DE1171442B

DE1171442B - Waermespeicher

Info

Publication number: DE1171442B
Application number: DEU8074A
Authority: DE
Inventors: Byron H Shinn
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1960-06-07
Filing date: 1961-06-02
Publication date: 1964-06-04
Also published as: US3163209A; GB926780A

Description

Wärmespeicher Die Erfindung betrifft einen Wännespeicher, bestehend aus einer geschlossenen, das Speichermittel enthaltenden Kammer mit einer feststehenden und einer beweglichen Endwand und dazwischenliegenden Rohrwindungen.
Diese Kammer enthält einen Stoff mit hoher Wärmekapazität. Ein geeigneter Stoff ist Lithiumhydrid, das besonders dann eine hohe ausnutzbare Wärmekapazität aufweist, wenn man den Betriebstemperaturbereich des Wärmespeichers derart wählt, daß das Lithiumhydrid in diesem Bereich seinen Aggregatzustand ändert. Bekanntlich wird beim übergang von einem Aggregatzustand in den nächsten, z. B. vom festen-in den flüssigen Zustand, eine große Wärmemenge aufgenommen und damit gespeichert. Diesem als Wärmespeicher dienenden Stoff in der Kammer wird die zu speichernde Wärme über die in der Kammer liegenden Rohrwindungen zugeführt bzw. abgeleitet. Bereits bei bekannten Wärmespeichern weist die geschlossene Kammer eine feststehende und eine bewegliche Endwand auf. Damit werden die Volumenschwankungen des als Wärmespeicher dienenden Stoffes aufgefangen, die dieser bei Temperaturänderungen durchmacht.
Ein weiterer bekannter Wärmespeicher weist das Merkmal auf, daß die Rohrwindungen in Form eines Schraubenganges durch die Kammer durchlaufen.
Es soll die Aufgabe gelöst werden, solche Wärmespeicher derart auszubilden, daß sie eine besonders große Wärineaufnahmefähigkeit erhalten. Ein beliebiger Einbau der RohrwindÜngen in die Kammer wird jedoch durch die Forderung begrenzt, daß eine Volumenänderung des zur Wärmespeicherung dienenden Stoffes selbst dann nicht verhindert wird, wenn dieser schon teilweise verfestigt ist. Bei einer Behinderung der Volumenschwankungen des Stoffes würden sich nämlich unzulässige Materialbeanspruchungen für die Kammer ergeben.
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß die Rohrwindungen in Form von an sich bekannten Schraubengängen frei übereinandergewickelt sind, wobei je zwei radial übereinanderliegende Rohrwindungen paarweise an einem Ende miteinander verbunden sind und mit ihren freien Enden aus der Kammer herausragen, während der die Endwände verbindende Mantel als Balg ausgebildet ist.
Hierdurch können die in dem verfestigten Stoff eingeschlossenen und bei einer Volumenschwankung von diesem mitgenommenen Rohrwindungen dessen Bewegungen ohne gegenseitige Behinderung mitmachen, was sonst zu Materialbeanspruchungen füh- ren würde. Dadurch, daß der die Endwände verbindende Mantel als Balg ausgebildet ist, wird ein ungehindertes Verschieben der beweglichen Endwand bei einer Volumenschwankung des in der Kammer enthaltenen Stoffes ermöglicht,' m.daß in der Kammer kein toter, ungefüllter Raum entstehen kann'und die Rohrwindungen zwecks Erzielen eines guten Wärmeüberganges immer vollständig in dein Stöff eingebettet sind.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, die freien Enden der Rohrwindungen durch die feststehende Endwand zu führen und die miteinander Vera bundenen Enden der Rohre an der'beweglichen Endwand zu befestigen. Um ein Verkanten oder Fest-# klemmen der beweglichen Endwand bei deren Bewegung zu verhindern, wird diese erfindungsgemäß geführt.
Die Erfindung sieht weiter vor, daß der die Endwände verbindende Mantel in einem Zylinder liegt, welcher an der feststehenden, Endwand befestigt ist und zwecks Begrenzung der Bewegung der beweglichen Endwand ein sich gegen diese anlegendes Begrenzungsglied aufweist. Der Zylinder selbst hat- abgeschlossene Endwände. Durch -diese Ausbildung erhält man auch einen bei der Bewegung der einen Endwand konstruktiv festbleibenden Wärmespeicher.
Die Erfindung sieht schließlich vor, daß eine Mehrzahl wendelförmiger Rohrwindungen in der Kammer liegt und eine in axialer Richtung verlaufende Rohrschlange getrennt innerhalb der innersten Rohrwindung liegt. Hierdurch erreicht man eine gute Wärmeübertragung, und die getrennt durch die Kammer durchlaufende Rohrschlange ermöglicht, hier einen zusätzlichen Wärmeübergang zu erzielen.
Die Rohrwände sind eben ausgebildet, und die sich gegenüberliegenden Rohrkanten liegen in Richtung der Schraubengänge. Bei teilweiser oder vollständiger Erstarrung des die Kammer ausfüllenden Stoffes können sich die Rohrwindungen auf Grund dieser Konstruktion noch durch den Stoff durchschieben, indem sie diesen mit ihren in Bewegungsrichtung liegenden Kanten aufbrechen.
Durch die Rohrwindungen wird ein zur Wärmezufuhr und -abfuhr dienender Stoff, z. B. eine Flüssigkeit oder flüssiges Natrium, geleitet.
In der folgenden Beschreibung wird eine Ausführung des erfindungsgemäßen Wärmespeichers am Beispiel der Zeichnung erläutert. Dabei ist F i g. 1 ein Schnitt durch die untere Hälfte eines Wärmespeichers, F i g. 2 eine Aufsicht auf einen Wärmespeicher und F i g. 3 die Einzeldarstellung des Endes einer Rohrwindung.
