DE102017119429B4

DE102017119429B4 - Vorrichtung zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Volumenströmen in/aus mit Flüssigkeit gefüllten Behältern und Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE102017119429B4
Application number: DE102017119429.0A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2023-11-09
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: DE102017119429A1

Abstract

Strömungsring zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Flüssigkeiten in einen oder aus einem Behälter, wobei der Strömungsring (1, 2) mindestens eine zur horizontalen Ebene des Speichers (3) ausgerichtete Öffnung aufweist, wobei der Strömungsring (1, 2) vorzugsweise profilierte Öffnungen über die gesamte Oberfläche des Strömungsringes (1, 2) aufweist und die in den Speicher eingebrachte Austauschfläche um ein Mehrfaches im Vergleich zur Fläche der Behälterdurchführung vergrößert und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit im selben Verhältnis reduziert wird,wobei die Rohrinnenquerschnittsfläche des Strömungsrings (1, 2) von der Befestigung (7) am Gehäuse des Behälters (29) zum Ende des Ringes innerhalb des Behälters (3) abnimmt,und wobei sich der Mitteldurchmesser des Strömungsringes (1, 2) in einem rechnerischen Mittel der horizontalen Ebene befindet,und derart ausgebildet ist, dass eine von einer Innenkante des Strömungsrings begrenzte horizontale Fläche zu einer Behältermitte gleich der von einer Außenkante des Strömungsrings begrenzten horizontalen Fläche zum Behältermantel ist,sodass eine gleichberechtigte Ein- oder Ausströmung in der gesamten horizontalen Behälterfläche erreicht wird und homogene konzentrische Strömungen ausgebildet und gehalten werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur vermischungsarmen Einlagerung und/oder Auslagerung von Volumenströmen in bzw. aus mit Flüssigkeit gefüllten Behältern. Diese Behälter können kleine und große Volumina aufweisen. Die Funktion als bevorratender Speicher ist dabei von untergeordneter, im jeweiligen Anwendungsfall jedoch nutzbarer Bedeutung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Strömungsring der auch nachträglich in einen bestehenden Behälter für Flüssigkeiten eingebracht werden kann. Mit diesem Strömungsring, oder mehreren davon, wird in solchen Behältern eine differenzierte Temperaturschichtung erzeugt und auch bei weiterer Be- und/oder Entladung gehalten. Dabei besteht die grundlegende Neuerung darin, dass eine im Behälter auf die horizontale Ebene ausgerichtete Austauschfläche durch eine im Verhältnis dazu kleine Einbringfläche an der Speicherwand dieses Behälters eingebracht werden kann.
Der mindestens eine in den Behälter horizontal angebrachte Strömungsring dient dabei entweder der Einlagerung und/oder Auslagerung von Flüssigkeiten in/aus dem Behälter. In einer Ausführungsform ist der mindestens eine Strömungsring hohl ausgebildet und weist mindestens eine Einlauföffnung und eine Auslauföffnung auf. In einer weiteren Ausführungsform weist der mindestens eine Strömungsring mindestens eine kleine, zur horizontalen Ebene des Behälters ausgerichtete Öffnung auf. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der mindestens eine Strömungsring horizontal zur Hochachse des Behälters ausgerichtete, profilierte, über die Oberfläche verteilten Öffnungen des Strömungsringes. In einer weiteren Ausführungsform besteht der mindestens eine Strömungsring aus hohlen Einzelsegmenten, vorzugsweise aus beweglich miteinander verbunden einzelnen Segmenten. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der aus mehreren Einzelsegmenten geformte Ring einen Befestigungspunkt an der Behälterwandung zweiten Endpunkt auf der gegenüberliegenden, offenen Seite des Strömungsrings. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Strömungsring aus z. B. drei gelenkig miteinander verbundenen Einzelsegmenten.
Die Funktion der Strömungsringe ist die vermischungsarme Ein- bzw. Auslagerung von Volumenströmen in oder aus mit Flüssigkeit gefüllten Behältern.
Die DE 10 2010 005 992 A1 beschreibt Beladevorrichtungen für Pufferspeicher mit Temperaturspeicherschichten, wobei diese über einen Anschluss im Mantel des Speichers angebracht sind und horizontal in das Speicherinnere verlaufen. Die Vorrichtungen weisen dabei Öffnungen auf, die sich zum Speicherinneren verjüngen.
Der Nachteil der im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen ist, dass diese auf eine projizierte Fläche entlang dessen Mittelachse des Speichers beschränkt sind, wodurch die Beladekapazität eingeschränkt ist. Des Weiteren werden durch Öffnungen, welche die Beladevorrichtungen umgeben, Volumenströme radial zur Vorrichtungsachse gebildet. Diese führen zu einer Einlagerung der Flüssigkeit in tiefere als auch höher gelegene Schichten, wodurch die vertikale Temperaturschichtung gestört wird. Eine effiziente, strömungsberuhigte Einlagerung wird daher nicht ermöglicht und führt zu Effizienz- und Energieverlusten. Darüber hinaus beeinflussen die im Stand der Technik beschriebenen Beladevorrichtungen nur in der direkten Umgebung der jeweiligen Vorrichtungen. Dies führt zu einer Inhomogenität in der horizontalen Speicherschicht. Eine auf die horizontale Speicherschicht begrenzte Entladung ist mit der im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtung nicht möglich, da die Öffnungen direkt am Speichermantel die strömungstechnisch günstigsten Voraussetzungen aufweisen.
Weitere Vorrichtungen aus dem Stand der Technik nach AT 411 190 B weisen am gesamten Umfang des Speichers Anschlüsse auf, die die Montage der anschließenden Rohrleitungen teilweise sehr komplex gestalten und viel Raum zum Zugang bei Montage und Wartung benötigen. Es müssen darüber hinaus sehr viele und kostentreibende Formstücke verbaut werden. Weiterhin sind zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von vertikalen Temperaturschichten im Speicher bereits in der Produktion spezielle Vorrichtungen vorzusehen, die eine Vermischung von Volumenströmen vermindern.
