DE102007046905A1

DE102007046905A1 - Schichtspeicher

Info

Publication number: DE102007046905A1
Application number: DE102007046905A
Authority: DE
Inventors: Rolf Wicker; Hubert Nolte; Roland Eichler
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-09

Abstract

Es wird ein Schichtspeicher (100) mit einem Schichtraum (110) zum Speichern von Flüssigkeiten in thermischen Schichten und einem Einspeiseraum (120) zum Einspeisen von Flüssigkeit vorgesehen. Der Schichtspeicher weist ferner eine Trennwand (130) zumindest teilweise zwischen dem Einspeiseraum (120) und dem Schichtraum (110) auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schichtspeicher für Warmwasserspeicher.
Sogenannte Schichtspeicher werden seit Jahren in Warmwasserspeichern bzw. Heizanlagen verwendet. In dem Schichtspeicher wird eine thermische Schichtung von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen mit einem sogenannten Aufströmrohr erreicht.
DE 101 23 305 A1 zeigt einen Schichtspeicher mit einem Speicherbehälter zum Speichern von Wärmeenergie. In dem Speicherbehälter wird ein Rohr angeordnet, welches im Inneren eine Trennwand entlang der Längsrichtung des Rohres aufweist, um das Rohr in einen ersten und zweiten Raum zu unterteilen. Die Trennwand weist hierbei eine Vielzahl von Öffnungen auf. Hiermit kann erreicht werden, dass beim Beladen des Speichers das Wasser möglichst wenig verwirbelt wird. Der Schichtraum des Speichers umfasst das gesamte Volumen des Behälters. Der erste Raum des Rohres dient zum Einleiten von Wasser in den Speicherbehälter, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers in dem ersten Raum reduziert wird und das Wasser beruhigt wird. Der zweite Raum des Rohres dient einer weiteren Reduzierung der Geschwindigkeit bzw. der Beruhigung der Bewegung.
DE 43 01 723 A1 zeigt einen Warmwasserspeicher mit einem Speicherbehälter, welcher einen Kaltwasserzulauf im unteren Bereich und einen Warmwasserablauf im oberen Bereich aufweist. Ferner ist ein Mittelrohr mit einer Einströmöffnung und einer Vielzahl von Ausströmöffnungen vorgesehen.
DE 39 05 874 A1 zeigt einen Warmwasserspeicher mit einem Aufströmrohr, welches aus einer Vielzahl von Aufströmrohreinheiten zusammengesetzt wird, wobei jede Aufströmrohreinheit eine Ausgangseinheit aufweist.
Eine thermische Schichtung kann auch dann erfolgen, wenn der Speicher für eine entsprechend lange Zeit nicht mit Warm- oder Kaltwasser beladen wird. Wenn der Speicher Wärme verliert, kann dies aufgrund der Wärmeverluste eine Konvektion im Behältervolumen verursachen, wodurch die verschiedenen thermischen Schichten durchmischt werden und die maximale Zapftemperatur heruntergesetzt werden kann.
Das oben beschriebene Prinzip ist insbesondere bei relativ kleinen Volumenströmen durchführbar. Wenn jedoch ein größerer Durchfluss benötigt wird, so kann es dazu kommen, dass sich keine Schichtung einstellt, weil das einströmende Wasser das gesamte Speichervolumen verwirbelt und die thermische Schichtung verhindert. In einer Ausgestaltung der Heizanlage mit einem Wärmetauscher wie beispielsweise bei einem Solarkollektor muss der Wärmetauscher in bzw. an dem Aufströmrohr untergebracht werden. Hierzu bedarf es einer speziellen Bauform sowie eines speziellen Anlagenaufbaus. Werden zusätzlich zu einem Solarkollektor weitere Heizquellen verwendet und wird zusätzliche Energie beispielsweise für Warmwasser oder eine Heizung entnommen, so müssten die Aufströmrohre für die entsprechende Einspeisung vorhanden sein, wenn kaltes Wasser oder Mischwasser von der Heizung in unterschiedlichen Temperaturen dem Speicher zugeführt wird.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schichtspeicher vorzusehen, welcher auch für große Volumenströme geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch einen Schichtspeicher gemäß Anspruch 1 gelöst.
Somit wird ein Schichtspeicher mit einem Schichtraum zum Speichern von Flüssigkeiten in thermischen Schichten und einem Einspeiseraum zum Einspeisen von Flüssigkeiten vorgesehen. Der Schichtspeicher weist ferner eine Trennwand zumindest teilweise zwischen dem Einspeiseraum und dem Schichtraum auf. Das in dem Einspeiseraum befindliche Wasser bzw. die Flüssigkeit kann erwärmt werden und dann in den Schichtraum aufsteigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Trennwand Durchlässe oder Öffnungen auf, so dass kaltes Wasser in den Einspeiseraum zurückfließen kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Schichtraum mindestens ein Steigrohr auf, welches aus mindestens einer modularen Steigrohreinheit gebildet ist. Durch die modulare Ausgestaltung der Steigrohreinheit kann das Steigrohr an unterschiedliche Größen des Schichtraumes angepasst werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Steigrohreinheit eine Auslasseinheit auf, wobei eine Membraneinheit in der Auslasseinheit befestigt wird. Durch die Membraneinheit kann verhindert werden, dass Wasser aus dem Schichtraum zurück in das Steigrohr fließen kann.