Nach F i g. 1 besteht der Wärmespeicher aus einer die Speicherflüssigkeit enthaltenden Kammer, deren Endwand 2 feststeht und deren Endwand 4 beweglich ist. Der Mantel 6 der Kammer hat die Form eines Balges und ist am Umfang der Endwände 2 und 4 befestigt. Der Mantel 6 kann sich in Achsrichtung zusammenziehen oder ausdehnen, wobei sich die Endwand 4 aus ihrer ausgeschobenen Stellung, wie sie durch ausgezogene Linien dargestellt ist, in die durch die strichpunktierte Linie 8 angedeutete zurückgezogene innere Stellung um das Maß x bewegt.
Die Kammer ist mit einem für Wärme stark aufnahmefähigen Stoff, beispielsweise Lithiumhydrid, gefüllt. Die Betriebstemperatur ist so gewählt, daß das Lithiumhydrid sich bei höheren Temperaturen teilweise verflüssigt und bei niedrigeren Temperaturen verfestigt. Da dieser Stoff einen hohen therinischen Ausdehnungsgrad hat, ergeben sich große Volumenschwankungen.
Die Kammer liegt in einem Zylinder 10. Innerhalb dieses Zylinders 10 sind die bewegliche Endwand 4 und der Mantel 6 gefühlt. Abgeschlossene Endwände 12 und 1.4 des Zylinders 10 lassen einen Zwischenraum frei gegenüber den Endwänden 2 und 4 und bilden zusammen mit dem Zylinder 10 einen Behälter, in den ein inertes Druckgas durch das Ventil 16 eingefüllt wird.
Die Endwand 2 wird von einem im Zylinder 10 befestigten Flansch 18 getragen, der über einen kurzen Zylinder 20 mit der Endwand 2 verbunden ist. Gegenüber der beweglichen Endwand 4 weist der Zylinder 10 einen dem Flansch 18 ähnlichen Flansch 22 auf, an dem ein kurzes zylindrisches Begrenzungsglied 24 derart befestigt ist, daß es am Umfang der Endwand 4 anliegt und deren Bewegung zuläßt.
In der Kammer liegen Rohrwindungen 26, 28, durch die eine Flüssigkeit strömt und durch welche die Wärme an die in der Kammer befindliche Flüssigkeit abgegeben oder herausgezogen wird. Die Rohrwindungen sind zu Paaren zusammengefaßt. Nur ein Paar ist im einzelnen dargestellt. Die Rohrwindungen 26, 28 bestehen aus einem inneren Schraubengang und einem diesen umgebenden Schraubengang. Die Rohrwindungen haben den gleichen Gang und die gleiche Steigung und sind in der dargestellten Ausführung linksgängig. Die Rohrwindungen 26, 28 laufen in einen axialen Fortsatz aus, der sich durch die feststehende Endwand 2 erstreckt. So hat der innere Schraubengang ein vorstehendes freies Ende 30 und der äüßdre Sthraubengang das freie Ende 32.
Die Rohrwindungen 26 und 28 schließen sich an der Endwand 4 über Schleifen 34, wie F i g. 3 darstellt, die rechtwinklig zu jenen liegen. Mit der beweglichen Endwand 4 sind die Rohrwindungen 26 und 28 über Schellen 36 verbunden. Durch Schellen 38 sind die Rohrwindungen 26 und 28 am anderen Ende an der feststehenden Endwand 2 befestigt. Auf diese Weise bilden die beiden Rohrwindungen 26 und 28 ein geschlossenes System für den Kühl- oder Wärmefluß. Die Flüssigkeit, z. B. Natrium, wird beispielsweise in das freie Ende 30 eingespeist und tritt aus dem Ende 32 aus. Die Schellen 36 und 38 sind entweder angelötet oder angeschweißt.
Darüber hinaus sind in der Kammer zusätzliche Rohrwindungen ähnlich wie die Rohrwindungen 26 und 28 angeordnet und umgeben diese in koaxialer Richtung. So wird die Rohrwindung 28 von einer Rohrwindung 40 mit gleichem Abstand radial umgeben. Eine andere Rohrwindung 42 umgibt die Rohrwindung 40, die wiederum durch die Rohrwindungen 44 und 46 in ähnlicher Weise umgeben wird, so daß sich die Rohrwindungen in gleichmäßigem Abstand in radialer Richtung voneinander erstrecken. Die aufeinanderfolgenden Schraubengänge jeder Rohrwindung liegen in gleichen axialen Abständen zueinander. Die Schraubengänge jeder Rohrwindung 40, 42, 44 und 46 werden an ihren an der Endwand 4 befmdlichen Enden in gleicher Weise wie die Rohrwindungen 26 und 28 verbunden.
Durch die Befestigung der Rohrwindungen an den Endwänden mit den Schellen 36 und 38 ziehen sie sich insgesamt zusammen, wenn sich die Kammer verkürzt oder ausdehnt, so daß die aufeinanderfolgenden Schraubengänge immer gleichen Abstand zueinander haben. Innerhalb der innersten Rohrwindung 26 kann eine sich in axialer Richtung erstreckende Rohrschlange 48 angeordnet sein, durch welche die Flüssigkeit in diesem Gebiet zusätzlich gekühlt oder erwärmt wird.
Die Rohrwindungen sind nicht rund ausgebildet im Querschnitt, sondern flachseitig oder vieleckig. Im Ausführungsbeispiel sind sie rechteckig ausgebildet, so daß die sie umgebende Flüssigkeit beim Zusammenschrumpfen während der Erstarrung die Rohrwindungen nicht beschädigt. Auf diese Weise bleibt der Innen- und Außendruck der Rohrwindungen nahezu konstant, so daß sie zwecks besserem Wärmeübergang aus dünnwandigem Material hergestellt werden können. Darüber hinaus bietet ein rechteckiger Querschnitt einen besseren Wärmeübergang als ein runder Querschnitt bei gleichem Flüssigkeitsgewicht innerhalb der Rohrwindung. Außerdem können sich die Rohrwindungen mit ihren scharfen Ecken ähnlich wie der Bug eines Eisbrechers mit geringerem Widerstand durch die zum Teil verfestigte oder erstarrte Flüssigkeit bewegen. Auch können die Rohrwindungen zu einer Reihe miteinander verbunden werden, um auf diese Weise die Wärmeenergie so gleichmäßig wie möglich in der Kammer zu verteilen. Die in der Kammer befindlichen Rohrwindungen sind mit einem Auslaß 50 und einem Einlaß 52 in der Endwand 1.2 verbunden.

