeeintragsseite zurückfließen kann. Störungen im Speicherbetrieb sind somit die Folge, da einerseits der Wärmetransport im Phasenwechselmaterial (Speicherstoff) verschlechtert wird und andererseits eine die Salzanlagerung am unteren Wärmeübertrager begünstigende Verarmung an Wärmetransportmittel am Boden des Speicherbehälters zu verzeichnen ist.

Der ungenügende Rückfluß von kondensiertem Wärmetransportmittel zum unteren Wärmeübertrager hat außerdem, bedingt durch die damit verbundene Temperaturerhöhung des Wärmetransportmittels am Speicherbehälterboden und die dadurch verursachte Nachverdampfung von Wärmetransportmittel, ein explosionsartiges Aufschleudern von Speichermedium und damit ein Verkleben des oberen Wärmeübertragers zur Folge, so daß auch die Wärmeübertragungsleistung bei der Wärmeausspeicherung beeinträchtigt ist.

Die zur Lösung dieses Problems vorgeschlagenen Maßnahmen, wie Anordnung von Rührwerken und Pumpen, Nutzung des sogenannten hydrostatischen Druckes im Wärmetransportmittelskreislauf oder Einbindung von Aufschmelzleitungen in das Phasenwechselmaterial, sind entweder durch die komplizierte Mechanik zu aufwendig oder bringen letztlich nicht den erwarteten Erfolg.

Ein weiterer Nachteil von Latentwärmespeichern der genannten Art besteht darin, daß die als Verdampfer für das Wärmetransportmittel fungierenden Wärmeübertrager aufgrund der für den Wärmeeintrag in das Speichermedium erforderlichen komplizierten konstruktiven Ausführung fertigungstechnisch aufwendig und, Im Zusammenhang mit der schlechten Austauschbarkeit, nicht wartungs- und reparaturfreundlich sind. Zum anderen besteht keine Möglichkeit der flexiblem Anpassung des Wärmeübertragers an unterschiedliche Wärmeträgermedien und -leistungen.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung wird mit geringem fertigungstechnischen und ökonomischen Aufwand eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften von Latentwärmespeichern durch Erhöhung der Speicherleistung, Vermeidung von Betriebsstörungen und Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten bezüglich der verwendeten Wärmeträger angestrebt.

Darlegung des Wesens dor Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde. Latentwärmespeicher auf der Basis eines mit dem Speicherstoff in direktem Kontakt stehenden, zwischen Verdampfern und Kondensieren wechselnden Wärmetransportmittels so weiterzuentwickeln, daß ein Verkrusten und Verkleben der Wärmeübertrager (Verdampfer und Kondensator) mit Phasenwechselmaterial bei gleichzeitiger Erhöhung der Wirkung des Wärmetransportmittels für den Speicherprozeß vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unterhalb des für den Wärmeaustrag vorgesehenen Kondensators ein Trichter angeordnet ist, dessen obere Öffnung einen Teilbereich des Kondensators abgedeckt und der mit einem bis zum Boden des Speicherbehälters reichenden Verlängerungsrohr verbunden ist.

Innerhalb des Verlängerungsrohres befindet sich, insbesondere bei großer Schütthöhe, ein Rückschlagventil, vorzugsweise in Form einer Schwebekugel. Der untere, als Verdampfer arbeitende Wärmeübertrager taucht ausschließlich in die flüssige Phase des Wärmetransportmittels ein, das von dem Speicherstoff durch eine oberhalb des Verdampfers angeordnete, über den Speicherbehälterquerschnitt reichende Trennschicht, bestehend aus einem Siebboden und darauf liegenden Raschigringen, getrennt ist. Anstelle der Raschigringe ist es auch möglich, andere geeignete Füllkörper, die einen hydraulischen Widerstand bewirken, einzusetzen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmeübertrager aus dem Speicherbehälter ausgekoppelt und außen am Speicherbehälter angeflanscht, wobei herkömmliche Wärmetauscher, d.h. sowohl Rohrbündel- als auch Lamellenrohrwärmeüberirager, eingesetzt werden.

Durch die Anordnung der Trennschicht in Verbindung mit dem Trichter wird im Bereich des Verdampfers eine eindeutige Trennung zwischen Speicherstcff und Wärmetransportmittel erreicht, so daß der Verdampfer sich ausschließlich im Wärmetransportmittel befindet.

Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenspannung von Speicherstoffschmelze und Wärmetransportmittel wird die Schmelze an der durch die Raschigringe gebildeten großen Oberfläche festgehalten. Zum andern wird über den Trichter zusätzlich ein kontinuierlicher Teilstrom kondensierten Wärmetranspottmittels unmittelbar dem unteren Toil des Speicherbehälters zugeführt, so daß in diesem Bereich keine Verarmung an Wärmetransportmittel auftritt und dennoch in den Verdampferraum gelangte Speicherstoffe nach oben geschwemmt und durch den Siebboden in den eigentlichen Speicherraum gedrückt werden. Das Rückschlagventil verhindert, daß das Wärmetransportmittel über das Verlängerungsrohr zurück in den Trichter gelangt, anstatt den schwierigeren Weg durch die Trennschicht und das Speichermaterial nach oben zu nehmen. Eine wesentliche Funkt^!on des vom Kondensator direkt in den Verdampferraum geführten Wärmetransportmittelteilstrom besteht außerdem darin, daß laufend kühleres Wärmetransportmittel zum Speicherboden gelangt und erwärmtes Wärmetransportmittel nach oben gedrückt wird. Dadurch ist gewährleistet, daß tatsächlich auch warmes Wärmetransportmittel an der Dynamik des Ausspeicherns teilnimmt und andererseits die infolge einer zu hohen Erwärmung des Wärmetransportmittels auftretende Nachverdampfung, die mit einem heftigen Aufschleudern des Speicherstoffs verbunden ist, vermieden wird.

Neben der Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik, die im wesentlichen in einer unzureichenden Wärmeübertragerund Speicherleistung sowie in einem hohen fertigungstechnologischen und ökonomischen Aufwand bestehen, bietet die vorgeschlagene Lösung darüber hinaus den Vorteil der variablen Ersetzbarkeit der Wärmeübertrager, sowohl in bezug auf das Wärmeträgermedium, und damit der Wärmeübertragerbauart, als auch hinsichtlich der Größe der Wärmetauscherflächen. Somit besteht die Möglichkeit der flexiblen Anpassung der Latentwärmespeicher an unterschiedlichen Wärmeeintragsleistungen, bis hin zum unmittelbaren Einsatz von Sonnenkollektoren als Verdampfer.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung, in der ein Latentwärmespeicher im Schnitt dargestellt ist, näher erläutert.

Der I atenlv/.'ii mespeicher besteht aus dem wärmeisolierten, gasdicht geschlossenen Speicherbehälter 1, in dessen unterem Teil der Verdampfer 2 und in dessen oberem Teil der Kondensator 3 angeordnet sind.

Der Speicherbehälter 1 ist mit Latentspeichermaterial 4, z.B. einem Salzhydrat und dem Wärmetransportmittel 5, z.B. CHCI3, gefüllt. Zu der Stoffkombination aus Latentspeichermaterial und Wärmetransportmittel werden noch oberflächenaktive Stoffe (Tenside) und Keimbildner hinzugefügt,

Oberhalb des Verdampfers 2 befindet sich der Siebboden 6, auf dem Glasrohrringe, sogenannte Raschigringe 7, aufgeschichtet sind. DerzurWärmeausspeicherung vorgesehene Kondensator 3 befindet sich in gasförmigem Wärmetransportmittel 5.2., während der Verdampfer 2 von flüssigem Wärmetransportmittel umgeben ist.

Innerhalb des Speicherbehälters 1 ist weiterhin der Trichter 8 mit dem Verlängerungsrohr 9 angeordnet.

Die obere Trichteröffnung befindet sich unmittelbar unter dem Kondensator 3 und ist in der Größe so ausgeführt, daß sie nur über einen Teil des Kondensators 3 reicht. Das Verlängerungsrohr 9 geht durch das Latentspeichermaterial 4 und die Trennschicht (6; 7) hindurch und ragt bis in das flüssige Wärmetransportmittel 5.1. unterhalb des Verdampfers 2. Im Verlängerungsrohr 9 ist das Rückschlagventil 10 angeordnet.

Beim Einspeichern von Wärme über den Verdampfer 2 bildet sich gasförmiges Wärmetransportmittel 5.2. Dio Gasblasen steigen nach oben und übertragen die im Verdampfungsvorgang aufgenommene Wärme auf das flockig verfestigte kristalline Latentspeichermaterial 4.1, das dabei aufgeschmolzen wird. Gleichzeitig wird ein Teil des Wärmetransportmittels wieder verflüssigt.