Die Trennwand kann Durchlässe oder Öffnungen aufweisen. Alternativ bzw. zusätzlich dazu können zwischen der Behälterwand und der Trennwand Öffnungen vorhanden sein. Dies kann beispielsweise bei einem Speicherbehälter mit einem kreisförmigen Querschnitt dadurch erreicht werden, dass die Trennwand Polygon-förmig ausgestaltet ist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Schichtspeicher mit einem Schichtraum zum Speichern von Flüssigkeit, einem Steigrohr mit mindestens einem Auslass, wobei in bzw. an dem Auslass eine Membraneinheit angeordnet wird, wobei die Membraneinheit einen Membranhalter und eine Membran mit mindestens zwei Schlitzen aufweist.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Membraneinheit, insbesondere zur Verwendung in einem Schichtspeicher. Die Membraneinheit weist einen Membranhalter und eine Membran mit mindestens zwei Schlitzen auf, wobei die Schlitze durch schräge Einschnitte in der Membran erhalten werden. Die Membraneinheit kann ferner einen Membranhalter mit mindestens einem Steg sowie eine Membran mit mindestens zwei Schlitzen aufweisen. Die Membran wird dabei derart auf dem Membranhalter befestigt bzw. angeordnet, dass zumindest einer der Schlitze zumindest teilweise über einem der Stege angeordnet wird. Hiermit kann verhindert werden, dass die Membran durch das Wasser in dem Speichervolumen in das Innere der Ausgabeeinheit gedrückt wird, so dass Wasser aus dem Schichtraum in das Steigrohr gelangen kann. Somit wird gewährleistet, dass die Membraneinheit bzw. deren Schlitze sich nur zum Schichtraum hin öffnen können. Dies wird dadurch erreicht, dass der Membranhalter zwischen der Membran und der Steigrohreinheit angeordnet wird.
Die Erfindung betrifft den Gedanken, einen Schichtspeicher vorzusehen, welcher eine abgetrennte bzw. begrenzte Beladezone aufweist. Der Schichtspeicher kann einen Einspeiseraum (im unteren Abschnitt) und einen Schichtraum (im oberen Abschnitt) aufweisen. Der Einspeiseraum dient dabei dazu, das Kaltwasser derart aufzunehmen, dass sich ein Wasserstrahl ausbreiten und somit beruhigen kann, bevor das Wasser in die Schichtzone bzw. den Schichtraum aufsteigen kann, um Verwirbelungen im Schichtraum zu verhindern. Der Einspeiseraum und der Schichtraum können durch eine (horizontale) Wand voneinander getrennt werden. In der Wand ist vorzugsweise zumindest eine Öffnung vorgesehen, damit warmes Wasser aufsteigen kann und kaltes Wasser in den Einspeiseraum nachströmen kann. An der Trennwand können Steigrohre bzw. Aufströmrohre vorgesehen werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtspeichers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Schichtspeichers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Schichtspeichers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Steigrohreinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
5 zeigt eine Schnittansicht der Steigrohreinheit von 4, und
6a bis 6d zeigen verschiedene Ansichten einer Membraneinheit gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtspeichers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Schichtspeicher 100 weist eine das Speichervolumen umgebende Behälterwand 101, einen Schichtraum 110 im oberen Abschnitt des Speichervolumens und einen Einspeiseraum 120 im unteren Abschnitt des Speichervolumens auf. In dem Einspeiseraum 120 ist ein Einströmrohr 160, welches mit einem vorzugsweise senkrecht angeordneten zweiten Einströmrohr 161 gekoppelt ist, sowie optional ein Wärmetauscher 150 vorgesehen. Zwischen dem Schichtraum 110 und dem Einspeiseraum 120 kann eine (horizontale) Wand 130 vorgesehen werden. Die Wand 130 kann Öffnungen aufweisen, damit ausreichend kälteres Wasser in die Beladezone bzw. in den Einspeiseraum zurückströmen kann. Diese Löcher können im Außenbereich beispielsweise an der Behälterwand 101 vorgesehen werden, da dort typischerweise aufgrund der Wärmeverluste die kältesten Bereiche im Behältervolumen vorhanden sind. Die Trennwand 130 kann beispielsweise über Anschlussringe 145 mit einem oder mehreren Steigrohren 140 gekoppelt sein. Im Innenbereich der Anschlussringe 145 können Öffnungen in der Trennwand vorgesehen werden, so dass warmes Wasser durch die Öffnungen in die Steigrohre 140 aufsteigen kann. Die Steigrohre 140 können aus einer Vielzahl von Steigrohreinheiten 141 zusammengesetzt werden. Die Steigrohre 140 können ebenfalls als Schichtladerohre ausgestaltet sein, so dass in einer Steigrohreinheit 141 eine Auslasseinheit 142 vorhanden sein kann, durch die Wasser in den Speicher 100 fließen kann.