Claims

Patentansprüche: 1. Wärmespeicher, bestehend aus einer geschlossenen, das Speichermittel enthaltenden Kammer mit einer feststehenden und einer beweglichen Endwand und dazwischenliegenden Rohrwindungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwindungen in Form von an sich bekannten Schraubengängen frei übereinandergewickelt sind, wobei je zwei radial übereinanderliegende Rohrwindungen paarweise an einem Ende miteinander verbunden sind und mit ihren freien Enden (30, 32) aus der Kammer herausragen, während der die Endwände (2, 4) verbindende Mantel (6) als Balg ausgebildet ist.
2. Wärinespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden (30, 32) der Rohrwindungen durch die feststehende Endwand (2) geführt sind. 3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Enden der Rohrwindungen an der beweglichen Endwand (4) befestigt sind. 4. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Endwand (4) geführt ist. 5. Wärinespeicher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der die Endwände (2, 4) verbindende Mantel (6) in einem Zylinder (10) liegt, welcher an der feststehenden Endwand (2) befestigt ist und zwecks Begrenzung der Bewegung der beweglichen Endwand (4) ein sich gegen diese anlegendes Begrenzungsglied (24) aufweist. 6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (10) abgeschlossene Endwände (12, 14) hat. 7. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl wendelförmiger Rohrwindungen in der Kammer liegt. 8. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine in axialer Richtung verlaufende Rohrschlange (48) innerhalb der innersten Rohrwindung (26) liegt. 9. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrwände eben ausgebildet sind und die sich gegenüberliegenden Rohrkanten in Richtung der Schraubengänge liegen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 424 888, 519 062; französische Patentschrift Nr. 812 433; USA.-Patentschrift Nr. 2 653 799.