DE10343114A1 - Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers - Google Patents

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. Eine Technik mit latentem Speicher innerhalb von vertikalen Kassetten ermöglich die Anwendung sehr großer spezifischer Wärmetauscherflächen. Dies ist allerdings praktisch nur mit einer Kassettenverschlußtechnik wirtschaftlich möglich, wenn die Montage schnell, präzise und absolut sicher erfolgen kann. DOLLAR A Lösung des Problems DOLLAR A Bei latenten Kältespeichern, die aus einem Paket vieler sehr kleiner Speicher (1) bestehen und die als vertikale Kassetten oder Profile (1) in einem Behälter vorzugsweise vertikal angeordnet sind, ist die brauchbare Funktion von der Ausführung der Verschlußtechnik bestimmt. DOLLAR A Die erfinderische Lösung zeigt eine Verschlußtechnik (14) mit dichtenden Stopfen (2), wobei das Dichtmaterial nicht fließen und damit auch nicht ermüden kann. Gleichzeitig ist diese Verschlußtechnik (14) so ausgeführt, daß ein Eindringen der Stopfen (2) in die Kassetten (1) duch eine Anschlagscheibe (6) selbst bei großen externen Kräften nicht möglich ist. Zudem erlaubt diese Verschlußtechnik die Einbindung einer Wärmebrücke in das Innere der Kassetten bis in das latente Speichermedium (11). DOLLAR A Anwendungsgebiet DOLLAR A Klima- und ...

