DE10000352A1

DE10000352A1 - Schichtpufferspeicher mit selbstregelndem Wärmetauscher und Schichtbeladeeinrichtung

Info

Publication number: DE10000352A1
Application number: DE10000352A
Authority: DE
Inventors: Peter Schultheis; Michael Gros; Peter Moser
Original assignee: CONSENS GmbH
Current assignee: CONSENS GmbH
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2001-07-12

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schichtpufferspeicher der eingangs genannten Art anzugeben, der einfach herstellbar und weitgehend wartungsfrei ist und bei dem die Zuführung von Warmwasser ohne mechanisch bewegliche Elemente ermöglicht wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die übereinander angeordneten Auslässe des Zuführungsrohres als zweischenklige Rohrwinkelstücke ausgebildet sind, wobei jeweils ein horizontaler Schenkel am vertikalen Zuführungsrohr angeschlossen ist und der jeweils zweite Schenkel mit seinem offenen Ende nach unten in den Schichtpufferspeicher ragt und daß unterhalb des Zuführungsrohres innerhalb oder außerhalb des Schichtpufferspeichers ein Wärmetauscher angeordnet ist, so daß der Sekundärkreislauf allein durch Auftrieb des erwärmten Wasser innerhalb des Zuführungsrohres und des Wärmetauschers durch Schwerkraftwirkung erfolgt und daß der Wärmetauscher über einen Sekundärrücklauf mit dem Boden des Schichtpufferspeichers und über einen Sekundärzulauf mit dem Fuß des Zuführungsrohres in Verbindung steht. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Schichtpufferspeicher mit selbstregelndem Wärmetauscher und einer Schichtbeladeeinrichtung mit mindestens einem vertikalen Zuführungsrohr mit übereinander angeordneten Auslässen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schichtpufferspeicher mit selbstregelndem Wärmetauscher und einer Schichtbeladeeinrichtung mit mindestens einem vertikalen Zuführungsrohr mit übereinander angeordneten Auslässen.

Die Erfindung wird vorzugsweise zur Speicherung von aus Wärmepumpen und Heizungsanlagen auf Basis fossiler Brennstoffe und insbesondere aus Solaranlagen gewonnener Wärmeenergie mit temperaturabhängiger Einschichtung von erwärmtem Wasser in thermisch geschichtete Speicherbehälter genutzt.

Im Stand der Technik sind verschiedene Pufferspeicher zur Speicherung von Wärmeenergie bekannt.

Nach DE 39 05 874 A1 ist ein Warmwasserspeicher bekannt, bei dem ein vertikales Warmwasserzuführrohr mit übereinander angeordneten Auslässen mit Klappenventilen verwendet wird.

Weiterhin ist nach DE 44 43 715 C2 ist ein Warmwasserbereiter bekannt, bei dem zum temperaturabhängigen Einschichten von Warmwasser ebenfalls übereinander angeordnete Auslässe mit Klappenventilen verwendet werden.

Nach DE 43 01 723 C2 und DE 44 11 352 C1 sind Warmwasserspeicher mit aufrecht angeordnetem Mittelrohr mit an dessen Mantel in unterschiedlichen Höhenlagen angeordneten Ausströmöffnungen bekannt, wobei Ausstömöffnungen mit Rückschlagventilen versehen sind.

Bekannt sind ferner Anordnungen mit einem in sich verdrehten Rohrbündelwärmetauscher, wobei das Rohrbündel vom Speicherwasser durch die Wirkung der Schwerkraft umströmt wird. Die Solarflüssigkeit fließt in sehr dünnen Rohren. Dies erfordert hohe Pumpenleistung zum Umwälzen des Wärmeträgermediums. Der Wärmetauscher kann zwar in kompakten Ausführungen hergestellt werden, er ist jedoch sehr aufwendig in der Herstellung. Eine gleichmäßige Umströmung der dünnen Rohre vom Speicherwasser wird nicht erreicht.

