DE1454256C - Verwendung von Ferrophosphor zur Herstellung von Speicherkernen für Wärmespeicher und Wärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Ferrophosphor technischer Reinheit zur Herstellung von Speicherkernen für Wärmespeicher und Wärmeaustauscher, die Durchtrittskanäle für den zu erwärmenden Wärmeträger bzw. das Wärmemedium enthalten.

Es ist oft erwünscht, Wärme in einem geeigneten Wärmespeicher zu speichern, besonders dann, wenn von einer veränderlichen Wärmequelle eine gleichmäßige Heizwirkung erzielt werden soll. Insbesondere besteht ein Bedürfnis, elektrische Energie zu nutzen, wenn sie außerhalb der Spitzenperioden zu billigem Preis geliefert wird, indem während dieser Zeiträume die elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, die gespeichert und später verwendet werden kann. Derartige Speicherheizkörper ergeben nicht nur eine Kostenersparnis bei der Haushalts- und Industrieheizung, sondern auch eine Verminderung der Gefahr, daß elektrische Leitungen während der Zeit ungewöhnlich hohen Bedarfes überlastet werden. Wärmespeicherkerne sind auch für Wärmetauscher von Bedeutung, die abwechselnd mit heißen und kalten Medien in Berührung gebracht werden.

Bisher sind mannigfaltige Arten von Wärmespeicherkernen vorgeschlagen worden, die jedoch nicht ganz zufriedenstellen. Beispielsweise sind aus Materialien, wie feuerfesten Steinen, Eisen und Chrommagnesit hergestellte Speicherkerne bekannt. Es ist auch vorgeschlagen worden, den verhältnismäßig niedrigen Wirkungsgrad derartiger Wärmespeicherkerne dadurch zu erhöhen, daß ein Material verwendet wird, das eine Phasenänderung bei einer bestimmten Temperatur erfährt. Derartige Wärmespeicher haben den Nachteil, daß sie nur bei bestimmten Temperaturen

verwendbar sind und daß es sich bei den meisten dieser Materialien als schwierig oder unmöglich erwiesen hat, hitzefeste, in sich tragfähige Kerne herzustellen, wie es für viele Zwecke erforderlich ist. Darüber hinaus sind manche der vorgeschlagenen Materialien, beispielsweise Natriumhydroxyd, in hohem Maße korrosionsanfällig und stellen eine Gefahr im Haus dar. Es hat sich nun gezeigt, daß Wärmespeicher von weitgehend verbessertem Wirkungsgrad erzielbar sind, wenn zur Herstellung der Speicherkerne Ferrophosphor verwendet wird.

Bei einem elektrischen Speicherheizkörper, bei dem zur Herstellung des Speicherkerns erfindungsgemäß Ferrophosphor technischer Reinheit verwendet wurde, ist die Vorrichtung zur Zuführung von Wärme zu der

'5 Ferrophosphormasse ein elektrisches Heizelement. Bei einem regenerationsfähigen Wärmetauscher ist in dem aus Ferrophosphor bestehenden Speicherkern eine Einrichtung zum Hindurchführen von Medien. Eine vorzugsweise für die Erhitzung von Medien verwendbare Ausführungsform weist folgende Teile auf: Einen aus Ferrophosphor bestehenden Speicherkern, der ausgestattet ist (a) mit einer Einrichtung zum Einführen eines Mediums in das Innere und (b) mit einem elektrischen Widerstand, der den Durchgang eines elektrischen Stromes gestattet und von der Ferrophosphormasse zwar elektrisch, nicht jedoch wärmedämmend isoliert ist. In der vorliegenden Beschreibung be-

• zeichnet »Ferrophosphor technischer Reinheit« ein Material, das im wesentlichen aus Eisen und Phosphor besteht und als Nebenprodukt des elektrischen Reduktionsverfahrens bei der Phosphorherstellung anfällt.

