DE10000829A1

DE10000829A1 - Spiral heat exchanger for cylindrical ice storage units comprises two pipe spirals which are coiled to run in opposite directions, and lie on top of one another

Info

Publication number: DE10000829A1
Application number: DE10000829A
Authority: DE
Inventors: Manfred Barz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-01-12
Publication date: 2000-08-03

Abstract

The spiral heat exchanger comprises two pipe spirals which are coiled to run in opposite directions, and lie on top of one another. The two pipe spirals join one another without change of the sign of the pipe curvature. The pipe curvature is to be understood in the mathematical sense. It is referred to a Cartesian coordinate system whose origin is located at the center of the bottom pipe coil.

Description

1) Technical designation

Spiralwärmetauscher für zylindrische Kältespeicher, der ein gleichmäßiges Einfrieren bzw. Abtauen ge währleistet.Spiral heat exchanger for cylindrical cold storage, which ensures even freezing or defrosting ensures.

2) Technical field

Die Erfindung gehört zu dem technischen Gebiet der Kältespeicherung.The invention belongs to the technical field of cold storage.

3) State of the art

Es ist bekannt, daß zur Vermeidung hoher Spitzenkühlleistungen der Einsatz von Kältespeichern mit in die Planung von Kälteanlagen einzubeziehen ist. [1] In der Praxis wird Kälte hauptsächlich in der Form von Eis gespeichert. Wird eine Kaltsoletemperatur unter 0°C benötigt, so kann der Schmelzpunkt des Wassers durch Zugabe von Salzen herabgesetzt werden.It is known that in order to avoid high peak cooling capacities, the use of cold stores with in the planning of refrigeration systems must be included. In practice, cold is mainly in the form saved by ice. If a cold brine temperature below 0 ° C is required, the melting point of the Water can be reduced by adding salts.

In sogenannten Eisspeichern wird in Schwachlastzeiten Eis erzeugt, um es in Spitzenlastzeiten wieder abzutauen. [7] [8] Die Spitzenkühllast eines Gebäudes muß also nicht mehr durch die Kältemaschine alleine abgedeckt werden. Die Kälteanlage kann zum Beispiel auf 60% der Spitzenleistung ausgelegt werden, wenn die während heißer Sommertagen auftretenden Spitzen durch das Abtauen von Eis ab gefangen werden können. Die Eiserzeugung erfolgt in der Regel während der Nachtstunden mit günsti gem Nachtstrom. Fällt die Spitze des Kältebedarfs mit der elektrischen Spitzenleistung des Gebäude zusammen, was in der Regel z. B. bei Bürogebäuden der Fall ist, so führt der Einsatz der Eisspeicher technik zur Senkung des elektrischen Spitzenlastbedarfs und damit zu einer gleichmäßigeren Stromentnahme aus dem Netz. Dies ist sowohl volkswirtschaftlich (für den gesamten Bedarf an Kraft werken) als auch betriebswirtschaftlich (Kostenvorteile für den Betreiber) wünschenswert. Ein weiteres Anwendungsgebiet der Eisspeichertechnik ist der Einsatz als Notkühlsystem.In so-called ice stores, ice is generated during low-load periods and then again during peak load periods defrost. [7] [8] The peak cooling load of a building no longer has to go through the chiller to be covered alone. For example, the refrigeration system can be designed for 60% of the peak output when the peaks occurring during hot summer days are thawed by ice defrosting can be caught. Ice is usually produced during the night with favorable according to night current. The peak of the cooling requirement coincides with the peak electrical output of the building together what usually z. B. is the case with office buildings, the use of ice storage leads technology to reduce the electrical peak load requirement and thus to a more uniform Electricity withdrawal from the grid. This is both economic (for the entire need for power works) as well as economically (cost advantages for the operator) desirable. Another one Ice storage technology is used as an emergency cooling system.