Nachteilig bei allen diesen bekannten Vorrichtungen sind der hohe technische Aufwand zur Herstellung der Ventile, die ein Rückströmen von relativ kaltem Wasser am Boden des thermisch geschichteten Speicherbehälters in das Warmwasserzuführrohr verhindern, sowie der sich aus der Dauerbeanspruchung der Ventile ergebende hohe Wartungsaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schichtpufferspeicher der eingangs genannten Art anzugeben, der ein einfach herstellbar und weitgehend wartungsfrei ist und bei dem die Zuführung von Warmwasser ohne mechanisch bewegliche Elemente ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere werden durch die Anordnung von übereinander Liegenden Auslässen, die als nach unten offene zweischenklige Rohrwinkelstücke ausgebildet sind, ohne mechanisch bewegliche Elemente sowohl das Einströmen des erwärmten Wärmeträgers in das Niveau gleicher Temperatur im Schichtpufferspeicher ermöglicht und damit eine Durchmischung von Wärmeträger unterschiedlicher Temperatur innerhalb des Speichers vermieden als auch ein Nachströmen von kaltem Wasser aus unteren Bereichen des Schichtpufferspeichers in das Steigrohr verhindert. Durch den Entfall von Ventilen ergeben sich eine deutliche Reduzierung der Herstellungskosten sowie ein wartungsfreier Betrieb.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schichtpufferspeicher mit Wärmetauscher mit spiralförmigen Rohrschlangen,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform, bei der die Temperaturverhältnisse im Pufferspeicher erfasst werden können,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine Anordnung mit vertikal angeordneten Röhren,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher mit Rohrbündel und

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher mit Bündel von elliptischen Rohren.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die gesamte Vorrichtung aus dem Schichtpufferspeicher 3 und dem damit verbundenen Wärmetauscher 6. Das als Speichermedium dienende Wasser wird im Wärmetauscher 6 erwärmt. Das erwärmte Wasser gelangt durch den Sekundärzulauf 4 in den Schichtpufferspeicher 3 und wird dort in der seiner Temperatur entsprechenden Ebene abgelegt. Solange das sich im Wärmetauscher befindende Wasser des Sekundärkreislaufes wärmer ist als die unterste Wasserschicht im Pufferspeicher 3, strömt aus der untersten Wasserschicht Wasser durch den Sekundärrücklauf 5 in den Wärmetauscher 6 zurück und kann dort von den spiralförmigen Rohrschlangen 6.5 erwärmt werden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsart ist der Wärmetauscher 6 außerhalb des Pufferspeichers 3 angeordnet und besteht der aus einem Behälter, in dem sich eine spiralförmige Rohrschlange 6.5 befindet, die vom Wärmeträgermedium primärseitig durchströmt wird. Am Behälter befinden sich die Anschlüsse für den Sekundärzulauf 4 und den Sekundärrücklauf 5, mit denen er mit dem darüber angeordneten Speicher 3 verbunden ist. Das Wasser im Wärmetauscher 6 auf der Sekundärseite erwärmt sich und steigt infolge der Wirkung der Schwerkraft durch die Öffnung für den Sekundärzulauf 4 nach oben in den Speicher. Durch die weitere Öffnung für den Sekundärrücklauf 5 sinkt kaltes Wasser in den Wärmetauscher 6, so dass eine Zirkulation entsteht. Durch die Anordnung des Wärmetauscher 6 unter dem Speicher 3 und die Anordnung der abgewinkelten Auslässe 2 wird ein selbsttätiges Entladen des Speichers verhindert.