Erfindungsgemäß unter Verwendung von Ferrophosphor hergestellte Wärmespeicher zeichnen sich durch einen über einen weiten Bereich von Temperaturen verbesserten Wirkungsgrad aus und gestatten die Anwendung in einem weiten Bereich von Anwendungsfallen. Ferrophosphor besitzt eine unerwartet hohe Wärmekapazität sowie eine für ein verhältnismäßig hitzebeständiges Material ungewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit. Dies ermöglicht es, große Wärmemengen schnell in die Ferrophosphormasse einzuführen und sie in dieser zu speichern. Beispielsweise wurde ermittelt, daß die Wärmekapazität, bezogen auf das Einheitsvolumen, für Ferrophosphor 1,27 Kalorien je Kubikzentimeter und je O⁰C beträgt. Der entsprechende. Wert für Chrommagnesit beträgt 0,784, für Eisen 0,92 und für feuerfeste Steine 0,528. Wenn irgendeines dieser Materialien in der Form von Pulver oder Körnern verwendet wird, so ändert sich die Wärmekapazität je Volumeneinheit entsprechend dieser Form.

Die Wärmespeicher bzw. die Wärmeaustauscher mit dem erfindungsgemäß für den Speicherkern verwendeten Ferrophosphor sind fast doppelt so wirksam wie die mit Magnesit gemäß der deutschen Patentschrift 865 356 hergestellten, wie sich aus der folgenden Tabelle ergibt.

Dichte

kg/m³

Wärmekapazität pro Gewichtseinheit

kcal/kg ⁰C

Wärmekapazität
pro Raumeinheit

kcal/m³ °C

Verwendbarer
Temperaturbereich
für die elektrische
Wärmespeicherung

Wärmekapazität
pro Raumeinheit

über den

verwendbaren

Temperaturbereich

kcal/dm³

Ferrophosphor, gegossen ...
Ferrophosphor, gepulvert ..

6,392
5,799

989,85
898,55

54 bis 749
66 bis 732

687,08
598,97

	Dichte kg/m3 ■	Fortsetzung	Wärmekapazität pro Raumeinheit - kcal/m3 0C	Verwendbarer Temperaturbereich für die elektrische Wärmespeicherung oC	Wärmekapazität pro Raumeinheit über den verwendbaren Temperaturbereich kcal/dm3
•	5,399 2,195 2,804	Wärmekapazität pro Gewichtseinheit kcal/kg 0C	928,96 526,96 728,77	66 bis 743 99 bis 699 99 bis 699	630,12 315,95 436,99
Ferrophosphorstein mit feuerfestem Ton Schamottestein Magnesit ....:	0,172 0,240 0,260

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Ferrophosphor gegenüber den bisher für die Wärmespeicherung verwendeten Materialien besteht darin, daß Ferrophosphor sich ohne weiteres zu Blöcken vergießen läßt, die für den Bau kräftiger, in sich tragfähiger hitzebeständiger Kerne geeignet sind, die mit Kanälen für den Durchtritt von Medien oder für das Einführen von elektrischen Heizelementen versehen sein können. Es hat sich gezeigt, daß derartige gegossene Blöcke aus Ferrophosphor eine Druckfestigkeit von 210 kg/cm² haben. Blöcke von noch größerer Festigkeit können durch Sintern von körnigem Ferrophosphor bei mäßigen Temperaturen und unter Druck, vorzugsweise in Gegenwart eines Formaldehyd-Mischpolymerisates (beispielsweise Phenolformaldehyd- oder Harnstofformaldehydharzen) oder durch Mischen von Ferrophosphor mit gebranntem Ton und Brennen der so entstandenen Masse bei einer Temperatur von nicht über 1200⁰C hergestellt werden.

Es kann aber auch ein Behälter lose gefüllt sein mit körnigem Ferrophosphor. In diesem Fall wird der Ferrophosphor vorzugsweise in drei Korngrößen sortiert und, mit der größten Korngröße beginnend, lageweise geschichtet. Während des Einfüllens der kleineren Korngrößen sollte der Behälter sanft gerüttelt werden. Auf diese Weise kann eine maximale Füll- oder Packdichte erzielt werden.