EP 2 476 970 B1 betrifft einen Fluidspeicher zum geschichteten Speichern zumindest einer Wärmeträgerflüssigkeit in einem Speicherhohlraum des Fluidspeichers mit einem Strömungsring, wobei der Strömungsring mindestens eine zur horizontalen Ebene des Speichers ausgerichtete Öffnung aufweist, wobei der Strömungsring Öffnungen über die Oberfläche des Strömungsringes aufweist und die in den Speicher eingebrachte Austauschfläche im Vergleich zur Fläche der Behälterdurchführung vergrößert. US 5 054 437 A betrifft einen Speichertank für Wasserheizeinrichtungen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen, wobei die gegenseitige Beeinflussung der Volumenströme minimiert wird und ein hydraulischer Nullpunkt unter hydraulischer Gleichberechtigung unterschiedlicher Versorgungsleistungen und Entnahmelasten erzeugt wird. Damit eine effiziente Volumennutzung erreicht. Des Weiteren soll die Vorrichtung beispielsweise auch in einfacher und kostengünstiger Weise in bereits bestehende Pufferspeicher eingebaut werden können. Durch diese Anwendung können bestehende Systeme mit kalkulierbarem Aufwand in ihrer Effizienz deutlich erhöht werden.
Die Aufgabe wird durch die Ausführungsformen in den Ansprüchen gekennzeichnet und durch die folgenden Ausführungen, die Beispiele und den Zeichnungen näher beschrieben.
Figuren

1 Schematische Darstellung des Optimierungsansatzes von maximaler Ein- bzw. Auslagerung in der horizontalen x-z-Ebene bei minimaler Beeinflussungder vertikalen y-Richtung innerhalb des Behältermantels (29).
2 Schematische Draufsicht auf die Vertikalachse einer bevorzugten Ausführungsform eines Behälters (3) zur Verdeutlichung der Ausbildung konzentrischer, gleichmäßiger Strömungen niedriger Geschwindigkeit und maximaler Einwirkung auf die horizontale x-z-Ebene. Dargestellt sind in a) eine Auslagerungsvorrichtung für ausfließende Flüssigkeiten und b) eine Einlagerungsvorrichtung für einfließende Flüssigkeitsströme; die Strömungsrichtung ist jeweils mit Pfeilen dargestellt.
3 Schematische Darstellung eines Flüssigkeitsbehälters (3). Dargestellt sind a) ein erster Versorgungsvorlauf für hohe Temperaturen, b) Netzvorläufe für hohe Temperaturen, c) ein zweiter Versorgungsvorlauf für hohe Temperaturen, d) Netzrückläufe für hohe Temperaturen, e) Versorgungsrücklaufe für hohe Temperatur, f) Netzvorläufe für niedrige Temperatur, g) Netzrückläufe für niedrige Temperatur, sowie in h) Versorgungsrücklauf für niedrige Temperatur. Direkt an das Behältervolumen angekoppelt werden Vorlaufverteiler (4) und Rücklaufsammler (5).
4 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Strömungsrings als Einlagerungsvorrichtung - Draufsicht auf die Vertikalachse des Behälters (3).
5 Schematische Darstellung einer beispielhaften Fixierung von Spannvorrichtungen (9) und (11), die durch die Führungsvorrichtungen (17) in Richtung Behälterwand geführt werden, durch Arretierungselemente (18).
6 Schematische Darstellung eines Einzelsegmentes des zusammenbaubaren Strömungsringes für eine Einlagerungsvorrichtung (2).
7 Schematische Darstellung der Befestigungsvorrichtung als Flanschverbindung.
8 Schematische Darstellung der Einführung des Strömungsringes (1, 2) aus beispielhaft drei gelenkig miteinander verbundenen Einzelsegmenten in den Behälter (3).
9 Schematische Darstellung der dendritischen Strömungsverteilung.

Bezugszeichen

1: Strömungsring (als Auslagerungsvorrichtung)
2: Strömungsring (als Einlagerungsvorrichtung)
3: (Flüssigkeits-)Behälter
4: Vorlaufverteiler ,Verteilbehälter,
5: Rücklaufsammler, Sammelbehälter
6: Verdrängungskörper innerhalb des Strömungsrings
7: Befestigungsvorrichtung, Behälterdurchführung
8: äußerster Punkt des Strömungsringes
9: (kontinuierliche) Spann- und Nachstellvorrichtung
10: flexibles Teilstück
11: Spannvorrichtung
12: Lasche mit zwei Anschlagsflächen oben und unten am Einzelsegment
13: Anschlagsfläche für gerade Ausrichtung
14: Anschlagsfläche für gekrümmte Ausrichtung
15: profilierter Nocken oben und unten am Einzelsegment
16: Einzelsegment(e)
17: Führungsvorrichtung
18: Arretierungselement
19: Rahmen
20: Gewindestifte
21: Gewindemuttern
22: Unterlegscheiben
23: Dichtung
25: Fügenaht
26: Flanschplatte
27: Verbindungselement
28: Teilstück(e)
29: Behältermantel; Gehäuse, Behältergehäuse

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit welcher eine Flüssigkeit in einen Behälter, vorzugsweise einen Flüssigkeitsbehälter (3), eingeführt werden kann, um darin eine definierte, temperaturabhängige Schichtung der im Behälter aufzufüllenden Flüssigkeit zu erzeugen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens einen Strömungsring (1, 2), der nachträglich in den Flüssigkeitsbehälter (3) eingebracht werden kann oder bereits in einem solchen durch die Fertigung vorhanden ist.