Folgende Techniken werden zur Zeit in der Praxis angewandt: [2]The following techniques are currently used in practice: [2]

- Ice water technology, ice towers
- Separation of chiller and ice storage with brine

Ice water technology: [8]

Diese Technik sei an dieser Stelle nur der Vollständigkeit wegen erwähnt. Bei der bekannten Eiswas sertechnik handelt es sich meistens um Direktverdampfungssysteme mit überfluteten Verdampfern und bevorzugt Ammoniak als Kältemittel. Hierbei zirkuliert Wasser in einem offenen Behälter um Verdamp ferrohre bzw. Platten und gefriert. In zyklischen Abständen wird das Eis abgetaut und sammelt sich am Boden des Behälters.This technique should only be mentioned here for completeness. At the well-known Eiswas sertechnik are mostly direct evaporation systems with flooded evaporators and prefers ammonia as refrigerant. Here, water circulates around the evaporator in an open container ferrohre or plates and freezes. The ice is defrosted at regular intervals and collects on Bottom of the container.

Durch die bei dieser Technik notwendigen Abtauzyklen sind entsprechenden Verluste unvermeidlich.Due to the defrost cycles required with this technology, corresponding losses are inevitable.

Separation of chiller and ice storage with brine: [2], [3], [6], [8]

Hier ist das am häufigsten eingesetzte System das der in den USA ansässigen Firma CALMAC. Die von CALMAC weltweit vertriebenen Eisspeicher bestehen aus einem zylindrischen Behälter und einem mit Glykolwasser durchflossenen Wärmetauscher. Nachts zirkuliert zwischen einem handelsüblichen Kaltwassersatz und dem Wärmetauscher im Eisspeicher ein Glykolwassergemisch, dessen Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes liegt (min. -3°C). Dadurch wird das Wasser im Speicher zu Eis gefroren. Die im Gegenfluß angeordneten Wärmetauscherrohre [6], [8] ermöglichen eine gleichmäßige Eisbil dung. Beim Gefrierprozeß gefriert das Wasser im ganzen Speicher gleichmäßig, beginnend an der Oberfläche der Rohre. Dadurch werden Spannungen oder Beschädigungen der Speicher verhindert. Tagsüber kühlen die Eisspeicher das Glykolwassergemisch von (z. B.) 12°C auf 1°C. Die Vorlauftempe ratur zu den Verbrauchern wird von einem Dreiweg-Mischventil mittels Bypass auf (z. B.) auf 6°C gere gelt. Der Rücklauf von den Verbrauchern beträgt ca. 12°C. The most commonly used system here is that of the US-based company CALMAC. The Ice stores distributed by CALMAC worldwide consist of a cylindrical container and a heat exchanger through which glycol water flows. At night it circulates between a commercial one Chiller and the heat exchanger in the ice storage a glycol water mixture, its temperature below freezing (min. -3 ° C). This will freeze the water in the reservoir to ice. The heat exchanger tubes [6], [8] arranged in the counterflow enable a uniform ice balance dung. During the freezing process, the water freezes evenly throughout the storage tank, starting at the Surface of the pipes. This prevents tension or damage to the memory. During the day, the ice stores cool the glycol water mixture from (e.g.) 12 ° C to 1 ° C. The lead temp A three-way mixing valve bypasses the temperature to the consumers (e.g.) to 6 ° C The return flow from consumers is approx. 12 ° C.

Bei dieser Technik besteht das Problem darin, ein gleichmäßiges Durchfrieren bzw. Abtauen über dem Behälterquerschnitt zu gewährleisten. Würde der Wärmetauscher z. B. aus einem Rohrstück von außen beginnend spiralförmig nach innen aufgewickelt und während des Betriebs in dieser Richtung mit Sole durchflossen, währe die gleichmäßige Eisbildung über dem Behälterquerschnitt aufgrund der in Durch flussrichtung ansteigenden Soletemperatur nicht gewährleistet. Wie unter [6] und [8] beschrieben, löst CALMAC dieses Problem mit zwei ineinander gewickelten Rohrspiralen die im Gegenstromprinzip durchflossen werden. Dies ist mit dem Nachteil verbunden, daß sich hierdurch die Anzahl der Rohran schlüsse verdoppelt, was zu hohen Fertigungskosten führt. Weiterhin führt natürlich jeder zusätzliche Rohranschluß zwangsläufig zu unnötigen Druckverlusten.The problem with this technique is an even freezing or thawing over the To ensure container cross-section. Would the heat exchanger z. B. from a piece of pipe from the outside starting spirally wound inwards and during operation in this direction with brine flowed through, would be the even ice formation over the container cross-section due to the in rising brine temperature is not guaranteed. As described under [6] and [8], solves CALMAC solved this problem with two intertwined pipe spirals that work in the counterflow principle be flowed through. This has the disadvantage that this reduces the number of pipes conclusions doubled, which leads to high manufacturing costs. Of course, each additional leads Pipe connection inevitably leads to unnecessary pressure losses.