Description

• Stand der Technik:
• A) Ein relativ neues latentes Kältespeicherverfahren "Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Aktenzeichen 102 39 980.8" verwendet kennzeichnend vertikal angeordnete 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. 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 Speicherkassetten.
• B) In einem weiteren Schutzanspruch nach Aktenzeichen 102 50 034.7 werden die Speicherkassetten durch Stopfen verschlossen. Diese Verschlußtechnik bewirkt ein enges Aneinanderfügen der Kassetten und damit die Installation einer sehr großen spezifischen Austauschfläche.
• Der Erfindung zugrundeliegendes Problem
• Beim Übergang vom flüssigen in den Festen Zustand des latenten Speichermediums entsteht in der geschlossenen Kassette ein Überdruck, der auf den Dichtstopfen wirkt. Eine solche Dichtung kann langfristig nur gesichert werden, wenn das Dichtmaterial nicht ermüden kann. Dies ist aber nur gegeben, wenn das Dichtmaterial bei der Erzeugung des Dichtdrucks aus der umschlossenen Form nicht ausbrechen kann und dort das Gefüge bricht.
• Die Stopfentechnik nach Aktenzeichen 102 50 0347 weist nach der dargestellten konstruktiven Ausführung folgende negativen Effekte auf.
• 1) Das Dichtmaterial kann zwischen der Kassettenwand und den anpressenden Scheiben ausbrechen.
• 2) Die Dichtstopfen können bei Einwirkung äußerer Kräfte in die Kassetten geschoben werden.
• 3) Die Dichtstopfen sind bei der Montage nicht exakt positionierbar.
• 4) Die Kälte- bzw. Wärmeübertragung erfolgt nur von der Kassettenwand auf das latente Speichermedium.
• 5) Die Montage der einzelnen Kassetten mit exakter Position im Speicherbehälter ist sehr aufwendig.
• Erfindung
• Die erfinderische Lösung bezieht sich auf die technische Ausführung eines vorwiegend latenten Speicherwämetauschers mit vertikal angeordneten Speicherkassetten (1) mit großer Austauschflächen, die als Profile in ihrem Querschnitt verschiedenst geformt sein können. Die Profile können aus bevorzugt metallischen Werkstoffen oder auch aus weichen Werkstoffen, bevorzugt Kunststoffe oder Kautschukarten, hergestellt sein.
• Die längsprofilierten Speicherkasetten (1) umschließen einen Speicherraum (10, 11) und sind an beiden Enden offen. Sie werden an einem Ende durch einen Stopfen (2) mit Verspannverrichtung verschlossen, die beispielhaft nach den 1 bis 3 mit Verspannbolzen ausgeführt sind, wobei der erforderliche Dichtdruck über eine Mutter mit Innengewinde (7) erzeugt wird. Das Zusammenpressen des Dichtmaterials (2) kann auch über andere technische Mechaniken erfolgen.
• Entscheident bleibt, daß das Dichtmaterial so gegen die Innenwand der Speicherkassetten gepreßt wird, daß ein Ausquetschen des Dichtmaterials zwischen den das Dichtmaterial umschließenden Wänden der Bauteile (1, 4, 5, 13, 14) nicht erfolgen kann.
• Aus diesem Grunde sind die konstruktiven Berührungsflächen der den Pressdruck erzeugenden Bauteile (4, 5, 13, 14) sehr exakt mit Päzison an die Kassettenwände angepaßt. Sie müssen auch auch genügend tief in der Kassette (1) angeordnet sein, da beim Zusammenpressen des Dichtmaterials sich der Stopfen (2) durch die Verformung auch leicht nach außen bewegt. Diese konstruktive Bautiefe wird durch die Abmessung (Stärke) der äußeren Anpreßplatte erzeugt.
• Die Verspannbolzen können in verschiedenster Form ausgeführt sein wobei auch je nach Bedarf ein großes Volumen an Dichtmaterial (1) oder ein kleines Volumen (2) wählbar ist. Hierbei können die Verspannbolzen auch eine Verlängerung nach beliebiger Länge, Durchmesser und Querschnittsform erhalten (3) die in das Innere der Speicherkassette ragt, womit dieser Verspannbolzen (14) neben seiner Funktion zur Dichtdruckerzeugung auch als Wärmebrücke fungiert und zwar vom entsprechenden Kassettenende in das Speichermedium (11).
• Die Wärmeübertragung bzw. Kälteübertragung erfolgt damit 2- fach, also von außen über die Kassettenwände und von innen über diese verlängerte Konstruktion des Dichtstopfenbolzens. Damit wird sowohl die Beladeleistung des Speichers, als auch die Entladeleistung wesentlich erhöht.
• Die Dichtstopfen (2) müssen sehr exakt an den Kassettenenden montierbar sein, wobei Sie Ihre Position nach der Montage nicht verändern dürfen, sobald bspw von außen Druck auf Sie ausgeübt wird. Die Stopfen dürfen somit auch nicht in das Kassetteninnere gleiten wenn auf sie durch die vertikale Aufstellung an der Kassettenunterseite das gesamte Kassettengewicht einschließlich Füllung wirkt. Dies wird mit einer Platte (6) bewirkt und sichergestellt, die am Stopfen an der Kassettenaußenseite mit verspannt ist und die bei Kräfteeinwirkung auf nicht in die Kassette gleiten kann, weil die Außenmaße größer sind, als die Kassetteninnenquerschnittsabmaße.
• Diese Haltescheibe (6) kann am unteren Kassettenende entfallen, wenn nach 2 und 3 der Stopfen fest mit der Kassettentrageplatte (12) verschraubt ist.
• Ein wichtiger konstruktiver Ausführungsteil ist die exakte Positionierung der Kassettenabstände während der Montage der Kassetten (1) in den Speicherbehälter. Dies ist an der Kassettenunterseite durch die Ausführung der Trageplatten (12) gewährleistet, die in der jeweils vorgegebenen Teilung oder Abständen zwischen den Kassetten (1) die Befestigungsöffnungen, vorwiegend Bohrungen, enthalten.
