DE10250034A1

DE10250034A1 - Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers

Info

Publication number: DE10250034A1
Application number: DE10250034A
Authority: DE
Inventors: Helmut Juran; Diethart Lawonn
Original assignee: Juran, Helmut, Dipl.-Ing.
Current assignee: JURAN, HELMUT, DIPL.-ING., 16727 VELTEN, DE
Priority date: 2002-10-26
Filing date: 2002-10-26
Publication date: 2004-05-13
Also published as: WO2004040222A1; AU2003286111A1

Abstract

Technisches Problem der Erfindung DOLLAR A Der technische und wirtschaftliche Aufwand des Speicherns und gleichzeitigen Übertragens von Energie als Wärme oder Kälte in industriellen, kommunalen und privaten Anwendungsbereichen wird vor allem von der Technik der Verbindung der Wärmetauscherflächen mit den Gehäusen der energetischen Transportmedien bestimmt. Nach dem Stand der Technik ist damit die Wärmetauscherfläche limitiert, somit ebenfalls die Speicherkapazität und die Speicherleistung, weil zwischen den Speicherflächen konstruktiv vorgegebene Abstände nicht unterschritten werden können. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Der Wärme- oder Kältespeicher ist gleichzeitig als Wärmetauscher ausgeführt, gekennzeichnet dadurch, dass die Speicherwände (1) gleichzeitig die Wärme- oder Kälteübertragungswände darstellen. Der Speicher besteht aus einem Paket vieler sehr kleiner Speicher (1), die als vertikale Kasetten oder Profile mit großen Wandflächen in einem Behälter (3) vorzugsweise vertikal angeordnet sind. DOLLAR A Sie werden an ihren Enden während der Montage durch Stopfen (2) unter dosierbarem Anpressdruck gegen den Innen- oder Außendruck dicht verschlossen, wobei diese Dichttechniken gleichzeitig als Distanzhalter und Befestiger in exakt vorgesehenen Positionen wirken und so gekennzeichnet sind, dass gegenüber dem Stand der Technik aufwendige Verteilkammern für das bei (4) ein- und bei (5) austretende, den Speicherwärmetauscher durchströmende Medium entfallen. Damit können die Kasetten (3) ...

