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Die Erfindung betrifft einen Überladeschutz für einen Wärmespeicher einer Anlage, mit der Räume unter Verwendung eines thermischen Speichers auf einer konstanten Temperatur gehalten werden können, sodass Wärmespeicher mit einem Überhitzungsschutz realisierbar sind.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen für Kühlanlagen bekannt, bei denen die Kühlung von thermischen Speichern (Kältespeichern) unterstützt wird.
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Zur Übertragung von Wärme zwischen einer Wärmequelle, z. B. in Form einer Heizung oder eines zu kühlendes Raumes, und einer Wärmesenke sind sog. Heatpipes (Wärmerohre) bekannt.
DE 35 18 008 A1 beschreibt z. B. einen Wärmeübertrager basierend auf Wärmerohren.
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JP H06- 241 674 A zeigt ein Kältegerät, vorzugsweise zur Kühlung von Kabelkanälen, das eine Heatpipe und einen Kühltank aufweist, der mit einem Latent-Wärmespeichermedium gefüllt ist, das im Arbeitstemperaturbereich des Latentspeichers einen Phasenübergang von flüssig zu fest vollzieht. Der Kondensator der Heatpipe steht mit dem Latent-Wärmespeichermedium in thermischem Kontakt, der Verdampfer der Heatpipe ist thermisch an die zu kühlenden Kabelkanäle angekoppelt. Der Kühltank ist zudem mit einer Kälteanlage verbunden, die zur Kühlung des Latent-Wärmespeichermediums im Kühltank dient.
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Durch die Ankopplung des Kühltanks an die zu kühlenden Kabelkanäle mittels einer Heatpipe (räumliche Trennung des Kühltanks vom Kabelkanal) ist es möglich, den Kühltank ausreichend groß zu dimensionieren. Der Wärmefluss zwischen dem Kühltank und dem Kabelkanal wird jedoch lediglich durch die Wärmeleitfähigkeit der Heatpipe (einschließlich der Wärmeübergänge an deren Verdampfer- und Kondensatorteil) begrenzt, d.h., die Temperaturwerte im Kabelkanal unterliegen, was hier allerdings unschädlich ist, vergleichsweise große Schwankungen.
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Ein Zweitemperaturen-Kühlschrank mit nur einem Kälteapparat, wobei die Fächer höherer Temperatur mit einem selbständig regelbaren Wärmerohr gekühlt werden, ist in
DE 26 23 879 A1 enthüllt.
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Ein Kälteerzeugungskreis, der auch unter Verwendung eines mittels eines Thermosiphons angebundenen Kältespeichers kühlen kann, ist in
DE 38 05 987 A1 offenbart. Hier kann temperaturgesteuert ein Ventil im Kältemittelkreislauf des Thermosiphons geöffnet und geschlossen werden.
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DE 31 17 965 A1 zeigt eine Warmwasservorrichtung mit Wärmepumpe, bei der die Abwärme des Kompressors der Wärmepumpe mittels eines Wärmerohres zur zusätzlichen Nutzung bei der Warmwassererzeugung nutzbar ist.
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In
JP S62- 275 820 A wird ein regenerativer Heizer für Fahrzeuge beschrieben. Dieser entnimmt mittels einer (ungeregelten) Heatpipe Wärme aus dem Abgasstrom und überträgt diese auf einen Latentwärmespeicher, der direkten Kontakt zum Zuluftkanal der Fahrzeugkabine hat. In den Latentwärmespeicher ist ein Wärmetauscher eines pumpengetriebenen Kühlkreislaufs integriert, der eine Überhitzung des Wärmespeichermaterials verhindert. Das Verhindern einer Überhitzung mittels eines zusätzlichen Kühlsystems ist gerätetechnisch aufwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Überhitzungsschutz für eine Anlage zu finden, mit der Räume unter Zuhilfenahme eines thermischen Speichers ohne oder mit einem sehr geringen Einsatz von Hilfsenergie auch bei zeitlich variierendem Wärmeeintrag auf einer konstanten Temperatur (im Rahmen der technischen Möglichkeiten) gehalten werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Ausgegangen wird von einer Anlage zur Temperierung von Räumen (nachfolgend temperierbare Kompartimente) mittels eines Wärmespeichers (nachfolgend thermischer Speicher genannt), umfassend mindestens eine Heatpipe, in der sich ein Arbeitsmittel befindet und die einen Verdampfer sowie einen Kondensator umfasst (denkbar sind auch mehrere Verdampfer und/oder Kondensatoren), und einem Temperiergerät, das zum Erwärmen des thermischen Speichers dient (thermisch an diesen angekoppelt ist). Beim Betrieb der Anlage (d.h. unter Betriebsbedingungen) liegt das Arbeitsmittel in der Heatpipe sowohl flüssig (Verflüssigung im Bereich des Kondensators) als auch gasförmig (Verdampfung im Bereich des Verdampfers) vor.