• An der Kassettenoberseite ist die Verwendung einer durchgehenden Befestigungsplatte montagetechnisch nicht möglich, da die Kassetten (1) nur einzeln oder in Gruppen in den Speicherbehälter eingebracht werden können. Die Positionierung kann hier durch Montagebänder oder Montageplatten (8) erfolgen, die bspw mit einer zweiten Befestigungsmutter (9) am Stopfenbolzen fixiert werden. Dies wird montagetechnisch noch einfacher, wenn die Kassetten in Gruppen vorsegmentiert werden. Hierzu wird die Montagehalteplatte (6) über die gewünschte Anzahl einer Kassettengruppe erweiter. Diese Segmentverbindungsplatte (16) wird nun zudem an den Berührungsstellen zu den nächstliegenden Kassetten so bspw durch Abkantungen ausgeführt, daß hier Verbindungen wie Klemmen (15) oder Verschraubungen nach 4 möglich sind.
• Diese Segmentmontage- und positionierungsplatten (16) erhalten nun zusätzliche Öffnungen, die zu einer gleichmäßigen homogenen Verteilung der die Kassetten umströmenden Sole erforderlich sind. Hierdurch wird die Funktion der oberenen Soleverteilplatte im Speicherbehälter übernommen, welche damit entfallen kann. Diese Segmentierung ist auch an der Kassettenunterseite möglich.
• 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 wiefolgt definiert:
• 1) Das Dichtmaterial kann zwischen der Kassettenwand und den anpressenden Scheiben durch diese Stopfenausführung nicht ausbrechen.
• 2) Die Dichtstopfen können bei Einwirkung äußerer Kräfte in die Kassetten (1) nicht geschoben werden.
• 3) Die Dichtstopfen (2) sind bei der Montage exakt positionierbar.
• 4) Die Kälte- bzw. Wärmeübertragung erfolgt sowohl von der Kassettenwand auf das latente Speichermedium als auch nach innen über den als Wärmebrücke ausgeführten Stopfenbolzen.
• 5) Die Montage der einzelnen Kassetten (1) mit exakter Position im Speicherbehälter wird durch die Segmentplatten (16), die mehrere Kassetten (1) zusammenfassen, wesentlich erleichtert.
• Beschreibung der 1 bis 4
• 1 – Darstellung einer vertikalen Speicherkassette (1) mit den kompletten Stopfenverschlüssen an oberen und unteren Ende. Hierbei wird dier erforderliche Dichtdruck bspw. über eine normale Sechskantschraube (3) mit Mutter (7) erzeugt. Der gewindefreie Schaft sorgt für die Dichtheit zwischen Bolzen (3) und Dichtstopfen (2). Damit das dichtende Stopfenmaterial nicht ausquillen kann, wird es zwischen 2 Scheiben (4, 5) eingefaßt, die sehr exakt zur Kassettenwand (1) auf der Kassetteninnenseite abschließen bzw anliegen.
  Damit die kompletten Verschlußstopfen sehr exakt und untereinander gleichmäßig montiert werden können und die Stopfen (2, 3, 4, 5, 6, 7) nicht in die Kassetten (1) eindringen können, wenn von außen auf sie Kräfte einwirken, bspw. beim Aufstellen der Kassetten (1) auf der unteren Trageplatte (12), sind die Stopfen mit einer zusätzlichen Scheibe (6) ausgeführt, deren Außenmaße zumindest größer sind als die inneren Querschnittsabmaße der Kassette (1).
  Der Bolzen (3) dient weiterhin als Distanzhaltepunkt zur Befestigung von Distanzhaltebändern oder -blechen (8), die von einer weiteren Mutter (9) gehalten werden.
  Bei dieser Darstellung sind die Kassetten (1) nur durch Einstecken in Bohrungen der unteren Trageplatte (12) in exaktem vorgegebenen Abstand positioniert.
• 2 – Diese Darstellung zeigt am oberen Kassettenende eine Stopfenausführung mit minimalem Stopfendichtmaterial (2), wobei die Scheibe (5) der 1 nun konstruktiv mit dem Bolzen (13) als ein einziges Teil angefertigt ist. Es zeigt, daß das Stopfenprinzip durch solche Konstruktionsunterschiede uneingeschränkt erhalten bleibt. Dieses erfinderische Prinzip gilt auch für Spannmechanismen, die nicht über eine Gewindeverschraubung (7) erfolgen, z.B. durch Konusverspannungen oder Hebelmechanismen.
  Diese Darstellung zeigt gegenüber 1 auch eine andere Befestigung der Kassetten (1) auf der Trageplatte (12). Bei dieser Ausführung werden die Stopfen (2) zuerst auf die Trageplatte (12) montiert und dann die Kassetten (1) darüber gestülpt oder gesteckt, bevor sie dann mittels der Gewindemutter (7) dicht verspannt werden.
• 3 – Der Stopfenverspann- oder Befestigungsbolzen (14) kann aber auch so ausgeführt werden, daß er in Richtung der Kassetteninnenseite in unterschiedlicher Form und Stärke eine Verlängerung aus gut wärmeleitendem Metall erhält. Beim Beladen mit der Kälte von der Kassettenunterseite wird die Beladeleistung durch diesen zusätzlichen Kältetransport im Kassetteninnern erheblich verstärkt.
  Das gleiche gilt für die Kassettenoberseite, wo die Kälteentladung mit dem Wärmezutritt beginnt und durch diese Wärmetransportbrücke in das Innere der Kassette (1) die Entladeleistung des Speichers erheblich verstärkt wird.
• 4 – Es ist bei der Montage der Speicherkassetten (1) in den Speichrbehälter ein wesentlicher Vorteil, wenn die Kassetten (1) nicht einzeln, sondern in Gruppen oder zusammengefaßten Segmenten im Behälter positioniert werden können. Hierfür werden die in 1–3 vorgesehenen Abschlußscheiben (6) so groß ausgeführt, daß sie mehrere Speicherkassetten in vorgegebenem Abstand zusammenfassen. Die Distanzabstände werden durch Öffnungen oder Bohrungen sichergestellt, in denen die Stopfenbolzen (3, 13, 14) eingesteckt und verschraubt werden können. Diese Segmentbleche (16) lassen sich nun auch an ihren Kontaktstellen bspw durch Abkanten so ausführen, daß Steck- (15) oder Schraubverbindungen angebracht werden können.