Description

Stand der Technik

A) Wärmespeicher werden im wesentlichen als geschlossene druckbeladbare Behälter ausgeführt, wobei die Wärme über ein integriertes Rohrschlangensystem oder über extern angebrachte Plattenwärmetauscher zu- und abgeführt wird. Kältespeicher im Temperaturbereich um den Gefrierpunkt des Wassers werden im wesentlichen als Eisspeicher eingesetzt, deren Speicher atmosphärisch offen sind, wobei die Beladung und Entladung über Rohrschlangenwärmetauscher erfolgt, die in das Eiswasser eingebettet sind. Das Eis bildet sich hierbei also außerhalb der Rohrschlangen, durch die Sole geführt wird.
B) Ein relativ neues Eisspeicherverfahren nach Stand der Technik verwendet beidseitig geschlossene, horizontal angeordnete Rohre in denen das Eis gebildet wird und die zu Rohrbündeln zusammengefaßt sind. Dieses System ist äußerst betriebssicher, auch um einige %-Punkte leistungsstärker, aber sehr aufwendig zu bauen, zu installieren und zu regeln. Das System benötigt horizontale Behälter, also viel Aufstellungsplatz.
C) Ein weiteres neues Eisspeicherverfahren "Hochreaktiver Rohrbündelwärmetauscher mit Eintragungsnummer 201 03 843.9" nach Stand der Technik speichert das Eis in vorwiegend vertikal angeordneten Rohren, die zwischen 2 Rohrböden nach dem Prinzip klassischer Rohrbündelwärmetauscher oben und unten offen eingebaut sind und eine Kälteentladung gleichzeitig über die Rohraußenseite und Innenseite möglich ist. Die Leistungsstärke würde hiermit fast verdoppelt. Das Verfahren ist noch nicht erprobt, würde aber bei erfolgreicher Erprobung, wie bereits angeführt, interessante Anwendungen in der Industrie finden, wo große Spitzenkältelasten schnell verfügbar sein müssen. Sehr problematisch für die Ausführung bleiben die temperaturabhängigen Materialspannungen und die aufschwimmenden Eisreste bei der Kältentladung, die eine vollständige Entladung vor einer Wiederbeladung erfordern, um Materialrisse durch lokale einfrierende Wassereinschlüsse zu vermeiden.
D) In einem weiteren Verfahren "Vorrichtung und Verfahren multifunktional anwendbarer Kältespeicherplatten nach Aktenzeichen 102 01 591.0" werden vorzugsweise mehrere runde Profile, die unten geschlossen sind und oben in einen Sammler eingeschweißt sind, in einer Reihe als Speicherplatte ausgeführt. Dieses Verfahren dient zur relativ langsamen Kälteübertragung über die einschließenden Platten an die Außenluft, also vor allem zum Einsatz in der Klimaindustrie bei relativ limitierten Größen weit unter 100 KWh Speicherkapazität. Zudem ist auch bei diesem System das Problem des aufschwimmenden Eises nicht gelöst.
E) Ein weiteres Verfahren "Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Aktenzeichen 102 39 980.8" verwendet kennzeichnend vertikale lange Speicherkassetten mit großer Austauschfläche, die als Profile in ihrem Querschnitt verschiedenst geformt sein können. Die Profile sind an ihrer Unterseite dicht verschlossen und verfügen an der Oberseite einen Kompensationsraum gegen das sich im innern des Profils ausdehnende Eis beim Wachsen des Eises. Der Kompensationsraum kann einzeln je Profil aber auch gemeinsam für alle eingesetzten Profile ausgeführt sein. Ein wesentlicher kennzeichnender Bestandteil dieser Erfindung ist die exakt vertikale Führung des energietransportierenden Mediums von unten nach oben oder von oben nach unten, völlig gleichmäßig um die Speicherkasetten.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
Nahezu 100% der Eisspeichersysteme werden nach Stand der Technik heute nach der vorab beschriebenen variante A) gebaut. Einer der Nachteile dieser Systeme ist die sehr geringe Austauschfläche zur Kälteübertragung bei der Beladung und Wärmeübertragung bei der Entladung der gespeicherten Kälte. Die jüngsten Entwicklungen leistungsstärkerer Systeme nach B) bis E) basieren weitgehend auf diesem Nachteil.
Die höchste Leistungsausbeute wird nach dem System E) nach Aktenzeichen 102 39 980.8 erzielt. Diese Erfindung basiert auf den noch markanten Nachteilen dieses Systems E).

1) Der technische Aufwand zum erforderlichen Verschließen der Speicherkasetten ist sehr groß.
2) Der technische Aufwand für die Sammel- und Verteilkonstruktionen des den Speicherwärmetauscher durchströmenden Energieträgers ist sehr groß.
3) Konstruktiv erfordert das Verschließen und stabile Befestigen der Speicherkasetten einen Mindestabstand zwischen den Kasette, der auch die Anzahl der kasetten im Speicherbehälter limitiert.
4) Die Limitierung der Kasetten ist damit dierekt verbunden mit der installierbaren Austauschfläche und damit auch der thermischen Leistung, sowie der installierbaren Speicherkapazität.
5) Der maximale Anteil des Speichervomens am gesamten Behältervolumen beträgt durch die vorab genannten konstruktiven Eischränkungen bei runden Kasetten ca 60%. Die anderen 40% sind damit vom transportierenden Energieträger (in der Regel Wasser/Glykol) auszufüllen. Da Sole oder Glykol relativ teuer ist, ist auch das ein wesentlicher Nachteil.

