DE1601175B2 - Waermeuebertragungssystem zwischen einem waermespeicher und einem kondensations-waermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungssystem, umfassend einen Wärmespeicher mit einem thermisch stabilen Wärmespeicherstoff, der in der Lage ist, Wärme innerhalb eines weiten Temperaturbereiches zu speichern, ein thermisch stabiles, bei Umgebungstemperaturen flüssiges Wärmetransportfluid, einen Verdampfungskanal für das Wärmetransportfluid, der durch den Wärmespeicher hindurchführt, einen Kondensationswärmetauscher, der außerhalb des Wärmespeichers vorgesehen ist und durch den das Wärmetransportfluid unter Wärmetausch mit einer Wärmeverbraucherflüssigkeit geleitet wird, eine Leitung für dampfförmiges Wärmetransportfluid vom Wärmespeicher zum Wärmetauscher, einen Vorratsbehälter für das Wärmetransportfluid und eine Leitung für flüssiges Wärmetransportfluid vom Wärmetauscher zum Vorratsbehälter und vom Vorratsbehälter zum Verdampfungskanal.

Derartige Wärmeübertragungssysteme können mit billiger Energie, wie beispielsweise Nachtstrom gespeist werden und ermöglichen unabhängig von Zeit, Dauer und Größe der Energiezufuhr eine, zwar vom verwendeten System abhängige, ansonsten aber beliebige Wärmeabfuhr.

Aus der DT-AS 11 46 602 ist bereits ein solches Wärmeübertragungssystem bekannt, bei dem als Wärmetransportfluid Wasser bzw. Wasserdampf verwendet wird, der in einem Wärmespeicher erzeugt, in einem Wärmetauscher kondensiert und als Kondensat im Kreislauf wieder in den Wärmespeicher zurückgeführt wird. Der Rückfluß des Kondensats bzw. Wassers in den Wärmespeicher wird von einem Regler in Abhängigkeit vom Dampfdruck im Wärmespeicher gesteuert. Die Druckkonstanthaltung erfolgt somit nicht direkt, sondern indirekt über die Menge des pro Zeiteinheit verdampfenden Wassers. Eine solche Regelstrecke ist notwendigerweise mit einer erheblichen Totzeit behaftet, so daß Druckschwankungen nicht zu vermeiden sind. Die Regelung funktioniert darüber hinaus nur, wenn der Wärmespeicher eine zur Verdampfung des Wassers ausreichende Temperatur besitzt. Beim Erkalten der Apparatur entsteht ein Vakuum, während beim Anfahren der Anlage der dabei entstehende Überdruck durch ein Sicherheitsventil abgelassen wird. Abgesehen von der mangelnden Druckkonstanz hat ein solches System den Nachteil, daß es nur mit solchen Wärmetransportfluiden betrieben werden kann, die ohne weiteres in die Umgebung abgelassen werden können.

Bekanntlich werden Wärmeübertragungssysteme dieser Art jedoch in bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft mit organischen Wärmetransportfluiden betrieben, die Wasser in verschiedener Hinsicht überlegen sind. Diese Flüssigkeiten, wie beispielsweise Orthodichlorbenzol sind giftig und müssen in geschlossenen Systemen verwendet werden.

Durch die Firmendruckschrift der Bayer AG »Diphyl-Wärmeübertragungsmittel«, S. 20 — 25, insbesondere Abb. 6, sind schon Wärmeübertragungssysteme mit organischen Wärmetransportfluiden bekannt, für die ein Ausdehnungsgefäß vorgesehen ist. Jedoch handelt es sich dabei nicht um Membranausdehnungsgefäße.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmeübertragungssysteme der eingangs bezeichneten Art, d. h. Systeme, bei denen das Wärmetransportfluid sowohl flüssig, als auch gasförmig vorkommt, so weiterzubilden, daß sie bei nahezu konstantem Druck als geschlossenes System betrieben werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im Kreislauf des Wärmetransportfluids ein Membranausdehnungsgefäß vorgesehen ist, das unter einem im wesentlichen konstanten, einstellbaren Druck gehalten wird.

Damit wird erreicht, daß ohne Druck- oder Temperaturmessung im System ein konstanter Druck aufrechterhalten wird, der ein Ablassen der Dampfphase unnötig macht.

Vorzugsweise ist mit der Wärmetransportfluidseite des Membranausdehnungsgefäßes ein Überdruckventil und ein den Minimaldruck begrenzendes Ventil verbunden, die eine Verbindung mit der Umgebung herstellen können. Falls die maximale Änderung des Dampfvolumens in einer Notsituation größer ist als das Volumen des Membranausdehnungsgefäßes, kann somit Dampf aus dem System austreten. Im umgekehrten Fall, d. h. bei Absinken des Druckes unter einen bestimmten Minimaldruck kann Wärmetransportfluid nachgespeist werden.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben, in der schematisch ein Wärmeübertragungssystem dargestellt ist.