Auch bei sich dynamisch überlagernden Volumenströmen werden unter Wahrung des gleichen Drehsinns über die gesamte Behälterhöhe definierte Temperaturschichten gebildet und erhalten. Durch die Vergrößerung der Austauschfläche für Volumenströme innerhalb des Behälters wird durch die Erfindung im gleichen Verhältnis die Strömungsgeschwindigkeit im Behälter herabgesetzt. Der mindestens eine konzentrische Strömungsring (1, 2) ist hohl, als Rohr ausgebildet und innerhalb des Behälters (3) horizontal angebracht. Das Rohr kann eine runde, ovale, quadratische oder rechteckige Form aufweisen. Eine Beschränkung auf die vorher genannten Formen besteht nicht. Der Strömungsring (1, 2) ist an der Oberfläche mit Öffnungen ausgebildet, sodass eine Zufuhr von Flüssigkeit in den Speicher (3) und/oder eine Entnahme der Flüssigkeit aus dem Speicher (3) ermöglicht wird. In einer Ausführungsform weist der Strömungsring (1, 2) mindestens eine Einlauföffnung und/oder eine Auslauföffnung an jeweils einer Seite des Endes des Strömungsrings (1, 2).
Der hohl ausgebildete Strömungsring (1, 2) weist in horizontaler Richtung zur Speicherhochachse ausgerichtete, profilierte Öffnungen auf. Diese Öffnungen im Strömungsring (1, 2) führen zu laminaren, konzentrischen, nur auf die Horizontalschicht ausgerichtete und in ihrer Geschwindigkeit auf wenige Zentimeter pro Sekundeherabgesetzten Strömungen der Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitsbehälters (3). Die Öffnungen weisen eine Größe von unter 20 cm² auf, vorzugsweise ist die Größe der kleinen horizontal ausgerichteten Öffnungen wenige mm² groß. Die Größe der Öffnungen im Strömungsring (1, 2) ist abhängig von der jeweils projektierten Be- und Entlademenge pro Zeitintervall. Je größer der Flüssigkeitsaustausch in den bzw. aus dem Flüssigkeitsbehälter ist, desto größer können die Öffnungen im Strömungsring (1, 2) ausgebildet sein. Umgekehrt führen kleinere Be- und Entladekapazitäten zu kleineren Öffnungen im Strömungsring. In jedem Fall ist die gegenseitige Beeinflussung unterschiedlicher Volumenströme minimal zu halten. Die Form der Öffnungen kann jegliche Form sein, beispielsweise rund, oval, quadratisch, rechteckig, rautenförmig. Sie ist jedoch nicht beschränkt auf vorherig genannten Formen. In einer Ausführungsform nimmt die Anzahl der profilierten Öffnungen, und entsprechend die Austauschfläche vom Einbringungspunkt der Einlagerungsvorrichtung (2) oder Entnahmepunkt der Auslagerungsvorrichtung (1), welche sich am Anschluss des Speichers (3) befindet, zum anderen Ende des Ringes ab.. Dadurch wird eine strömungstechnische Geleichberechtigung unabhängig von der Position an der Längsachse des Strömungsrings (1. 2) erreicht.
Der Strömungsring (1, 2) ist in einer Ausführungsform derart ausgebildet, dass die auf dessen Längsachse ausgerichtete Rohrquerschnittsfläche am Anschluss (7), welcher sich am Gehäuse (29) des Speichers (3) befindet, gleich groß ist, wie am Ende des Ringes (1, 2). In einer bevorzugten Ausführungsform nimmt die Querschnittsfläche des Hohlkörpers, des als Ring ausgebildeten Rohres, von der Befestigung (7) am Gehäuse (29) des Behälters zum anderen Ende des offenen Ringes innerhalb des Speichers (3) geeignet ab. Der Strömungsring (1, 2) kann in einen bereits bestehenden Behälter (3), beispielsweise Pufferspeicher für Flüssigkeiten, vorzugsweise Wasser eingeführt werden. Um eine nachträgliche Einbringung zu ermöglichen, ist der Rohrdurchmesser des Ringes abhängig vom Durchmesser des Anschlusses am Gehäuse (29), da durch diesen Anschluss, d.h. Öffnung im Außengehäuse des Speichers (3), nachträglich der Strömungsring (1, 2) in den Speicher (3) eingebracht werden kann. In einer Ausführungsform, ist die Querschnittsfläche des Rohres daher wenige mm² kleiner als die Fläche der Anschlussöffnung im Gehäuse. In 7 sind besondere Vorrichtungen an der Anschlussöffnung im Gehäuse dargestellt, wie beispielsweise ein auf die Behälterwand gefügter Rahmen (19), Gewindestifte (20) und Flanschplatte (25) mit entsprechenden Verbindungsteilen, kann hierbei als Befestigung des Strömungsringes (1, 2) dienen. Weiterhin können die Gewindestifte bei passender Projektierung auch die Befestigung für Vorlaufverteiler (4) oder Rücklaufsammler (5) außerhalb des Behälters dienen. Mit passenden Dichtungen (23) ist die vorgesehene Druckdichtigkeit des Behälters (3) herzustellen.
Je nach Bauform und Größe des verwendeten Behälters (3), bei dem es sich auch um einen Pufferspeicher handeln kann, wird das Maß des Strömungsringes (1, 2), d.h. die Größe des Durchmessers des gesamten Ringes in Abhängigkeit vom Behälterbau variieren. Der Mitteldurchmesser des Strömungsringes (1, 2) befindet sich, wie in 2, 4 und 8 dargestellt, in einer Ausführungsform im rechnerischen Mittel der horizontalen Behälterfläche. Erfindungsgemäß ist die von der Innenkante des Strömungsrings begrenzte horizontale Fläche zur Behältermitte gleich der von der Außenkante des Strömungsrings begrenzten horizontalen Fläche zum Behältermantel. Ziel dieser Ausführungsform ist die gleichberechtigte Ausrichtung der ein- und ausfließenden Volumenströme auf die horizontale Behälterfläche.