Erfindung:
Die erfinderische Lösung verwendet kennzeichnend vertikale lange Speicherkassetten (1,1a) mit großer Austauschfläche, die als Profile in ihrem Querschnitt verschiedenst geformt sein können. Die Profile können aus bevorzugt metallischen Werkstoffen (1) oder auch aus weichen Werkstoffen (1a), bevorzugt Kunststoffe oder Kautschukarten, hergestellt sein.
Die längsprofilierten Speicherkasetten (1, 1a) umschließen einen Speicherraum und sind an beiden Enden offen. Sie werden an einem Ende durch einen Stopfen mit Verspannverschraubung (2) alternativ nach den 3 bis 7 dicht verschlossen, dann in Speicherbehälter (4-9) eingesetzt, mit dem Speichermedium (22) gefüllt und anschließend am oberen Ende mit der gleichen oder ähnlichen Stopfentechnik verschlossen.
Die Speicherkasetten können hierbei bis auf Berührung aneinander gereit im Behälter fixiert werden. Soll dies exakt gleichmäßig erfolgen, so werden die Stopfenverschraubungen nach den 3 bis 7 so verlängert, daß sie in vorher angefertigten Arritierungsöffnungen im unteren Behälterboden (5) oder im Verteil- und Trageboden (12) eingesteckt werden können. Damit ist auch eine absolut gleichmäßige Verteilung des den Speicherwärmetauscher durchströmenden Mediums entlang den Wärmetauscherflächen der Speicherkasetten gesichert.
Die nachstehende Beschreibung der 1 bis 8 und der Bau- und Funktionsteile von 1 – 25 sind Bestandteil der Beschreibung der Erfindung.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung:
Die Erfindung eliminiert alle Nachteile, die vorab unter der Beschreibung "Der Erfindung zugrunde liegendes Problem" dargestellt wurden. Die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung werden entsprechend wie folgt definiert

1) Der technische Aufwand zum erforderlichen Verschließen der Speicherkasetten (1, 1a) ist relativ klein, da für die Verschlußteile an den Kasettenenden gängige Massenserienartikel des Marktes (Stopfen, Schrauben, Scheiben, Rohrschellen usw) herangezogen werden können.
2) Der technische Aufwand für die Sammel- und Verteilkonstruktionen des den Speicherwärmetauscher durchströmenden Energieträgers entfällt, da die Stopfenverschraubungen (18,19) als Distanzhalter zum Behälterboden (5) und Behälterdeckel (6) Freiräume schaffen, die die Funktion der Sammel- und Verteilkonstruktionen ohne Mehraufwand übernehmen.
3) Konstruktiv erfordert das Verschließen und stabile Befestigen der Speicherkasetten (1, 1a) keinen Abstand zwischen den Kasette, womit die Anzahl der Kasetten im Speicherbehälter wesentlich vergrößert werden kann.
4) Die größere Anzahl an Kasetten (1, 1a) ist dierekt verbunden mit einer größeren installierbaren Austauschfläche und damit auch einer größeren thermischen Leistung, sowie einer größeren installierbaren Speicherkapazität.
5) Der maximale Anteil des Speichervomens am gesamten Behältervolumen kann durch die vorab beschriebene Erfindung bereits bei der Verwendung von runden Kasetten bis nahezu 80% erweitert werden. Der Anteil des transportierenden Energieträgers im Behälter (in der Regel Wasser/Glykol) läßt sich hierdurch ca halbieren.