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Das Temperiergerät wird als Heizanlage genutzt, sodass der Kondensator an das temperierbare Kompartiment und der Verdampfer an den thermischen Speicher angekoppelt sind.
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Nach Maßgabe der Erfindung ist zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ein mittels eines Temperatursensors gesteuertes Temperaturregelventil eingebracht, das (zur Regelung des Wärmeübertrags zwischen dem thermischen Speicher und dem Temperiergerät) den beim Betrieb der Anlage auftretenden Strom des flüssigen Arbeitsmittels (es erfolgt keine Regelung von gasförmigem Arbeitsmittel) zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator regelt. Der Temperatursensor steht mit dem thermischen Speicher in thermischem Kontakt.
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Eine gleichzeitige Regelung des flüssigen und gasförmigen Arbeitsmittels, indem z.B. gleichzeitig die (getrennten) Wege des flüssigen und gasförmigen Arbeitsmittels abgesperrt bzw. gedrosselt werden oder indem ein Querschnitt eines Wärmerohrs, bei dem die flüssige und gasförmige Phase des Arbeitsmittels gemeinsam in einer Leitung/einem gemeinsamen Weg geführt ist, abgesperrt bzw. gedrosselt wird, ist ungeeignet, da sich bei einem entsprechenden Sperren/Drosseln immer ein Gasdruck aufbaut, der zu einem deutlich verschlechterten Regelverhalten führt.
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Mit der Erfindung wird es möglich, einen thermischen Speicher mit (weitgehend) konstanter Temperatur und frei wählbarer Speicherkapazität, z.B. einen Latentspeicher, leistungsvariabel und damit temperaturregelnd an eine Wärmequelle, z. B. ein Temperiergerät, anzukoppeln, wodurch sich der Energiebedarf/die Energieversorgung zeitlich vom Bedarf an Wärme entkoppeln lässt. Erfindungsgemäß erfolgt die Anwendung bei Wärmespeichern, um sie mit einer Schutzfunktion vor einem Überhitzen des Speichers (Laden auf zu hohe Temperaturen) auszustatten.
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Üblicherweise werden Heatpipes mit einer so hohen Wärmeleitfähigkeit eingesetzt, dass mit der Heatpipe auch bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Wärmequelle und dem thermischen Speicher, von z.B. 1 bis 4 K, eine Wärmeleistung übertragen werden kann. Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zwischen dem thermischen Speicher (z.B. Latentwärmespeicher), und der Wärmequelle können hohe Energieeffizienzen erreicht werden. Wenn zur Wärmeerzeugung z.B. Wärmepumpen genutzt werden, kann eine entsprechende geringe Temperaturdifferenz günstig sein.
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Das Innere der Heatpipes wird frei von nicht kondensierbaren Gasen gehalten. Arbeitsmittel sind vorzugsweise Substanzen mit hohen Verdampfungsenthalpien bei niedrigen Dampfdrücken. Die untere Einsatztemperatur von Heatpipes wird durch den Schmelzpunkt des Arbeitsmittels vorgegeben. Unterschreitet die niedrigste Anlagentemperatur 0°C nicht, kommt zweckmäßigerweise Wasser als Arbeitsmittel zum Einsatz. Andere mögliche Stoffe sind Ammoniak, Methanol, Ethanol. Kohlendioxid oder technische Fluorkohlenwasserstoff-Kältemittel (z.B. R134a).
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Der Kondensator der Heatpipe ist an den thermischen Speicher und der Verdampfer an eine Wärmequelle (z.B. Verbrennungsabgase) gekoppelt. Der Temperatursensor ist thermisch an den thermischen Speicher gekoppelt. Auf diese Weise können thermische Speicher, die bei für Verbrennungsabgasen relevanten Temperaturen von z.B. 200-400 °C betrieben werden und die üblicherweise als Latentspeicher mit Paraffinen, Fettsäuren, Zuckeralkoholen oder organischen Säuren im Temperaturbereich von 40 °C bis 200 °C realisiert sind, vor einer Beladung auf zu hohe Temperaturen geschützt werden, indem die Wärmezufuhr in den Wärmespeicher (durch das Temperaturregelventil der Heatpipe) bei Erreichen einer vorgegebenen Maximaltemperatur gestoppt wird. Die meisten organischen Substanzen nehmen bekanntermaßen dauerhaft Schaden (z.B. durch chemische Zersetzung), wenn sie auf eine Temperatur erhitzt werden, die 20-40 K über ihre Schmelztemperatur (und damit über der Speichertemperatur) liegt.
