DE102005001511A1 - Thermische Schichtleiteinrichtung für Oberflächenwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung besteht in einer Schichtleiteinrichtung für Behälter (1), deren Behälteroberfläche oder Teile davon beheizt oder gekühlt werden (2) und in denen mit flüssigen Medien Wärme oder Kälte gespeichert wird. Diese besteht aus einer für das flüssige Medium undurchlässigen, vorzugsweise schlecht die Wärme leitenden, Wand (3), die sich im Inneren des Behälter dicht über die gesamte oder nur über Teile (5) der Behälteroberfläche spannt und dadurch einen engen, großflächigen, oben und unten offenen Spalt (4a, 4b) im Behälter erzeugt, in dem das flüssige Medium vertikal fließt, sobald es wärmer oder kälter ist als hinter der Wand. Die Beheizung oder Kühlung der Behälteroberfläche (2) kann über einen Oberflächenwärmetauscher direkt, beispielsweise elektrisch, oder über ein Doppelwandspeichersystem (6) erfolgen. DOLLAR A Der Abstand der Schichtleiteinrichtung von der Behälterwand kann statisch ungleichmäßig sein, um die im Spalt herrschende Fließgeschwindigkeit örtlich zweckmäßig zu verändern. Dieser Abstand kann auch vollständig oder stellenweise dynamisch verändert werden, damit die Temperaturspreizung zwischen in den Spalt eintretenden und austretenden Medien den Erfordernissen angepasst werden kann.

Description

• Schichtleiteinrichtungen in Wärmespeichern mit flüssigen Medien haben den Zweck, dass sich beim thermischen Beladen bzw. beim Entladen Temperaturschichten ausbilden bzw. dass zuvor ausgebildete Temperaturschichten erhalten bleiben. Die Vermischung von flüssigem Medium mit unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere auch durch freie Konvektion, soll minimiert werden. Die für das thermische Be- bzw. Entladen von Wärmespeichern notwendige Wärmeübertragung findet außerhalb des Behälters über externe Wärmetauscher, im Behälter über eingebaute Wärmetauscher oder am Behälter über Oberflächenwärmetauscher statt.
• Findet der Wärmetausch außerhalb des Behälters statt, werden auf einfachste Weise an Speicherbehältern heiße Zuläufe immer möglichst hoch und kalte Zuläufe immer möglichst tief angeordnet.
• Mitunter werden in den Behälter eintretende flüssige Medien zunächst in Leiteinrichtungen hineingelenkt, aus denen sie dann erst in einer fixen oder einer den aktuellen Temperaturverhältnissen angepassten variablen Höhe wieder austreten ( DE 197 43 563 A1 , EP 0 518 369 A1 , DE 3905874 C2 , DE 10257209 B3 20004.04.29, DE 199 37 985 C1 , DE 38 35 096 C2 ).
• Wärmetauscher, die sich innerhalb von Behältern befinden, werden mitunter mit vertikalen Leiteinrichtungen und Leitrohren verkapselt, womit Konvektions- oder Zwangsströmungen erzeugt werden, die ebenfalls erst in einer fixen oder einer den aktuellen Temperaturverhältnissen angepassten variablen Höhe in den Behälter gelangen sollen ( EP 0 578 126 A2 , DE 197 03 724 A1 , DE 102 37 681 A1 ).
• Bei solchen mit Leiteinrichtungen verkapselten Wärmetauschern handelt es sich um konstruktive Einheiten von Wärmetauscher und Leiteinrichtung. Sehr viele Bauformen von Wärmetauschern eignen sich dazu nicht.
• Eine besonders einfache Sonderform des Wärmetauschers liegt vor, wenn die Behälterwand (1) selbst Wärmetauscher (2) ist. In Bezug auf die Umgebung ist sie das allerdings sowieso immer. Bei der Abkühlung eines Wärmespeichers beobachtet man, dass dieser unten scheinbar immer stärker abkühlt als oben, selbst dann, wenn seine Wärmedämmung unten am besten ist. Die Ursache liegt in der Konvektion. Das an der Behälterwand kältere flüssige Medium sinkt nach unten, während zum Ausgleich im Kern des Behälters heißes Medium nach oben strömt.
• Gegenstand der Erfindung ist es, diesen Effekt bewusst auszunutzen. Durch die Anordnung einer oben und unten offenen (4a, 4b), sehr schlecht die Wärme leitenden Schichtleiteinrichtung in Gestalt einer für das flüssige Medium undurchlässigen Wand (3), die sich im Inneren des Behälters und zu diesem einen Spalt bildend dicht über einen großen Teil der Behälteroberfläche spannt, wird der geschilderte Effekt extrem verstärkt. Während der Speicher oben kaum kälter wird, kühlt er unten sehr stark aus, wenn der Abstand zwischen der Behälteroberfläche und der Schichtleiteinrichtung richtig dimensioniert ist. Allerdings ist der geschilderte Aufwand für kleine Behälter relativ hoch, nur um die Wärmeverluste an die Umgebung auf diese Weise sinnvoll zu manipulieren. Bei Langzeitspeichern mit vielen Kubikmetern Inhalt und der Aufgabe, wenigstens oben über Wochen und Monate nicht auszukühlen, wäre diese Anwendung jedoch erwägenswert.
• Der Aufwand wird viel geringer und der Effekt deutlicher, wenn die Behälterwand als Prozesswärmetauscher dient, wenn also über diese forciert Wärme in den Speicher oder aus den Speicher übertragen werden soll. Dann nämlich sind die Wärmestromdichten viel höher als beim natürlichen Temperaturausgleich mit der Umgebung. Dadurch läuft die Zwangskonvektion im Spalt viel schneller ab. Je rascher der Wärmetausch und die Spaltkonvektion vonstatten gehen, umso geringer ist der Anspruch an die Wärme dämmfähigkeit der Leiteinrichtung, weil die Wärmeleitung im Verhältnis zum konvektiven Wärmetransport umso geringer wird. Der optimale Spaltabstand richtet sich u. a. nach der Wärmeübertragungsleistung, dem hydraulischen Widerstand im Spalt und der angestrebten vertikalen Temperaturspreizung entlang des Spaltes. Es ist sinnvoll, wenn er sich zusätzlich dynamisch nach dem aktuellen Lade- oder Entladezustand des Wärmespeichers richtet, so dass z. B. die Konvektion ober- oder unterhalb bestimmter Speichertemperaturen viel schneller abläuft und die vertikale Temperaturspreizung entlang des Spaltes dann sinkt.
• Wenn Wärmespeicher in verschiedenen Höhen verschiedene Funktionen haben wie z. B. bei sog. Kombispeichern, die Wärme oben zur Trinkwasserversorgung und in der Mitte zur Heizung speichern bzw. „anreichern" und in ihrer ganzen Höhe mit Solarwärme versorgt werden, kann es mitunter vorteilhaft sein, nur einzelne horizontale Sektoren bzw. Teile des Behälters mit einer solchen Leiteinrichtung auszustatten oder sogar mehrere Leiteinrichtungen mit unterschiedlichen Funktionen in einem Speicher unterzubringen (5).
• Spezielle Formen für Oberflächenwärmetauscher sind z. B. aus DE 44 16 645 A1 bekannt.
• Eine verbreitete Form eines Oberflächenwärmetauschers für Behälter liegt bei Doppel- (oder Mehrfach-) Speichersystemen (6) vor, bei denen zwei oder mehrere Behälter mindestens eine gemeinsame Behälterwand aufweisen. Ein Doppelspeichersystem wird auch als „Tank-in-Tank-Speicher" bezeichnet, wenn sich ein Behälter im anderen befindet. Bei Tank-inTank-Speichern kann es zum Wärmetausch zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter je nach Anwendung sinnvoll sein, entweder die äußere oder die innere Oberfläche des Innentanks oder alle beide Flächen mit einer solchen Leiteinrichtung auszustatten (7). Im letztgenannten Fall ist es möglich, allein mit der Energie der Wärme einen effizienten Gegenstromwärmetausch zu erzielen, solange im Innen- und im Außentank unterschiedliche Temperaturen vorherrschen.