1

Speicher- und Wärmetauscherkassetten aus festem, dünnwandigemProfilmaterial

2

Vorwiegend zylindrisch geformter Dichtstopfen aus Dichtmateril an beiden Enden der

Profilkassetten (1). Dieser wir durch Zusammenpressen der darüberliegen und

darunterliegenden Scheiben (4, 5) dichtend gegen die Kassettenwand gedrückt.

3

Bolzen als Schraube ausgeführt und mit glatten Teilschaft, der durch Anziehen der Mutter (7)

die beiden Scheiben (4, 5) auf dauerhafter Druckspannung hält

4

Scheibe, deren Außenabmessung dem inneren Querschnitt der Kassette (1) so eng angepaßt ist,

daß das Dichtungsmaterial (2) zwischen der Scheibe und der Kassettenwand nicht ausge

drückt werden kann

5

Scheibe, deren Außenabmessung dem inneren Querschnitt der Kassette (1) so eng angepaßt ist,

daß das Dichtungsmaterial (2) zwischen der Scheibe und der Kassettenwand nicht ausge

drückt werden kann.

6

Abschlußscheibe am unteren und oberen Kassettenende. Die Außenmaße sind größer als die

inneren Querschnittsabmaße der Kassetten (1), wodurch diese Scheibe als Anschlag für eine

schnelle und genaue Montage der Kassettenabschlußstopfen (2) dient und ein Einrutschen des

Stopfens (2) in die Kassette (1) bei Überdruck von außen verhindert.

7

Gewintemutter am Spannbolzen (3), die durch Anziehen mit Drehschlüssel den erforderlichen

Dichtdruck für den Stopfen (2) erzeugt.

8

Montageband oder Montageplatte, die als Halterung der Kassetten (1) zueinander dient und gleich

zeitig den exakten gewünschten Abstand von Kassette zu Kassette sichert.

9

Gewintemutter am Spannbolzen (3), die zum Befestigen der Montagebänder oder -platten (8) dient.