4) Technical problem with solution

Der im Patentanspruch 1 bis 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine gleichmäßige Eisbildung bzw. ein gleichmäßiges Abtauen bei zylindrischen Eisspeicheren, die mittels eines Solesy stems vom Kaltwassersatz getrennt sind, über dem Behälterquerschnitt zu gewährleisten. Dieses Pro blem wird durch die im Patentanspruch 1 bis 4 aufgeführten Merkmale gelöst.The invention specified in claim 1 to 4 is based on the problem, a uniform Ice formation or even defrosting in cylindrical ice stores, which can be done with a Solesy separated from the water chiller to ensure that the tank cross-section. This pro blem is solved by the features listed in claim 1 to 4.

5) embodiment

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 3 angegeben. Die Weiterbildung nach Patentanspruch 3 ermöglicht es, die beiden Rohrspiralen ohne nennenswerte Änderung der Rohr krümmung zu verbinden. Der Drall der durchströmenden Sole bleibt praktisch konstant. Hierdurch wer den die Druckverluste beim Übergang in die zweite Ebene klein gehalten.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 3. Continuing education according to claim 3 allows the two tube spirals without any significant change in the tube to connect curvature. The swirl of the brine flowing through remains practically constant. Hereby who which the pressure losses at the transition to the second level were kept low.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in Zeichnung 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.This embodiment is shown in drawing 1 and is described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 Soleeintritt -5°C Fig. 1 brine inlet -5 ° C

Fig. 2 Soleaustritt -1°C Fig. 2 brine outlet -1 ° C.

Fig. 3 Übergang von Ebene 1 auf Ebene 2 Fig. 3 transition from level 1 to level 2

Von außen beginnend wird PE-Rohr spiralförmig mit gleichbleibendem Rohrmittenabstand nach innen gewickelt, verspringt ohne Änderung des Vorzeichens der Rohrkrümmung in die darüber liegende Ebe ne über den Zwischenraum der beiden innersten Windungen der unteren Ebene (Fig. 3) und wird an schließend spiralförmig mit gleichbleibendem Rohrmittenabstand nach außen gewickelt. Die Sole tritt mit -5°C (Fig. 1) ein, erhöht sich zur Mitte auf -2,5°C und tritt auf der Außenseite (Fig. 2) mit -1°C aus. Durch dieses Temperaturprofil ist ein gleichmäßiges Durchfrieren über dem Behälterquerschnitt ge währleistet.Starting from the outside, PE pipe is wound spirally with a constant pipe center distance, jumps without changing the sign of the pipe curvature into the overlying level ne over the space between the two innermost turns of the lower level ( Fig. 3) and then becomes spiral with the same Pipe center distance wound outwards. The brine enters at -5 ° C ( Fig. 1), increases in the middle to -2.5 ° C and exits on the outside ( Fig. 2) at -1 ° C. This temperature profile ensures uniform freezing through the cross-section of the container.