In einer Ausführungsform wird die mögliche Umlenkung der im Strömungsring (1,2) herrschenden axialen Strömungsrichtung durch dessen Wandstärke bestimmt. In einer Ausführungsform kann die Strömungsrichtung durch unterschiedliche Wandstärken des Strömungsringes verändert werden. Insbesondere an der Inneren Wandfläche des Ringes (Innendurchmesser) und äußeren Flächen des Rings (Außenringmaß), welche in die horizontale Speicherschicht weisen, ist durch die widerstandsarme Umlenkung ein geeigneter radialer Impulsanteil zu erzielen. In einer Ausführungsform sind diese Flächen bzw. Strömungsöffnungen des mindestens einen Strömungsringes so gestaltet, dass der seitliche Einströmimpuls bzw. Auslagerungsimpuls minimal nach unten und/oder oben gerichtet ist. Der Winkel beträgt dabei zwischen 0 und 20° zur horizontalen Achse des Speichers (3). In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Winkel zwischen 0 und 10 °. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel unter 5°. Mit einer entsprechenden Strömung ergibt sich durch die homogene, ringförmige Einleitung von Volumen eine zur vertikalen Speicherachse maximal konzentrische Einströmung definiert maximaler Geschwindigkeit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Strömungsring (1, 2) derart ausgebildet, dass dieser nachträglich in bereits bestehende Flüssigkeitsspeicher (3) eingebaut werden kann. Hierzu besteht der Strömungsring (1, 2) aus baugleichen Einzelsegmenten (16), wie beispielsweise den 4, 5, 6 und 8 zu entnehmen ist. Die Einzelsegmente (16) bestehen aus beweglich miteinander verbunden Teilen. Bewegliche Verbindungen können jegliche im Stand der Technik bekannte Verbindungen sein und umfassen beispielsweise Drehgelenke, Schiebegelenke, Kugelgelenke, Schubgelenke, wobei vorzugsweise der Freiheitsgrad kleiner 3 ist. Aufgrund der Einzelsegmente (16) ist es möglich, den Strömungsring (1, 2) durch eine relativ kleine Öffnung im Speicher (3) einzubringen, welche lediglich etwas größer als die äußere Querschnittsfläche des Ringes ist. Auf diese Weise lassen sich bereits bestehende Flüssigkeitsspeicher (3) durch geringe Modifizierungen des Gehäuses umbauen. Die Einzelsegmente (16) werden nach ihrer Einführung in den Flüssigkeitsbehälters (3) durch das Zusammengreifen von jeweils oberen und unteren Laschen (12) und Nocken (15), die komplementär ineinandergreifen, gelenkig miteinander verbunden. Die Lasche weist beispielsweise eine Anschlagsfläche (13) auf, die eine Ausrichtung in Flucht der Längsachsen der Einzelsegmente ergibt. Die andere Anschlagsfläche (14) der Lasche (12) führt zu einer definierten Ablenkung des einen Einzelsegments zum anderen. Die Summe der einzelnen definierten Ablenkungen führen bei Betätigung der Nachstellvorrichtung (9), die am äußersten Punkt des Strömungsrings (8) befestigt ist, zur Ausgestaltung der komplett auf die Horizontaleben im Behälter ausgerichteten Strömungsringe (1, 2). Anstatt von Laschen (12) und Nocken (15) können auch andere im Stand der Technik bekannte formschlüssige Verbindungen verwendet werden, diese sind beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf, Verzahnungen, Verbindungsbeschläge, Passverzahnung, Passfederverbindung, Steckverbindung, Verhaken. Die Nachstell- und Spannvorrichtung (9), wird in der Speicherdurchführung (7) in die Führungsvorrichtung (17) eingefädelt und in der letztlich beabsichtigten Betriebsposition durch das Arretierungselement (18) in seiner Position gehalten. Das flexibel ausgeführte Teilsegment (10), das die maximale Querschnittsfläche in Richtung der Längsachse des Strömungsrings aufweist, wird nach Einführen des Strömungsrings und dessen kompletter Ausbildung im Speicher durch eine weitere Spannvorrichtung (11) und eine weitere Führungsvorrichtung (17) ebenso im Speicher umgelenkt und durch ein weiteres Arretierungselement (18) in der Betriebsposition fixiert.
In der vorher beschriebenen Ausführungsform haben die Einzelsegmente (16) die gleiche Form und somit die in Richtung der Längsachse die gleiche Querschnittsfläche. In Richtung der Längsachse der Strömungsringe (1, 2) wird daher ein Verdrängungskörper (6) eingefügt, der eine hydraulische Geleichberechtigung der ein- oder ausströmenden Volumenströme in Richtung der Längsachse sicherstellen soll.
In einer weiteren Ausführungsform können die Einzelsegmente auch unterschiedlich sein in ihrer jeweiligen zur Längsachse ausgerichteten Querschnittsfläche. Zum Beispiel besitzen sie eine in Bezug auf die Längsachse des Strömungsrings geeignet abnehmende Querschnittsfläche. In diesem Fall kann auf den Verdrängungskörper (6) verzichtet werden.
Die endgültige Betriebsform des ausgebildeten Strömungsrings (1, 2) ergibt sich erst nach Abschluss der Montage im entsprechenden Behälter (3), da die Größe, der Innen- und Außendurchmesser des Ringes, die Anzahl der Öffnungen, sowie die Anzahl der verwendeten Segmente abhängig von Form und Betrieb des Flüssigkeitsbehälters (3) sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführung werden, wie beispielsweise in 8 dargestellt, drei unterschiedlich ausgebildete Teilsegmente (28), die mit Gelenken (27) verbunden sind und das eine Teilsegment mit der Flanschplatte (25) ausgestattet ist nach der vorher beschriebenen Art in den Behälter eingebracht. Dabei sind mindestens eine Nachstell-, Spannvorrichtung (9), eine Führungsvorrichtung (17) und eine Arretierungsvorrichtung (18) notwendig, um die Betriebsposition herzustellen. Die Einbringung der Einzelsegmente (16, 28) in den Behälter (3) erfolgt durch eine im Verhältnis zur dahinter angeordneten horizontalen Volumenscheibe kleine Einbringöffnung, die sich am Gehäuse oder Mantel des Speichers (29) befindet. Die Öffnung im Gehäuse des Behälters (3) ist 50 % bis 98 % kleiner als im Vergleich zur in den Speicher eingebrachten inneren und äußeren Austauschfläche des Strömungsringes (1, 2), vorzugsweise 70% bis 96%, besonders bevorzugt 85% bis 95 %.