10

Mit Luft oder Gas gefüllter Freiraum am oberen Ende der Kassette (1)

11

Flüssiges bzw. festes latentes Speichermedium, vorzugsweise Wasser / Eis, in der Kassette (1)

12

Untere Trageplatte, durch integrierte gleichmäßig verteilte Durchtrittsöffnungen auch als Verteilplatte

für das Wärme- oder Kälteträgermedium ausgeführt, das vorwiegend als Sole die Speicherkassetten

umströmt

13

Stopfenbolzen, der die Scheibe (5) nach 1 in einem einzigen Teil integriert

14

Stopfenbolzen, der die Scheibe (5) nach 1 und eine Verlängerung in Richtung der

Kassettenachse in einem einzigen Teil integriert, wodurch die Kälte- oder Wärnmeübertragung

auch im Kern oder im Zentrum der Speicherkassette vom Kassettenende aus erfolgt und dies die

Belade- als auch Entladeleistung erhöht.

15

Klemm- oder Schraubverbindung zwischen den einzelnen Segmentverbindungsplatten (16).

Jedes Segment besteht aus mehreren, vorwiegend aus Montagegründen zusammengefaßten

Speicherkassetten.

16

Segmentverbindungsplatten

Claims (6)

1. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers, gekennzeichnet dadurch, daß die kältespeichernden Kassetten (1) auf beiden Enden von Stopfen verschlossen sind, die aus einem flexiblem Dichtmaterial (2) bestehen, das durch Druck verformt wird, wobei das Dichtmaterial (2) gegen die Kassetteninnenwände gedrückt wird, gekennzeichnet dadurch, daß die druckausübenden Flächen der Bauteile (4, 5, 13, 14) so eng zur Kassettenwand (1) anliegen, daß ein Ausquillen des Dichtmaterials (2) zwischen den pressenden Flächen (4, 5, 13, 14) und der Kassetteninnenwand nicht möglich ist.
2. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine der Bauteile (4, 5), die den auf das Dichtmaterial wirkenden Druck erzeugen, mit dem oder den Spannbolzen (3) konstruktiv aus einem Teil (13) gefertigt ist, gekennzeicnet dadurch, daß dieses Teil einen Raum beinhaltet (2), der mit Dichtmaterial ausgefüllt, einen hermetischen dichten Abschluß zur Kassetteninnenwand (1) ergibt.
3. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die den Dichtdruck erzeugenden Bauteile (3, 4, 5, 13), die um das Dichtmaterial (2) angeordnet sind, in beliebiger Form und Länge in Richtung des Kassetteninneren so ergänzt bzw verlängert werden (14) daß eine metallisch durchleitende Wärmebrücke von der Stopfenfläche außerhalb der Kassetten in das Innere der Kassetten entsteht.
4. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das auf den dichtenden Stopfen (2) pressend wirkende Bauteil (4), das an der Kassettenaußenseite angeordnet ist, so ausgeführt ist oder durch ein weiteres Bauteil ergänzt wird, daß dieses Bauteil (6) außerhalb des Kassettenendes größere Abmaße einnimmt als die des innere Kassettenquerschnittes.
5. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß das das Dichtmaterial (2) haltende und pressende Gesamtbauteil außerhalb der Kassette vorzugsweise in Form eines Gewindebolzens übersteht, gekennzeichnet dadurch, daß an diesem überstehenden Bauteil oder Bolzen zusätzlich Bänder oder Platten befestigt werden (8, 9), die eine vorgegebene Position zwischen den einzelnen Kassetten (1) fixieren.
6. Vorrichtung und Verfahren eines Speicherwärmetauschers nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die die Kassettenwand an der KLassettenaußenseite überstehenden Haltebauteile (6) so ausgeführt sind, daß sie durchgehend über mehrere Kassettenenden hinweggehen (16), gekennzeichnet dadurch daß sie durch Fixierung an den an den Kassetten überstehenden Bolzen (3, 13, 14) diese Kassetten miteinander verbinden und weiterhin an ihren Außenkanten so durch bsp Überlappung oder Abkantung ausgeführt sind, daß dort eine feste Verbindung zwischen diesen Segmentplatten (16) angebracht wird, die beliebig ausgeführts ein kann, bspw durch eine Steckpressklammer (15) oder durch Verschraubung.