Beschreibung der 1 bis 8
1 – Darstellung des kennzeichnenden Speicherwärmetauschers im Längsschnitt mit Behälter (4, 5, 6, 7), beispielhaft mit 9 Speicherkasettenprofilen (1) als Rohre dargestellt, die an ihrer oberen und unteren Seite durch eine Stopfenverschraubung verschlossen sind und mit ihrer Außenwand (Wärmetauschfläche) als einzelne autarke Wärmetauscher wirken. Hierbei sind die Spannschrauben (18, 19) soweit verlängert, daß sie gleichzeitig als Distanzhalter am oberen und unteren Ende des Behälters (4, 5, 6, 7) dienen, wodurch im Behälter Freiräume entstehen, die wiederum als Verteilkammern für das durchströmende Medium (im Regelfall Sole oder Wasser / Glykol) dienen. Entsprechend sind die Mediumszu- (8) und Ablaufstutzen (9) in Höhe dieser Verteilräume angebracht.
2 – Darstellung des Speicherwärmetauschers im Längsschnitt, wobei der umschließende Behälter doppelwandig (4, 4a) ausgeführt ist und damit die Mediumszu- (8) und Ablaufstutzen (9) am oberen Behälterdeckel angebracht sind. Ein Zubringerrohr (10), das anstelle einer Speicherkassette (1) eingebaut wird, bringt das Wärme- oder Kälteträgermedium vom Eintrittsflansch (8) an die untere Behältersammelkammer, wodurch das Wärme- oder Kälteträgermedium von dort nach oben um die Wärmetauscherflächen der Speicherkasetten strömen kann. Hierbei strömt das Medium durch eine Verteilerplatte (12), das mit einer Vielzahl von Öffnungen (13) ausgeführt ist, die eine gleichmäßige Verteilung an alle Speicherkasetten (1) erzwingen. Diese Verteilerplatte (12) ist gleichzeitig als Trageplatte so ausgeführt, daß in ihr die Speicherkassetten nach exakt vorgegebenen Abständen eingesteckt, je nach Bedarf auch befestigt und getragen werden. Dieses Verteilerblech (12) kann in Variante auch an der Kasettenoberseite angebracht werden. Damit entsteht ein kompletter Wärmetauscher- und Speicherblock nach 6.
3 – Darstellung des Kasettenverschlusses an den beiden Speicher- und Wärmetauscherkasettenenden. Durch das Anziehen der Verschraubungsmutter (17) werden die beiden Scheiben 15 und 16 aneinander gezogen und der vorwiegend zylindrisch geformte Dichtstopfen (14) aus Dichtungsmaterial an die Kasettenwand (1) gepreßt.
4 – Darstellung des Kasettenverschlusses, wobei in Variante zu 3 die eingesetzte Schraube (18) nun in Kegelform (19) ausgeführt ist und dieser Kegel in seinem Querschnitt der Querschnittsform der Kasette (1) gleicht, wodurch ein gleichmäßiger Anpressdruck an alle Kasettenwände erzielt wird.
5 – Darstellung des Kasettenverschlusses, wobei in Variante zu 3 der eingesetzte Dichtstopfen (14) nun eine nach den jegweiligen Einbaubedingungen optimierte Form erhält (20).
6 – Darstellung des Kasettenverschlusses, wobei in Variante zu 3 die Kassette (1a) aus weichem Material besteht und der Dichtdruck von einem Ring (24) abgefangen wird.
7 – Darstellung des Kasettenverschlusses, wobei in Variante zu 6 der Dichtstopfen (14a) aus festem Material besteht und der Dichtdruck durch eine Rohrschelle (25) erzeugt wird.
8 – Darstellung eines Speicher- und Wärmetauscherblocks, der dadurch entsteht, daß alle Speicherkasetten an ihren oberen und unteren Enden mittels der verlängerten Dichtschrauben (18,19) auch an den Verteiler- und Trageplatten (12) zumindest teilweise verschraubt (21) werden, sodaß ein konstruktiv zusammenhängender Block entsteht, der außerhalb der Behälter (4, 5, 6, 7) montiert und erst dann in die Behälter eingebaut wird. Die Darstellung zeigt die Speicherkasetten (1) mit der Füllung eines Speichermediums (22). An den Schraubspannverschlüssen (18) sind im Speicherraum Profile (23) befestigt, die ein Aufschwimmen des Eises im Falle einer Entladung als Eisspeicherausführung verhindern.