Für die Befestigung der Strömungsringe an der Behälterwand (29) sind in einer Ausführungsform Befestigungselemente vergleichbar 7 vorgesehen. Beispiele für entsprechende Befestigungsvorrichtungen sind Gewindeteile und/oder Flanschlösungen verschiedener Dimensionen, die vorzugsweise eine radiale Ausrichtung auf die vertikale Speicherachse besitzen. Entsprechende Befestigungsvorrichtungen sind jedoch nicht beschränkt auf die vorherigen Ausführungen, sondern können jede dem Fachmann in diesem Bereich gängige Befestigung sein. Für die Befestigung können jedoch auch, bei nachzurüsteten Behältern (3), die standardisierten Befestigungselemente gemäß 7 verwendet werden. Diese können in der Horizontalen zur Positionierung genutzt werden. Das Material der verwendeten Bauteile kann jedes in dem Gebiet gängige Material sein und umfasst neben metallischen Werkstoffen auch nichtmetallische Werkstoffe. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Rahmen (19) an geeigneter Stelle durch eine innen und außen dichtende Naht (25) auf den Speichermantel gefügt werden. Die Innenfläche des Rahmens (19) stellt dann als lichte Öffnungsfläche für die Einbringung von an der Stelle passenden Strömungsringen (1,2) zu nutzen.
In einer beispielhaften Flanschverbindung, wie sie in 7 dargestellt ist, ist eine Flanschplatte (25) mittels eines Rahmens (19), Gewindestiften (20), Gewindemuttern (21), Unterlegscheiben (22) und einer Dichtung (23) unter Aufnahme der Behälterdurchführung (7) mit dem Behältergehäuse (29) verbunden. Das Befestigungselement, wie beispielsweise der Flansch nach 7, bietet darüber hinaus die Möglichkeit, nach außen gelagerte Anbauten am Behälter (3) zu fixieren. Diese können beispielsweise Vorlaufverteiler (4) oder Rücklaufsammler (5) sein, wie in 3 dargestellt.
Bei neuen Flüssigkeitsbehältern können die oben genannten Strömungsringe (1, 2) bereits in den Behälter (3) eingebaut sein. In einer Ausführungsform sind an diesen Behältern (3) vorzugsweise jedoch weitere potenzielle Öffnungen am Gehäuse vorgesehen, sodass eine Einführung weiterer Strömungsringe (1, 2) später möglich ist. Am Behältermantel (29) sind dafür beispielweise Rahmen (19) durch Fügenähte aufgefügt. Der Behältermantel (29) ist an der Fläche im Rahmen jedoch nicht geöffnet. Diese Ausführungsform ermöglicht die Nachrüstung weiterer Strömungsringe in den Speicher (3) ohne einen erheblichen Mehraufwand. Dies ist beispielsweise in zentralen Pufferspeichern von Vorteil, wenn ein weiterer Wärmeerzeuger angebracht wird, der Flüssigkeit einer bestimmten Temperatur in den Pufferspeicher einbringt. In diesem Fall können die in unterschiedlichen Höhen des Speichers gelegenen Öffnungen genutzt werden, um die temperierte Flüssigkeit des neuen Wärmeerzeugers in den Speicher (3) in einen bestimmten Temperaturbereich einzubringen. Durch diese Vorgehensweise wird eine saubere hydraulische Entkopplung unterschiedlicher ein- und ausgelagerter Volumenströme erreicht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die vorgefertigten möglichen Öffnungen im Behälter (3) in unterschiedlichen Temperaturbereichen des Behälters für Flüssigkeit vorgesehen. Das Behältergehäuse bzw. der Behältermantel (29) besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff, der wenig Wärmeleitung über die Wandung besitzt. Die Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Werkstoffe für das Gehäuse sollte vorzugsweise unter 2 W/(m*K) liegen, wobei W Watt, m Meter und K Kelvin ist. In einer besonders bevorzugten Anwendung liegt die Wärmeleitfähigkeit bei unter 0,05 W/(m*K). Mögliche Werkstoffe mit geringer Wärmeleitfähigkeit sind beispielsweise, Glas, Kunststoffe, wie Polyurethane, Polystyrole, Polyethylenterephthalat Polyvinylchlorid, Polypropylen und/oder Elastomere. Oft werden neben Kunststoffen auch Kupfer, Edelstahl, aus verzinktem Stahlblech, Aluminium-Magnesium-Legierung oder emailliertes Stahlblech verwendet.