Ein weiterer- Vorteil der Verwendung des Ferrophosphors liegt darin, daß dieser nicht korrosionsanfällig ist. Dies ist von besonderer Bedeutung, wenn blechyerkleidete Heizelemente mit dem Ferrophosphor in Berührung sind. Es hat sich gezeigt, daß Ferrophosphor eine spezifische korrosionshrndernde Wirkung ausübt.

In der Zeichnung sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.

F i g. 1 und 2 sind perspektivische Darstellungen zur Veranschaulichung der Art und Weise, in der Wärmespeicherkerne aus zwei Arten von gegossenen Ferrophosphorblöcken aufgebaut sein können. Bei F i g. 1 können durch die Löcher 1 Heizelemente eingesetzt werden.

Nach F i g. 2 sind in den Löchern 11 Heizelemente eingesetzt. Die größeren Löcher 12 sind Kanäle, durch die Luft hindurchgeführt werden kann, beispielsweise mittels eines Gebläses, wenn der Speicher ein Teil eines Raumheizkörpers ist.

F i g. 3 und 4 sind eine Stirn- und eine Seitenansicht eines elektrischen Speicherheizkörpers unter Verwendung von körnigem oder gepulvertem Ferrophosphor. Dieser Speicherheizkörper weist ein Gehäuse 21 aus kohlenstoffarmem (niedriggekohltem) Stahl auf, das einen gekörnten Ferrophosphor 22 enthält und auf feuerfesten Auflagern 23 ruht und das seinerseits in zwei äquidistant angeordneten Gehäusen 24 und 25 aus kohlenstoffarmem Stahl angeordnet ist, die durch eine Schicht 26 aus feinverteilter Kieselerde oder Kalzium-Aluminium-Silikat getrennt sind. Die Gehäuse 21 und 24 sind durch einen Luftraum 27 voneinander getrennt. Durch das Gehäuse 21 sind Stahlrohre 28 hindurchgeführt, die Heizelemente 29 tragen. Die Entlüftungslöcher 30 und 31 können an ein Luftumwälzsystem angeschlossen sein. Der Ferrophosphor 22 kann beispielsweise zu 64 Gewichtsprozent aus einer Korngröße, die von einem Sieb mit lichter Maschenweite 3,353 mm und zu 25 Gewichtsprozent aus einer Korngröße, die von einem Sieb mit lichter Maschenweite 0,599 mm zurückgehalten wird, und zu 11 Gewichtsprozent aus einer Korngröße, die durch ein Sieb mit lichter Maschenweite 0,076 mm hindurchgeht, bestehen.

F i g. 5 ist eine Seitenansicht eines Wärmespeichers zum Beheizen eines Wasserumwälzsystems, für dessen Speicherkern erfindungsgemäß Ferrophosphor verwendet wurde. Er besteht aus äquidistanten Stahlgehäusen 41 und 42. Der Zwischenraum 43 zwischen den Gehäusen 41 und 42 ist mittels eines geeigneten Isoliermaterials, vorzugsweise eines Isoliermaterials mit Kehrwertcharakteristik, ausgefüllt. Der Raum 44 innerhalb des Gehäuses 41 ist mit körnigem Ferrophosphor ausgefüllt. Innerhalb des Gehäuses 41 zirkuliert Wasser durch ein Kupferrohr 45, und dieses Wasser wird durch die verkleideten elektrischen Heizelemente 46 beheizt.

F i g. 6 zeigt eine im Fußboden eingebaute Heizanlage, für die erfindungsgemäß Ferrophosphor verwendet wurde und die aus einer Schicht Fußbodenmaterials, beispielsweise Beton oder Asphalt, besteht. Die Lage 52 kann aus körnigem Ferrophosphor oder aus gegossenen Ferrophosphorfliesen und einem Baubetonfußboden 53 bestehen, in dem ein elektrisches Heizelement 54 untergebracht ist.