2 zeigt eine weitere perspektivische Darstellung des Schichtspeichers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Schichtspeicher 100 weist einen Schichtraum 110 und einen Einspeiseraum 120 auf. Optional kann in dem Einspeiseraum 120 ein Wärmetauscher 150 vorgesehen sein. In bzw. an dem Einspeiseraum 120 kann ein Einströmrohr 160 vorgesehen sein, welches wiederum mit einem vorzugsweise senkrecht angeordneten zweiten Einströmrohr 161 gekoppelt ist. Im Bereich der Trennwand 130 ist ein Auslassstutzen 163 vorgesehen. Das Einströmrohr 160, 161 und der Auslassstutzen 163 können optional vorgesehen werden und können optional mit beispielsweise einer Heizanlage gekoppelt werden. Aus dem Auslassstutzen 163 kann kaltes Wasser entnommen werden, um eine möglichst geringe Vorlauftemperatur beispielsweise für eine Wärmepumpe zu erhalten. Durch das Einströmrohr 160 kann durch die Wärmepumpe erwärmtes Wasser in den Einspeiseraum einströmen. Der Schichtraum 110 und der Einspeiseraum 120 sind durch eine Wand 130 getrennt. In dem Einspeiseraum 120 ist ein Zuleitungsanschluss 190 beispielsweise für Kaltwasser vorgesehen. Im oberen Bereich des Schichtspeichers ist ein Entnahmerohr 170 vorgesehen, wobei der Einlass des Entnahmerohrs 170 im oberen Bereich des Schichtraumes 100 vorgesehen ist, um somit das warme Wasser entnehmen zu können.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt des Schichtspeichers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel weist der gesamte Behälter im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt auf. Wenn die Trennwand 130 Polygon-förmig ausgestaltet ist, so ergeben sich zwischen der Trennwand und der Behälterwand 101 Öffnungen, durch welche kaltes Wasser aus dem Schichtraum in den Einspeiseraum fließen kann.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Steigrohreinheit 141 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Steigrohreinheit 141 weist eine Auslasseinheit 142 auf, welche beispielsweise senkrecht zur Längsachse der Steigrohreinheit 141 angeordnet werden kann. In die Auslasseinheit 142 kann eine Membraneinheit 200 eingeführt werden, und anschließend kann eine hohlzylindrische Halteeinheit 143 ebenfalls in die Auslasseinheit 142 eingeschoben werden, um die Membraneinheit 200 in der Ausströmeinheit 142 zu befestigen.
5 zeigt eine Schnittansicht der Steigrohreinheit 141 von 4. Die Steigrohreinheit 141 weist ein erstes Ende 141a und ein zweites Ende 141b auf, wobei die Steigrohreinheit 141 an ihrem ersten und zweiten Ende 141a, 141b mit weiteren Steigrohreinheiten gekoppelt bzw. verbunden werden kann. Der Außendurchmesser der Halteeinheit 143 ist kleiner als der Innendurchmesser der Auslasseinheit 142, so dass die Halteeinheit 143 in die Auslasseinheit 142 eingeschoben werden kann, um die Membraneinheit 200 dort zu halten.
6a bis 6d zeigen jeweils verschiedene schematische Ansichten der Membraneinheit von 4. Die Membraneinheit 200 weist dabei einen Membranhalter 220 und eine auf der Membraneinheit anbringbare Membran 210 auf. Die Membran 210 weist einen Membranrand 211 und zwei Befestigungseinheiten 213 sowie mindestens einen Schlitz 212 auf. Der Membranhalter 220 weist einen Rand 222 sowie beispielsweise vier Stege 121 auf. Mittels Befestigungseinheiten 223 kann der Membranhalter 220 mit bzw. an der Membran 210 befestigt werden. Die Befestigung erfolgt dabei derart, dass die Schlitze 212 im befestigten Zustand über den Stegen 221 angeordnet sind.
6d zeigt eine perspektivische Ansicht des Membranhalters 220.
Die Membraneinheit 200 wird derart in der Ausgabeeinheit 142 befestigt, dass der Membranhalter 220 der Steigrohreinheit zugewandt ist, während die Membran 210 dem Schichtraum zugewandt ist.
Die Membraneinheit 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann durch einen Membranhalter 220 und eine Membran 210 ausgebildet werden, wobei die Membran mindestens zwei Schlitze 212 aufweist. Die Membran 210 wird – bezogen auf die Längsachse der Membran – nicht senkrecht ein- bzw. angeschnitten, sondern das Einschneiden erfolgt in einem schrägen Winkel, d. h. die mindestens zwei Schlitze 212 werden durch schräge Einschnitte in die Membran 210 erhalten. In diesem Ausführungsbeispiel kann optional auf die Stege 121 in bzw. an dem Membranhalter 220 verzichtet werden. Die schrägen Einschnitte in der Membran 210 sind dabei derart ausgestaltet, dass – wenn die Membran eingebaut ist – verhindert wird, dass Wasser zurück in das Steigrohr 140 fließen kann.
Die oben beschriebene Membraneinheit 200 dient somit als eine Klappeneinheit in bzw. an den Auslässen der Steigrohre 141, um zu verhindern, dass Wasser aus dem Schichtraum 110 zurück in das Steigrohr 140 fließen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10123305 A1 [0003]
- DE 4301723 A1 [0004]
- DE 3905874 A1 [0005]