Die Strömungsringe (1, 2) im Behälter (3) dienen der vermischungsarmen Einlagerung bzw. Auslagerung von Flüssigkeiten in bzw. aus dem Behälter (3). Daher betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur vermischungsarmen Einlagerung bzw. Auslagerung von Flüssigkeiten in bzw. aus dem Behälter (3) mittels mindestens einem der zuvor beschriebenen Strömungsringe (1, 2). Der zur Einlagerung von Flüssigkeiten verwendete Strömungsring (2) wird als Einlagerungsvorrichtung und der zur Auslagerung von Flüssigkeiten aus dem Speicher als Auslagerungsvorrichtung (1) bezeichnet. Dem Verfahren liegt zugrunde, dass die im Speicher umgesetztee Austauschoberfläche im Vergleich zur Querschnittsfläche der Einbringöffnung in den Behälter erheblich vergrößert wird. Vergrößert sich diese Austauschfläche beispielhaft um den Faktor zehn, sinkt die resultierende Strömungsgeschwindigkeit auf den zehnten Teil. Aufgrund der Trägheit der Flüssigkeit, wird durch die Strömungsringe (1, 2) bei der Einlagerung und/oder Auslagerung von Flüssigkeit in oder aus Behältern eine laminare Strömung erzeugt, die die Flüssigkeit konzentrisch zur Hochachse des Behälters (3) bewegt. Die komplette horizontale Ebene in x-z-Richtung im Behälter (3) wird daher mit Hilfe der Strömungsringe (1, 2) zur Ein- oder Auslagerung genutzt und in Richtung der vertikalen y-Achse findet eine minimale Strömungsbeeinflussung statt, wie beispielsweise in 1 dargestellt wird. Diese dabei gebildeten Strömungen sind daher vorzugsweise auf die gesamte horizontale Fläche der beladenen und/oder entladenen Speicherschicht beschränkt. Besonders bevorzugt sind die Strömungen homogen und zur Hochachse konzentrisch ausgebildet. Dies führt auch bei großen und sich dynamisch überlagernden Zuflussvolumenströmen von Flüssigkeit in den Behälter und/oder Abflussvolumenströmen aus dem Behälter heraus zu einer Strömungsberuhigung, wodurch eine Durchmischung der spezifischen Schichten vermindert wird. Die spezifischen Schichten bilden sich aufgrund der Be- und Entladung und wegen physikalischer Gesetzmäßigkeiten, wie Dichteunterschiede oder Wärmeleitung. Durch die Öffnungen zum Flüssigkeitsaustausch in den Strömungsringen (1, 2) wird eine minimale vertikale Ausdehnung von Volumenströmen in mit Flüssigkeit gefüllten Behältern (3) erreicht.
Durch die Einlagerung und/oder Auslagerung von Flüssigkeit in bzw. aus dem Behälter (3) mithilfe der Strömungsringe (1, 2) entsteht eine Drehbewegung der Volumenströme. Der sich dabei einstellende Drehsinn der Strömungen im Behälter (3) ist vorzugsweise für alle einfließenden und/oder abfließenden Volumenströme gleichgerichtet. Der Drehsinn kann abhängig vom Aufbau des Behälters (3) und/oder der Ausrichtung der Strömungsringe (1, 2) in Bezug auf die Hochachse des Behälters (3) rechts oder links herum laufen. Durch den erzeugten, für alle Teilvolumenströme gleichen Drehsinn entstehen an den Begrenzungsflächen der jeweiligen Volumenscheiben deutlich herabgesetzte Reibungen in der Flüssigkeit und somit auch deutlich weniger Verwirbelung, welche zu einer besseren Effizienz und somit besseren Energiebilanz führt.
In einer Ausführungsform wird die Flüssigkeit innerhalb des Behälters (3) temperaturgeschichtet, wobei ein bestimmtes Volumen einer bestimmten Funktion zugeordnet sein kann. In einer weiteren Ausführungsform sind die der jeweilig zu oder abgeführten Volumenströmen entsprechend dimensionierte Strömungsringe (1, 2) in Behälter eingebracht, die wegen dessen geringen Volumens nahezu keine Speicherkapazität aufweisen. Bei dieser Ausführung geht es primär um die hydraulische Entkopplung aller zu- und abfließenden Volumenströme. In einer anderen Ausführung kann der Behälter ein sehr großes Volumen aufweisen, weil Wärme- oder Kältekapazitäten für eine definierte Zeit bevorratet werden sollen.
Die vertikale Positionen der Strömungsringe (1,2) am Behälter verbunden mit den jeweiligen Be- und Entladetemperaturen legen die damit verbundenen Temperaturen in der entsprechenden horizontalen Speicherschicht fest.
Die Verwendung von mindestens zwei Strömungsringen (1, 2), durch die bewegte Flüssigkeit im Behälter (3) eingelagert und/oder ausgelagert wird, erbringt die Ausbildung von wendelförmigen Teilvolumenströmen die sich auf das Volumen zwischen den spezifischen horizontalen Strömungsringen (1, 2) beschränkt. Die gebildeten wendelförmigen Teilvolumenströme im Behälter führen zu einer hydraulischen Entkopplung unterschiedlicher thermischer Leistungen und Lasten. Zugeführte und/oder abgeführte Volumenströme gleicher Strömungsrichtung und annähernd gleicher Temperatur werden zusammengefasst. Dazu dienen die in 3 dargestellten Verteiler (4) und Sammler (5). Aufgrund des gleichen Drehsinns beeinflussen sich die konzentrischen Teilvolumenströme gegenseitig minimal. Die annährend gleiche Temperatur bezeichnet dabei einen Temperaturunterschied von vorzugsweise ± 5 °C. Die Strömungsringe (1, 2), die Verteiler (4) und Sammler (5) und das zugehörige Verfahren ermöglichen eine strömungstechnische Ankopplung aller zugeführten und/oder abgeführten Volumenströme an das Volumen im Behälter (3), wodurch ein definierter hydraulischer Nullpunkt ohne Differenzdrücke einzelner Anschlüsse zueinander entsteht. Dieser Nullpunkt ermöglicht eine zentrale, für alle Anschlüsse gleichberechtigte Druckhaltung, Entschlammung, Entgasung und Magentitabscheidung.