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Um die Temperaturregelung unabhängig von externer Hilfsenergie (z.B. elektrischer Energie) zu gestalten, kann ein Temperaturregelventil eingesetzt sein, das ohne Hilfsenergie arbeitet (z.B. mit einem thermischen Schalter/Bimetallschalter oder einer Adsorptionszelle). Der Temperatursensor entspricht dann dem Temperaturfühler (z.B. Bimetallschalter/Bimetallregler) des Temperaturregelventils.
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Für einen Betrieb ohne Hilfsenergie ist es erforderlich, dass das flüssige Arbeitsmittel in der Heatpipe selbsttätig dem Temperaturregelventil zufließt. Dazu ist es zweckmäßig, dass sich bei dem erfindungsgemäßen Aufbau der Anlage der Kondensator der Heatpipe (also der kältere Teil der Anordnung) oberhalb des Verdampfers (dem wärmeren Teil der Anordnung) und des Temperaturregelventils befindet, wobei der Kondensator der Heatpipe in seiner ganzen Länge mit einer Neigung zum Temperaturregelventil hin gestaltet ist. Bei der Verdampfergestaltung wird durch konstruktive Maßnahmen (Neigung, Rohrverlauf, ausreichend große Rohrquerschnitte) sichergestellt, dass die Dampfphase des Arbeitsmittels einen möglichst druckverlustarmen Strömungsweg zum Kondensator hat. Auf diese Weise wird ein schwerkraftgetriebener Umlauf des Arbeitsmittels in der Heatpipe (ohne Elektroenergieverbrauch) ermöglicht, wobei die Dauer des Umlaufs nur von der Menge der zuvor im thermischen Speicher akkumulierten Wärme abhängt.
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Als Heatpipe kann eine sog. Loop-Heatpipe, d.h. eine Heatpipe mit jeweils vollständig getrennten Wegen für die flüssige und die gasförmige Phase des Arbeitsmittels, eingesetzt werden. Zur Vermeidung von thermischen Verlusten können zudem Heatpipeelemente außerhalb der Verdampfer- bzw. Kondensatorbereiche mit einer Wärmedämmung versehen werden.
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Alternativ kann auch eine Heatpipe verwendet sein, bei der die Wege für die flüssige und die gasförmige Phase des Arbeitsmittels zusammen oder teilweise getrennt verlaufen. Sofern das Temperaturregelventil in einem Bereich der Heatpipe eingesetzt ist, bei dem die Wege gemeinsam verlaufen (d.h. in den an das Temperaturregelventil angrenzenden Bereichen nutzen die flüssige und gasförmige Phase des Arbeitsmittels denselben Weg/dieselbe Leitung), erfolgt direkt vor dem Ventil eine Auftrennung der beiden Phasen (in zwei Wege), wobei die flüssige Phase durch das Ventil und die gasförmige Phase mittels eines Gasbypasses/einer Gasbypass-Leitung am Ventil vorbeigeführt wird. Hinter dem Ventil werden die beiden Phasen wieder zusammengeführt, d.h., die aus dem Ventil austretende Leitung für die flüssige Phase und die Leitung des Gasbypasses münden direkt hinter dem Ventil ineinander.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Die Figur zeigt einen vor einer Beladung auf zu hohe Temperaturen geschützten thermischen Speicher 5, der mit der Wärmedämmschicht 4 ummantelt ist. Der Kondensator 6 der Heatpipe 13 ist an den thermischen Speicher 5 und der Verdampfer 2 an eine Wärmequelle 15 (z.B. Verbrennungsabgase) gekoppelt. Der Temperatursensor 11 ist thermisch an den thermischen Speicher 5 gekoppelt. Zur Entnahme von Wärme ist im thermischen Speicher 5 der Verdampfer 16 einer weiteren Heatpipe angeordnet, der im thermischen Kontakt mit Latentspeichermaterial 8, 9 steht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperierbares Kompartiment
- 2
- Verdampfer
- 4
- Wärmedämmschicht
- 5
- Thermischer Speicher/Wärmespeicher
- 6
- Kondensator
- 8
- Wärme-/Latentspeichermaterial, flüssige Phase
- 9
- Wärme-/Latentspeichermaterial, feste Phase
- 10
- Temperaturregelventil
- 11
- Temperatursensor/Temperaturfühler
- 13
- Loop-Heatpipe
- 15
- Wärmequelle
- 16
- Verdampfer einer weiteren Heatpipe