1: Speicher- und Wärmetauscherkasetten aus festem Profilmaterial
1a: Speicher- und Wärmetauscherkasetten aus weichem Profilmaterial
2: Dichtstopfen an beiden Enden der Profilkasetten (1)
3: freie Raum im Behälter als Verteilerkammer für das Kälte- und Wärmetransportmedium
4: Behälteraußenwand
4a: Behälterinnenwand eines doppelwandigen Behälters nach 2
5: Behälterboden
6: Behälterdeckel
7: Behälterflansch zum Verschluß mit dem Behälterdeckel (6)
8: Eintrittsstutzen am Speicherwärmetauscherbehälter
9: Austrittsstutzen am Speicherwärmetauscherbehälter
10: ein den Speicherwärmetauscher durchdringendes Zubringrohr des Kälte- und Wärmetransportmediums auf die andere Behälterseite beziehungsweise auf die andere Verteilkammer (3)
11: Aufstellungs- und Befestigungspratzen für den doppelwandigen Behälter nach 2
12: Verteilerplatte für das Kälte- und Wärmetransportmedium und gleichzeitig Trageplatte für den Speicherwärmetauscher
13: Öffnungen zur Verteilung des Kälte- und Wärmetransportmedium an der Platte (12)
14: vorzugsweise zylindrisch geformter Dichtstopfen aus durch Druck dehnbarem Material
14a: vorzugsweise zylindrisch geformter Dichtstopfen aus festem Material
15: innere Pressscheibe am Dichtstopfen
16: äußere Pressscheibe am Dichtstopfen
17: Anspannmutter am Dichtstopfen
18: den Dichtstopfen durchdringende Schraube als Schlossschraube ausgeführt
19: den Dichtstopfen durchdringende Schraube mit Kegelform
20: variabel geformter Dichtstopfen aus durch Druck dehnbarem Material
21: Befestigungsmuttern zur Verschraubung der Kasetten an den Verteilerplatten (12)
22: Speichermedium, vorzugsweise Wasser
23: Profile zur Vermeidung des Aufschwimmens von Eisresten
24: Ring aus festem Material zur Übernahme des Dichtdruckes
25: Rohrschelle zur Erzeugung des Dichtdruckes

Claims

Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers, gekennzeichnet dadurch, daß bevorzugt vertikal und parallel angeordnete Kasettenprofile (1, 1a) beliebiger Querschnittsform in bevorzugt gleichem Abstand voneinander und beliebiger Anzahl zu einem Block (1a) zusammengefaßt sind, gekennzeichnet dadurch, daß diese Kasettenprofile (1, 1a) in ihrer ganzen Höhe bzw Länge einen Hohlraum dicht umschließen und an ihrem oberen und unteren offenen Ende (11) durch einen Stopfenschraubverschluß (2) dicht zu ihrer Außenseite verschlossen sind.
Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stopfenschraubverschlüsse (2) gleichzeitig mit Verlängerungen (18) ausgeführt sind, die beim vorzugsweise vertikalen Einbau der Kasetten (1, 1a) in das Gehäuse (4, 5, 5, 7) als Distanzhalter (1) wirken und als Befestigungspunkte an einer oben angebrachten (13) und unten angebrachten Haltevorrichtung (12) (8) ausgeführt sind.
Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß an den Stopfenschraubverschlüssen (2) auf der Innenseite der Kasetten (1, 1a) zusätzliche Profile (23) befestigt sind.
Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Stopfenschraubverschlüsse (2) aus einem vorzugsweise dem Kasettenquerschnittsprofil entsprechend geformten weichem Material (14, 20) bestehen, dessen Außenquerschnittsmaße annähernd den Innenquerschnittsmaßen der Kasetten (1, 1a) entsprechen und die in ihrer Mitte, parallel zur Längsrichtung der Kasetten (1, 1a) von einem Schraube (18) durchdrungen ist, deren Kopf sich auf der Innenseite und deren Gewinde mit Mutter (17) sich auf der Außenseite befindet.