In der Funktion als Einlagerungsvorrichtung (2), d.h. der Einlagerung von Flüssigkeit in den Behälter (3), umfasst der Strömungsring (2) profilierte Öffnungen senkrecht zur Hochachse des Behälters (3), um eine Umlenkung zu erbringen und maximal mögliche laminare Strömung zu erzeugen. Bei der Einlagerungsvorrichtung (2) ist dabei die notwendige hydraulische Gleichberechtigung jeder einzelnen Öffnung zu berücksichtigen, damit bei der Einlagerungsvorrichtung (2) eine lineare Abnahme der Durchströmungsfläche pro gleicher Lauflängenabschnitte erreicht wird. Es entsteht eine strömungstechnische Gleichberechtigung unabhängig von der Lauflänge des Strömungsringes. Bei einer Einlagerungskapazität von vielen Kubikmetern pro Stunde sind die Öffnungsoberflächen zum Beginn der Einströmung mehrere Quadratzentimeter groß und nehmen dann abhängig zur Lauflänge auf einige Quadratmillimeter ab.
In einer Ausführungsform erfüllt der Strömungsring die Funktion einer Auslagerungsvorrichtung (1), d. h. dass dieser Flüssigkeit von einem weiteren Kreislauf, wieder zurück in den Behälter (3) einführt. Die Auslagerungsvorrichtung (1) ermöglicht eine gleiche Durchströmungsfläche pro gleichen Lauflängenabschnitten im Behälter (3). Die Auslagerungsvorrichtung (1) ist derart ausgebildet, dass die zur horizontalen ausgerichteten Ebene orientierten Öffnungsoberflächen vom äußersten Entnahmepunkt abnehmen. Bevorzugt ist der Entnahmepunkt, der Punkt der am weitesten von dem Anschluss am Gehäuse (29) des Behälters entfernt im Speicherinneren liegt. Durch einen solchen Aufbau ergibt sich eine strömungstechnische Gleichberechtigung unabhängig von der Lauflänge der gesamten Vorrichtung. Bei einer Auslagerungskapazität von vielen Kubikmetern pro Stunde sind die Öffnungsoberflächen zum Beginn der Ausströmung mehrere Quadratzentimeter groß und nehmen dann abhängig zur Lauflänge auf einige Quadratmillimeter ab.
Die Strömungsringe (1, 2) und das dazugehörige Verfahren finden Verwendung in zentralen Flüssigkeitsspeichern, die mit entsprechenden Wärmeerzeugern und/und Kältemaschinen gekoppelt sind, als auch in dezentralen Behältern ohne Wärme- /Kälteerzeuger, zur hydraulisch entkoppelten Übergabe an die Raumtemperierung und/oder Trinkwassererwärmung.
Weitere Literatur über eine bekannte der Materialien, Verfahren und Anwendungen die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, können aus öffentlichen Bibliotheken und Datenbanken, beispielsweise unter Verwendung elektronischer Geräte aufgerufen werden. Ein vollständigeres Verständnis der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen und Beispiele erhalten werden, die zum Zweck der Illustration bereitgestellt wurden und den Umfang der Erfindung nicht beschränken sollen.
Beispiele
Beispiel 1: Ausbildung konzentrischer gleichmäßiger Strömungen im Speicherinneren
Die Strömungsringe (1, 2) die als Einlagerungsvorrichtung bzw. Auslagerungsvorrichtung von Flüssigkeiten in bzw. aus dem Behälter (3) dienen, ermöglichen durch ihre auf die Speicherhorizontale ausgerichteten Öffnungen Ausbildung konzentrischer, gleichmäßiger Strömungen niedriger Geschwindigkeit und maximaler Ausnutzung der x-z-Ebene, wie beispielsweise in der 2 dargestellt ist. Wie der 2 zu entnehmen ist, weist der Strömungsring (1, 2) an dem nicht fest mit dem Gehäuse verbundenen Ende eine geringere Querschnittsfläche auf, als an der Öffnung im Gehäuse. Aufgrund der Fließrichtung bildet sich eine gleichmäßige Strömung aus, die in konzentrischen Kreisen innerhalb des Speichers verläuft und eine Entnahme bzw. Einlagerung von Flüssigkeit mit einer geringen Vermischung in vertikaler Richtung ermöglicht. Die laminaren Strömungen innerhalb des Behälters (3) kann auch durch eine dendritische Strömungsverteilung erfolgen, wie beispielhaft in 9 dargestellt.
Beispiel 2: Positionierung von Strömungsscheiben in Behältern
Wie in 4 dargestellt ist, werden Strömungsringe (1, 2) in verschiedenen Bereichen des Behälters (3) angebracht. Die Bereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zwischen Ihnen variiert. Normalerweise befinden sich im oberen Bereich des Behälters (3) Flüssigkeiten mit einer höheren Temperatur, wobei Flüssigkeiten die geringer temperiert sind sich unten im Behälter (3) sammeln. Die in den Behälter (3) eingehenden Flüssigkeitsströme (Pfeil in Richtung Behälter, 3) werden durch die Einlagerungsvorrichtungen (2) eingeführt und die ausgehenden Ströme (Pfeil aus dem Behälter heraus, 3) werden durch Auslagerungsvorrichtungen (1) aus dem Behälter (3) abgeführt. Die ausgehenden Ströme können, wie in 3 beispielhaft dargestellt ist, in Verteilbehälter (4) zur weiteren bedarfsgerechten Zufuhr eingebracht und verteilt werden. Entsprechende eingehende Flüssigkeitsströme können beispielsweise in Sammelbehältern (5) mit mehreren Einströmöffnungen gesammelt werden und dem Behälter (3) durch die Einlagerungsvorrichtungen (2) eingebracht werden, oder direkt aus Wärmeerzeugern stammen.