Wird dem Speicher Wärme entzogen, kondensiert das gasförmige Wärmetransportmittel 5.2 am Kondensator 3. Die Kondensattropfen fallen in die Schmelze, wobei sie unter Verdampfen Wärme aufnehmen. Infolgedessen kristallisiert das Wärmespeichermedium wieder aus.

Durch den oberhalb des Verdampfers 2 befestigten Siebboden 6 und die darauf lose liegenden Raschigringe 7 werden die Salzkristalle an einem weiteren Absinken gehindert. Ebenso gelangt aufgrund der unterschiedlichen Viskosität und Oberflächenspannung gegenüber dem Wärmetransportmittel auch kein flüssiges Latentspeichermaterial in den Verdampfungsbereich.

Über den Trichter 8 und das Verlängerungsrohr 9 wird ein Teil des flüssigen Wärmetransportmittels von Kondensator 3 unmittelbar in den untersten Bereich des Speicherbehältnis 1 geleitet, so daß zum einem einer Wärmetransportmittelverarmung am Verdampfer 2 entgegengewirkt und zum anderen Speichermaterial nach oben geschwemmt und durch den Siebboden 6 gedrückt wird.

Eine weitere Funktion der unmittelbaren Rückführung von Wärmetransportmittel über den Trichter 8 in den Verdampferbereich besteht darin, das gesamte im Speicherbehälter 1 vorhandene Wärmetransportmittel an der Dynamik des Ausspeichervorgangs am Kondensator 3 teilnehmen zu lassen, indem abgekühltes Wärmetransportmittel auf direktem Weg zum Speicherboden gelangt und dadurch das wärmere Wärmetransportmittel durch das Latentspeichermaterial nach oben gedrückt wird. Damit wird eine Erwärmung des Wärmetransportmittels im Verdampfungsbereich über die Sättigungstemperatur und die dadurch hervorgerufene Nachverdampfung verhindert und dem heftigen Aufschleudern des Speichermodiums, das zum Verkleben des Kondensators 3 führt, entgegengewirkt.

Das im Verläng orungsrohr 9 angeordnete Rückschlagventil 10 verhindert das Zurückfließe.!*: von Wärmetransportmittel aus dem Verdampferbereich in das Verlängerungsrohr 9.

Wenn die Flüssigkeitssäule im Verlängerungsrohr 9 über den Flüssigkeitsspiegel der Schmelze im Speicherbehälter 1 steigt, öffnet das Rückschlagventil selbsttätig, so daß das in den Trichter 8 abtropfende Wärmetransportmittel in den Verdampfungsbereich unterhalb der Trennschicht aus Siebboden 6 und Raschigringen 7 abfließen kann.

Claims (3)

1. Latentwärmespeicher mit in einem gasdicht geschlossenen Speicherbehälter befindlichem Latentspeichermaterial und mit diesem in direktem Kontakt stehenden, zwischen Verdampfen und Kondensieren wechselnden Wärmetransportmittel sowie einem Verdampfer für das Einspeichern und einem Kondensator für das Ausspeichern der Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Verdampfer (2) in einem ausschließlich mit Wärmetransportmittel gefüllten Bereich des Speicherbehälters (1) befindet, indem oberhalb des Verdampfers (2) eine über den Behälterquerschnitt reichende, aus einem Siebboden (6) mit darauf liegenden Raschigringen (7) bestehende Trennschicht angeordnet ist, während im Gasraum des Wärmetransportmittels, unterhalb des Kondensators (3), die Anordnung eines einen Teilbereich des Kondensators (3) abdeckenden Trichters (8), dessen mit einem Rückschlagventil (10) versehenes Verlängerungsrohr (9) durch das Latentspeichermaterial und die Trennschicht hindurch bis in das flüssige Wärmetransportmittel im Verdampfungsbereich ragt, vorgesehen ist.

2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Wärmeeintrag und -austrag zur Anwendung flüssiger und gasförmiger Wärmeträger Rohrbündel- und/oder Lamellenrohrwärmeübertrager angeordnet sind.

3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager austauschbar außen an den Speicherbehälter (1) angeschlossen sind.