Claims

Schichtspeicher für Warmwasserspeicher, mit einem Schichtraum (110) zum Speichern von Flüssigkeiten in thermischen Schichtungen, einem Einspeiseraum (120) zum Einspeisen von Flüssigkeiten, wobei eine Trennwand (130) zumindest teilweise zwischen dem Einspeiseraum (120) und dem Schichtraum (110) vorgesehen ist.
Schichtspeicher nach Anspruch 1, wobei der Einspeiseraum (120) ein ausreichend großes Volumen aufweist, so dass sich Kaltwasser ausbreiten und beruhigen kann, bevor es in den Schichtraum (110) aufsteigt.
Schichtspeicher nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Trennwand (130) Durchlässe oder Öffnungen aufweist.
Schichtspeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Schichtraum mindestens ein Steigrohr (140) vorgesehen ist, wobei das Steigrohr (140) aus mindestens einer modularen Steigrohreinheit (141) ausgebildet ist.
Schichtspeicher nach Anspruch 4, wobei die Steigrohreinheit (141) eine Auslasseinheit (142) zum Ausgeben von Flüssigkeit aufweist, wobei eine Membraneinheit (200) in der Auslasseinheit (142) befestigt wird.
Schichtspeicher nach Anspruch 5, wobei die Membraneinheit (200) einen Membranhalter (220) und eine Membran (210) aufweist.
Schichtspeicher nach Anspruch 6, wobei der Membranhalter (220) mindestens einen Steg (221) aufweist, wobei die Membran (110) mindestens zwei Schlitze (212) aufweist, wobei die Membran (110) derart auf dem Membranhalter (220) befestigt ist, dass zumindest einer der Schlitze (212) zumindest teilweise über einem der Stege (221) angeordnet ist.
Schichtspeicher nach Anspruch 6, wobei die Membran (210) mindestens zwei Schlitze aufweist, welche durch schräge Einschnitte in die Membran erhalten werden.
Schichtspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Membraneinheit (200) flach oder scheibenförmig ausgebildet ist.
Membraneinheit für einen Schichtspeicher, mit einem Membranhalter (220) und einer Membran (210), welche mindestens zwei Schlitze (212) aufweist, wobei die mindestens zwei Schlitze (212) durch schräge Einschnitte in der Membran erhalten werden.
Membraneinheit (200), mit einem Membranhalter (220), welcher mindestens einen Steg (221) aufweist, und einer Membran (210), welche mindestens zwei Schlitze (212) aufweist, wobei die Membran (210) derart auf dem Membranhalter (220) angeordnet wird, dass zumindest einer der Schlitze (212) zumindest teilweise über einem der Stege (221) angeordnet wird.
Membraneinheit (200) nach Anspruch 10, wobei die Membraneinheit (200) flach oder scheibenförmig ausgebildet ist.
Schichtspeicher für Warmwasserspeicher mit einem Schichtraum (110) und einem Steigrohr (140), wobei das Steigrohr mindestens eine Auslasseinheit (142) aufweist, wobei eine Membraneinheit (220) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 in der Auslasseinheit (142) befestigt wird.
Schichtspeicher nach Anspruch 13, wobei der Schichtspeicher einen Schichtraum (110) zum Speichern von Flüssigkeiten in thermischen Schichtungen und einen Einspeiseraum (120) zum Einspeisen von Flüssigkeiten aufweist, wobei eine Trennwand (130) zumindest teilweise zwischen dem Einspeiseraum (120) und dem Schichtraum (110) vorgesehen ist.
Schichtspeicher nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Steigrohr (140) aus mindestens einer modularen Steigrohreinheit (141) ausgebildet ist, welche jeweils eine Auslasseinheit (142) aufweist.