Das in Fig. 1 dargestellte Steigrohr 1 befindet sich innerhalb des Schichtpufferspeichers 3. Das der Wärmespeicherung dienende Wassers im Schichtpufferspeicher 3, ist thermisch geschichtet, so dass sich im oberen Bereich des Schichtpufferspeichers 3 deutlich wärmere Wasserschichten als im unteren Bereich befinden. Das am unteren Ende des Steigrohres 1 einströmende Warmwasser 4 hat eine höhere Temperatur und somit eine geringere Dichte als das Wasser im unteren Bereich des Schichtpufferspeichers 3 und strömt auf Grund dieses Dichteunterschieds in dem Steigrohr 1 bis in die Ebene des Schichtpufferspeichers 3, in der die Temperatur des Wassers im Schichtpufferspeichers 3 mit der Temperatur das Wassers im Steigrohr 1 übereinstimmt und strömt in dieser Ebene durch einen in dieser Ebene angeordneten Auslass 2 in den Schichtpufferspeichers 3 ein. Auf Grund einer geringen Strömungsgeschwindigkeit im Steigrohr 1 und im jeweiligen Auslass 2 erfolgt das Einströmen des Wassers in den Schichtpufferspeicher 3 laminar oder aber zumindest sehr verwirbelungsarm, so dass ein Durchmischen von Wärmeträgern unterschiedlicher Temperaturen innerhalb des Schichtpufferspeicher 3 vermieden wird. Durch die nach unten abgewinkelten Auslässe 2 wird weitgehend verhindert, dass vor allem im unteren Bereich des Schichtpufferspeicher 3 kaltes Wasser aus dem Schichtpufferspeicher 3 in das Steigrohr 1 strömt, da der aus dem Dichteunterschied zwischen dem Wasser im Steigrohr 1 und dem Wasser im Schichtpufferspeicher 3 resultierende hydrostatische Druckunterschied, der das kalte Wasser aus dem Schichtpufferspeicher 3 in das Steigrohr 1 drücken würde, geringer ist als der aus der Höhendifferenz zwischen unterer Öffnung eines Auslasses 2 und der Verbindung dieses Auslasses 2 mit dem Steigrohr 1 resultierende hydrostatische Druckunterschied des Wassers im Schichtpufferspeicher 3. Die Höhendifferenz zwischen unterer Öffnung eines Auslasses 2 und der Verbindung dieses Auslasses 2 mit dem Steigrohr 1 wird dem jeweiligen Speicher entsprechend dimensioniert. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Vorrichtung keine mechanisch beweglichen Teile, keine Sensoren und Stellglieder benötigt und deshalb vollkommen wartungsfrei arbeitet.

In Fig. 2 ist eine Ausführung dargestellt, die es ermöglicht, die Temperaturverhältnisse im Schichtpufferspeicher 3 zu bestimmen. Dabei wird der im Wärmetauscher 6 erzeugte Wärmestrom durch die im Sekundärzulauf 4 befindliche geschlossene mechanische Drosselklappe 4.1 gebremst. Infolge des geringeren Durchflusses erhöht sich die Temperatur des Mediums und kann den Speicher im oberen Bereich höher aufheizen. Nach Erreichen der definierten oberen Schichtpufferspeichertemperatur T_o öffnet der thermo-mechanische Regler 4.3 über das Gestänge 4.2 die Drosselklappe und ermöglicht so einen größeren Wärmestrom mit geringerer Temperatur.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform des Wärmetauschers 6 besteht dieser aus einer Anzahl von senkrecht angeordneten, oben und unten offenen Röhren 6.3, die an den Enden mit jeweils einer Metallplatte verbunden sind. Die Metallplatten bilden mit einer Ummantelung 6.4 einen zylindrischen Behälter. Der zylindrische Behälter enthält auf der Primärseite zwei Anschlüsse 6.1 und 6.2, mit denen das Wärmeträgermedium mit der Wärmequelle verbunden ist. Das Wärmeträgermedium umströmt die in dem Behälter befindlichen Röhren außen. Dabei tritt das Wärmeträgermedium in die obere Öffnung 6.1 ein und aus der unteren Öffnung 6.2 aus. Die für eine optimale Übertragungsleistung notwendige gleichmäßige Anströmung der dünnen Röhren im Primärkreis wird durch die in Fig. 4 erläuterte Verformung der dünnen Rohrenden erreicht. Die Anordnung ermöglicht die Realisierung eines sehr großen Strömungsquerschnitts im Primärkreis. Dadurch wird ein wirksames Umwalzen des Wärmeträgermediums bei nur geringer Pumpenleistung ermöglicht. Das Wasser im Inneren der Rohre wird durch Wärmeleitung erwärmt und strömt in den Rohren durch den Dichteunterschied zum umgebenden kälteren Wasser selbständig nach oben in die dort angebrachte Schichtbeladevorrichtung 1,2. Das System bildet dadurch einen Gegenstromwärmetauscher, der sich im Speicher befindet.