F i g. 7 zeigt schematisch einen typischen elektrischen Stromkreis zur Verwendung mit einem Haus-

.55 haltsspeicherheizkörper der in F i g. 3 und 4 dargestellten Art. Der dem Heizkörper 61 zugelieferte Strom ist mittels eines Zeitschalters 62 und eines Wärmerelais 63, das in die Ferrophosphormasse eingebettet ist, schaltbar. Durch den Heizkörper wird mittels eines Gebläses 64 Luft eingeblasen, und die Stromzufuhr zu dem Gebläse ist mittels zweier Wärmerelais 65 und 66 schaltbar, deren eines in dem zu beheizenden Raum angeordnet ist und deren anderes, das zum Ausschalten des Stromkreises bei einer höheren Temperatur eingerichtet ist, in dem den Heizkörper verlassenden Luftstrom angeordnet ist. Die Zufuhr von erhitzter Luft zum Raum ist ferner mittels einer Klappe 67 regelbar, die von einer Magnet-

spule. 68 gesteuert ist, deren Stromzufuhr durch ein in dem Luftstrom hinter der Klappe 67 angeordnetes Wärmerelais 69 hindurchgeht.

Die Wärmespeicher unter Verwendung von Ferrophosphor gemäß der Erfindung sind auch in Verbindung mit Brennern für flüssigen oder gasförmigen Brennstoff sowie mit Industriewärmetauschern verwendbar.

Beispielsweise können in einer Masse aus gegossenem oder gekörntem Ferrophosphor zwei Rohrsätze eingebettet sein, von denen der eine intermittierend ein heißes und der andere ein kühleres Medium führt. Anstatt dessen können beide Medien abwechselnd durch einen einzigen Rohrsatz hindurchgeführt werden. Für diesen Zweck können die Medien entweder flüssig oder gasförmig sein.

Eine Ferrophosphormasse kann mit einem Rohrsatz für den Durchgang des zu erhitzenden Mediums und mit Kanälen für die Durchführung heißer Gase aus einem Ofen oder der Flamme eines Gas- oder Flüssigbrenners ausgestattet sein. Bei einer weiteren abgewandelten Ausführungsform können heiße und kalte Gase abwechselnd durch eine Bettung von granuliertem Ferrophosphor hindurchgeführt werden.

Es hat sich gezeigt, daß die elektrische Leitfähigkeit von Ferrophosphor so beschaffen ist, daß bei seiner Verwendung in elektrischen Speicherheizkörpern ver-

kleidete Heizelemente ratsam sind. Wenn jedoch der Wärmespeicherkern aus gepulvertem Ferrophosphor hergestellt ist, der mit mindestens 40% feuerfestem Ton gemischt und zu Blöcken oder Fliesen gebrannt ist, können unverkleidete Drahtheizelemente aus einer Nickel-Chrom-Legierung ohne Gefahr verwendet werden. In allen Fällen stellt das Bestreben des Ferrophosphors, die Korrosion zu verhindern, einen ausgeprägten Vorteil des Gegenstandes der Erfindung dar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verwendung von Ferrophosphor technischer Reinheit zur Herstellung von Speicherkernen für Wärmespeicher und Wärmeaustauscher, die Durchtrittskanäle für den zu erwärmenden Wärmeträger bzw. das Wärmemedium enthalten.

2. Verwendung von Ferrophosphor gemäß Anspruch 1 in der Form gegossener Blöcke, in denen verkleidete elektrische Heizelemente eingebettet sind, zu dem Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung von Ferrophosphor nach Anspruch 1 in gekörnter Form, in der verkleidete elektrische Heizelemente eingebettet werden, zu dem Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung von Ferrophosphor nach Anspruch 1, der durch Sintern von granuliertem Ferrophosphor bei 700 bis 1200⁰C in Gegenwart eines Formaldehydmischpolymerisats hergestellt ist, für den Zweck nach Anspruch 1.