6) Presentation of the advantages achieved by the invention

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Eisbildung bzw. eines gleichmäßigen Abtauens bei zylindrischen Eisspeicheren, die mittels eines Solesystems vom Kaltwassersatz getrennt sind, nur noch ein durchgehendes Rohrstück je Ebene benötigt wird. Hierdurch wird die Anzahl der erforderlichen Rohranschlüsse auf die Hälfte redu ziert. Dies führt zu einer deutlichen Kostensenkung.The advantages achieved by the invention are in particular that to ensure a uniform ice formation or even defrosting in cylindrical ice stores, the are separated from the water chiller by means of a brine system, only one continuous piece of pipe each Level is needed. This reduces the number of pipe connections required to half graces. This leads to a significant cost reduction.

7) Literature

[1] Ministerialblatt für das Land Nordrhein-Westfalen - Nr. 66 vom 18. September 1991
[2] H.-U. Amberg: Stromkostensenkung durch Eisspeicher: Elektrowärme international, 46. Jahrgang, Heft A3/1988, S. A73 bis A77
[3] H.-U. Amberg: Die Auswirkungen des FCKW-Problems auf den Praktiker Sonderdruck aus "KI Klima-Kälte-Heizung", 18. Jahrgang, Heft 10/1990, Seite 422-426
[4] http://www.calmac.com
[5] http://www.montalga.ch/deutsch/grundlag.htm
[6] http://www.isc.de
[7] IL76715: Superdensity assembly method and system for plastic heat exchanger resisting large buoyancy forces and providing fast meltdown in phase change
[8] US4403645: Compact storage of seat and coolness by phase change materials while preventing stratification[1] Ministerial Gazette for the State of North Rhine-Westphalia - No. 66 from September 18, 1991
[2] H.-U. Amberg: Reduction in electricity costs through ice storage: International electrical heating, 46th year, issue A3 / 1988, pp. A73 to A77
[3] H.-U. Amberg: The Effects of the CFC Problem on the Practitioner Special print from "KI Air-Conditioning-Heating", 18th year, issue 10/1990, page 422-426
[4] http://www.calmac.com
[5] http://www.montalga.ch/deutsch/grundlag.htm
[6] http://www.isc.de
[7] IL76715: Superdensity assembly method and system for plastic heat exchanger resisting large buoyancy forces and providing fast meltdown in phase change
[8] US4403645: Compact storage of seat and coolness by phase change materials while preventing stratification

Claims

1. Spiral heat exchanger for cylindrical cold storage, which ensures uniform freezing or defrosting, characterized in that:

a) two oppositely wound pipe spirals lying one above the other on the inner pipe ends
b) are connected to one another without changing the sign of the curvature of the tube.
c) whereby the curvature of the tube is meant in the mathematical sense and refers to a Cartesian coordinate system, the origin of which lies in the center of the lower spiral.

2. Spiral heat exchanger for cylindrical cold storage, which ensures uniform freezing or defrosting, characterized in that:

a) two oppositely wound pipe spirals lying one above the other at the outer pipe ends
b) are connected to one another without changing the sign of the curvature of the tube
c) whereby the curvature of the tube is meant in the mathematical sense and refers to a Cartesian coordinate system, the origin of which lies in the center of the lower spiral.

3. Spiral heat exchanger for cylindrical cold storage, which ensures uniform freezing or defrosting, characterized in that:

a) flexible PE pipe is wound from the outside in a horizontal plane with a constant pipe center distance as a spiral,
b) at the end of the innermost turn, without changing the sign of the curvature of the PE pipe, jumps into a plane higher by dimension e and
c) after this jump is wound outwards as a spiral with a constant tube center distance.
d) whereby the curvature of the tube is meant in the mathematical sense and refers to a Cartesian coordinate system, the origin of which lies in the center of the lower spiral.

4. Spiral heat exchanger for cylindrical cold storage, which ensures uniform freezing or defrosting, characterized in that:

a) flexible PE pipe is wound from the inside in a horizontal plane with a constant pipe center distance as a spiral,
b) at the end of the outermost turn, without changing the sign of the curvature of the PE pipe, jumps into a plane higher by dimension e and
c) after this jump is wound inwards as a spiral with a constant tube center distance.
d) whereby the curvature of the tube is meant in the mathematical sense and refers to a Cartesian coordinate system, the origin of which lies in the center of the lower spiral.