In Fig. 4 ist ein Horizontalschnitt durch den in Fig. 3 erläuterten Schichtpufferspeicher 3 dargestellt, bei dem mehrere Steigrohre 1 nebeneinander angeordnet sind.

Fig. 5 erläutert in einer Einzelheit die Verformung der im Wärmetauscher angeordneten Röhren 6.3 an ihren Enden, wodurch ein gleichmäßigen Anströmen im Primärkeis bewirkt wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Zuführungsrohr

2

Auslässe

3

Warmwasserspeicher

4

Sekundärzulauf

5

Sekundärrücklauf

6

Wärmetauscher

6.1

Primärzulauf

6.2

Primärrücklauf

6.3

Röhren im Wärmetauscher

6.4

zylinderförmige Ummantelung

6.5

spiralförmige Rohrschlange

Claims

1. Schichtpufferspeicher (3) mit selbstregelndem Wärmetauscher (6) und Schichtbeladeeinrichtung (1, 2) mit mindestens einem im Sekundärkreislauf innerhalb des Schichtpufferspeichers (3) angeordneten vertikalen Zuführungsrohr (1) mit jeweils übereinander angeordneten Auslässen (2), dadurch gekennzeichnet,
dass die übereinander angeordneten Auslässe (2) des Zuführungsrohres (1) als zweischenklige Rohrwinkelstücke ausgebildet sind, wobei jeweils ein horizontaler Schenkel am vertikalen Zuführungsrohr (1) angeschlossen ist und der jeweils zweite Schenkel mit seinem offenen Ende nach unten in den Schichtpufferspeicher (3) ragt,
dass unterhalb des Zuführungsrohres (1) innerhalb oder außerhalb des Schichtpufferspeichers (3) ein Wärmetauscher (6) angeordnet ist, so dass der Sekundärkreislauf allein durch Auftrieb des erwärmten Wassers innerhalb des Zuführungsrohres (1) und des Wärmetauschers (6) durch Schwerkraftwirkung erfolgt und
dass der Wärmetauscher (6) über einen Sekundärrücklauf (5) mit dem Boden des Schichtpufferspeichers (3) und über einen Sekundärzulauf (4) mit dem Fuß des Zuführungsrohres (1) in Verbindung steht.

2. Schichtpufferspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Schichtpufferspeichers (3) mehrere Zuführungsrohre (1) mit jeweils mehreren Auslässen angeordnet und über den Sekundärzulauf (4) mit dem Wärmetauscher (6) verbunden sind.

3. Schichtpufferspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Zuführungsrohr (1) mit Auslässen (2) aus einem vorgefertigtem Element besteht.

4. Schichtpufferspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Steigrohr (1) mit Auslässen (2) aus mehreren vorgefertigten und kombinierbaren Modulen besteht.

5. Schichtpufferspeicher nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Wärmetauscher (6) eine zylinderförmige Ummantelung (6.4) aufweist und axial unter dem Zuführungsrohr (1) angeordnet ist,
dass der Wärmetauscher (6) aus mehreren senkrecht angeordneten, dünnen Röhren (6.3), die an ihren oberen Enden am Fuß des Zuführungsrohres (1) zusammengefasst sind, besteht und die Röhren (6.3) vom Sekundärkreislauf von unten nach oben durchströmt werden und
dass im oberen Bereich der zylinderförmigen Ummantelung (6.4) ein Primärzulauf (6.1) einer Wärmequelle und im unteren Bereich der zylinderförmigen Ummantelung (6.4) ein Primärrücklauf (6.1) angeordnet sind,
so dass die Röhren (6.3) vom Primärkreislauf von oben nach unten umströmt werden.

6. Schichtpufferspeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht angeordneten, dünnen Röhren (6.3) mindestens teilweise einen runden, elliptischen oder einen anderweitig strömungstechnisch optimierten Querschnitt aufweisen.

7. Schichtpufferspeicher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Wärmetauschers (6) geringer als dessen Höhe ist.

8. Schichtpufferspeicher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher aus einem Behälter besteht, in dem eine vom Sekundärkreislauf umströmte und vom Primärkreislauf durchströmte spiralförmige Rohrschlange (6.5) angeordnet ist.