Beispiel 3: Einbringung von Strömungsringen aus vielen gleichen Einzelsegmenten
Die Strömungsringe (1, 2) werden in einer bevorzugten Ausführungsform als Einzelsegmente (16) in den Behälter (3) eingeführt, wobei diese Segmente mithilfe einer Spannvorrichtung, wie sie beispielsweise in 5 dargestellt ist, in den Speicher eingebracht werden. Die Einzelsegmente (16) bilden zusammen den fertigen Strömungsring (1, 2), wie er beispielsweise in 4 dargestellt ist. Wie in 4 beim segmentierten Strömungsring (Einlagerungsvorrichtung 2, 4) aufgezeigt ist, ist in die miteinander verbunden Einzelsegmenten (16) ein Verdrängungskörper (6) eingebracht. Der Verdrängungskörper (6) ist dabei vorzugsweise derart aufgebaut, dass dieser sich zum Ende des Strömungsrings (1, 2) vergrößert. Bei gleicher Form der Einzelsegmente herrscht dadurch in Richtung der Längsachse die gleiche Querschnittsfläche. Der Verdrängungskörper (6) soll daher eine hydraulische Geleichberechtigung der ein- oder ausströmenden Volumenströme in Richtung der Längsachse sicherstellen.
Die Ringform des Strömungsringes (1, 2) entsteht erst im Moment der Montage im Speicherinneren, wie beispielsweise der 4 entnommen werden kann. Hierzu werden auch der mindestens eine erste und der mindestens eine zweite Anschlagspunkte (13, 14) der Einzelsegmente (16), die in 6 dargestellt sind, genutzt. Die Einzelsegmente (16) werden durch die beiden Vorrichtungen (12, 15) jeweils komplementär verbunden und bilden durch den versetzten Endanschlag (14) einen Ring (1, 2) aus. Je weiter der Strömungsring (1, 2) in das Innere des Behälters (3) durch die Speicherdurchführung geführt werden, umso mehr wird eine kontinuierliche Nachstellvorrichtung (9) betätigt, die am äußersten Punkt (8) des kompletten Strömungsringes im Speicher befestigt ist, wie in 4 dargestellt. Mithilfe der versetzten Endanschläge (14)sowie der Nachstellvorrichtung (9) ändert sich die vormals gerade Ausrichtung sukzessive in eine gekrümmte Ausrichtung, bis ein kompletter Ring (1, 2) entsteht. Die Nachstellvorrichtung (9) wird dabei durch einen speziellen Kanal (17) in der Speicherdurchführung geführt. Mit einem Befestigungselement bzw. einer Arretierungsvorrichtung (18), die in 5 dargestellt wird, kann die Nachstellvorrichtung (9) in Position gehalten werden. Die Umlenkung des Teilstücks (10) des Strömungsringes (1, 2) erfolgt vorzugsweise mithilfe einer weiteren Spannvorrichtung (11) mit einer weiteren Befestigungs- bzw. Arretierungsmöglichkeit (18). Das Teilstück (10) wird als letztes in den Speicher (3) eingeführt und ist dabei vorzugsweise dauerelastisch ausgebildet ist, wodurch eine Positionierung des Strömungsrings (1, 2) innerhalb des Behälters (3) ermöglicht wird.
Beispiel 4 : Einbringung von Strömungsringen aus wenigen unterschiedlichen Einzelsegmenten
8 zeigt eine schematische Darstellung der Einführung des Strömungsringes (1, 2) aus Einzelsegmenten (28) in den Behälter (3). Die Einzelsegmente (28) werden ohne Verwendung einer Spannvorrichtung zu drei Einzelsegmenten bestehenden Teilen (28) verbunden, welche durch ein Verbindungselement (27) miteinander beweglich verbunden sind. Die Ringteile werden sukzessive in das Speicherinnere eingeführt, wobei eine Spannvorrichtung (9) die am Ende des Strömungsrings (8) befestigt ist auch in das Innere mit eingeführt wird. Ebenso wird die Spannvorrichtung (9) durch die Führung (17) in Richtung Durchführung durch die Behälterwand geführt. Bei Erreichen einer ausreichenden Federkraft wird die Spannvorrichtung mit einer Arretierungsvorrichtung (18) in der Betriebsposition fixiert.

Claims

Strömungsring zur Einlagerung und/oder Auslagerung von Flüssigkeiten in einen oder aus einem Behälter, wobei der Strömungsring (1, 2) mindestens eine zur horizontalen Ebene des Speichers (3) ausgerichtete Öffnung aufweist, wobei der Strömungsring (1, 2) vorzugsweise profilierte Öffnungen über die gesamte Oberfläche des Strömungsringes (1, 2) aufweist und die in den Speicher eingebrachte Austauschfläche um ein Mehrfaches im Vergleich zur Fläche der Behälterdurchführung vergrößert und dadurch die Strömungsgeschwindigkeit im selben Verhältnis reduziert wird, wobei die Rohrinnenquerschnittsfläche des Strömungsrings (1, 2) von der Befestigung (7) am Gehäuse des Behälters (29) zum Ende des Ringes innerhalb des Behälters (3) abnimmt, und wobei sich der Mitteldurchmesser des Strömungsringes (1, 2) in einem rechnerischen Mittel der horizontalen Ebene befindet, und derart ausgebildet ist, dass eine von einer Innenkante des Strömungsrings begrenzte horizontale Fläche zu einer Behältermitte gleich der von einer Außenkante des Strömungsrings begrenzten horizontalen Fläche zum Behältermantel ist, sodass eine gleichberechtigte Ein- oder Ausströmung in der gesamten horizontalen Behälterfläche erreicht wird und homogene konzentrische Strömungen ausgebildet und gehalten werden.
Strömungsring nach Anspruch 1, wobei der Strömungsring Einzelsegmente (16, 28) umfasst.
Strömungsring nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die einzelnen Segmente (16, 28) beweglich miteinander verbunden sind.
Strömungsring nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strömungsring (1, 2) aus Einzelsegmenten (16, 28) besteht und auch nachträglich in einen bestehenden Behälter eingebracht werden kann.
Strömungsring nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der in zentrale oder dezentrale Behälter mit oder ohne Wärme- oder Kältezu- oder -abfuhr eingebracht wird.
Verfahren zur vermischungsarmen Einlagerung und/oder Auslagerung von temperierten Flüssigkeiten in den oder aus dem Flüssigkeitsbehälter mit mindestens einem Strömungsring (1, 2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.