Claims (9)

1. Schichtleiteinrichtung für Behälter (1) zur Wärme- oder Kältespeicherung mit flüssigen Medien, welche über ihre Behälteroberfläche oder Teile davon beheizt oder gekühlt werden (2), dadurch gekennzeichnet, dass sich im Inneren des Behälters dicht über einen großen Teil der Behälteroberfläche, insbesondere aber über deren heizenden oder kühlenden Flächen, eine für das flüssige Medium undurchlässige Wand (3) spannt und dadurch einen engen, großflächigen Spalt zwischen dem Behälter und dieser Wand bildet, in den das flüssige Medium vorzugsweise von oben (4a) und von unten (4b) ein- bzw. ausfließen kann.
2. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die undurchlässige Wand (3) aus einem Material besteht, das die Wärme schlecht leitet.
3. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich die undurchlässige Wand entweder über die gesamte Höhe des Behälters spannt (3), um diesen im Ganzen thermisch schichtend be- oder entladen zu können oder sich auf einen oder mehrere horizontale Sektoren beschränkt (5), um nur Teile des Behälters thermisch schichtend be- oder entladen zu können.
4. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, dass in einem Behälter mehrere solcher undurchlässigen Wände angeordnet sein können (5), um mehrere Wärmeströme nacheinander oder gleichzeitig zu einer thermischen Schichtung im Behälter zu veranlassen.
5. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Beheizung oder Kühlung der Behälteroberfläche (2) über einen Oberflächenwärmetauscher, über ein Wärmeträgermedium in einem angrenzenden Behälter eines Doppel- oder Mehrspeichersystems (6) oder direkt, beispielsweise elektrisch, erfolgt.
6. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass bei Beheizung oder Kühlung der Behälteroberfläche (2) über ein Wärmeträgermedium eines angrenzenden Behälters eines Doppel- oder Mehrspeichersystems (6) mehr als eine der an ein flüssiges Medium angrenzenden Behälteroberflächen mit einer undurchlässigen Wand gemäß Anspruch 1 ausgestattet werden können (7).
7. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Abstand der undurchlässigen Wand von der Behälterwand oder die Breite des Austrittsspaltes an den Enden der Leiteinrichtung vollständig oder stellenweise gesteuert oder geregelt werden, damit über die damit einhergehende Veränderung des hydraulischen Widerstandes im Spalt zwischen dem Behälter und der undurchlässigen Wand die Temperaturspreizung zwischen in den Spalt eintretenden und austretenden Medium den Erfordernissen angepasst werden kann.
8. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Abstand der undurchlässigen Wand von der Behälterwand auch ungleichmäßig sein kann, um die im Spalt herrschende Fließgeschwindigkeit örtlich variabel einzurichten.
9. Schichtleiteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der natürliche Wärmetausch mit der Umgebung des Behälters eine spezielle Art der Heizung oder Kühlung über die Behälteroberfläche gemäß Anspruch 1 darstellt.