Beim Betrieb des Systems wird ein thermisch stabiles Wärmetransportfluid verwendet und ein thermisch stabiler Wärmespeicherstoff. Der Begriff »thermisch stabil« wird verwendet, um eine Zusammensetzung zu beschreiben, die sich beim Erhitzen oder beim Abkühlen

"*5 innerhalb des gewünschten Wärmespeichertemperaturbereiches nicht zersetzt. Der Wärmespeicherstoff befindet sich innerhalb des Wärmespeichertemperaturbereiches normalerweise in festem oder in flüssigem

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Zustand. Das Wärmetransportfluid ist eine Flüssigkeit, die bei der Temperatur des Wärmespeichers verdampft und bei der des Kondensations-Wärmetauschers kondensiert. Eine thermisch stabile Flüssigkeit, die einen atmosphärischen, unteratmosphärischen oder überatmosphärischen Siedepunkt im Bereich von 38° C bis zu etwa 427°C hat und insbesondere im Bereich von 66° C bis zu 177°C, kann verwendet werden. Eine Flüssigkeit * mit einem atmosphärischen Siedepunkt in dem gegebenen Bereich, wie Wasser, wird vorzugsweise verwendet,

Andere Flüssigkeiten wie beispielsweise verschiedene organische und anorganische thermisch stabile Flüssigkeiten, die innerhalb des angegebenen Temperaturbereiches verdampfen, können ebenfalls verwendet werden.

Bei dem System wird das Wärmetransportfluid 11 durch einen Wärmespeicher 10 hindurchgeleitet, welcher einen Wärmespeicherstoff 12 enthält, der auf eine Temperatur von etwa H9°C bis 649°C erhitzt ist. Das Wärmetransportfluid wird mittels eines Verdampfungs- *o kanals 14 durch den Wärmespeicherstoff 12 geführt.

Der Wärmespeicherstoff ist vorzugsweise eine anorganische, im wesentlichen wasserfreie Verbindung. Verschiedene Wärmespeicherstoffe sind an sich bekannt. Diese haben unterschiedliche Wärmespeicherkapazitäten und Betriebstemperaturen. Die am meisten bevorzugten Zusammensetzungen sind

Alkalimetallhydroxydzusammensetzungen, wie beispielsweise solche, die Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, Lithiumhydroxyd und dergleichen enthalten. Solche Zusammensetzungen werden bevorzugt, -und zwar wegen ihrer thermischen Stabilität und ihrer großen Wärmespeicherkapazität innerhalb breiter Temperaturbereiche.

Der erzeugte Dampf wird vom Wärmespeicher 10 über eine Vorlaufleitung 16 abgezogen und einem Kondensations-Wärmetauscher 18 zugeleitet, durch den auch eine Wärmeverbraucherflüssigkeit strömt, die erhitzt werden soll. Der Wärmetausch mit dieser Flüssigkeit bewirkt die Kondensation des dampfförmigen Wärmetransportfluids, das anschließend zu einem Vorratsbehälter 21 über eine Rücklaufleitung 20 abgezogen wird. Der Wärmetauscher 18 kann eine Schlange oder eine andere bekannte Wärmeaustauschvorrichtung sein, die insbesondere für die jeweilige Wärmeverbraucher-Flüssigkeit geeignet ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das System verwendet, um Wasser oder eine andere Flüssigkeit, wie beispielsweise eine nicht gefrierende Äthylen-Glykollösung oder dergleichen zu erhitzen, welche verwendet wird, um Eis und Schnee zu schmelzen. In ähnlicher Weise können andere Flüssigkeiten für andere Zwecke erhitzt werden. Dabei ist der Wärmetauscher 18 innerhalb eines Behälters 22 angeordnet, der einen Einlaß aufweist, über den der Behälter 22 mit Flüssigkeit über eine Leitung 24 gespeist wird. Ferner ist ein Auslaß 26 für die erhitzte Flüssigkeit vorgesehen.

Kondensiertes Wärmetransportfluid 11, das aus dem Wärmetauscher 18 abgezogen wird, wird in den Vorratsbehälter 21 zurückgeleitet, um wieder in das System eingeführt zu werden. Mit dem Vorratsbehälter 21 steht ein Druckreguliersystem über eine Leitung 28 in Verbindung. Dieses Druckreguliersystem bildet eine Einrichtung, um einen gewünschten Druck in der Wärmetransportflüssigkeit innerhalb vorbestimmter Grenzen aufrechtzuerhalten. Der speziell verwendete Druck ist entsprechend dem Wärmetransportfluid und der gewünschten Temperatur der Wärmeübertragung ausgewählt, d. h. entsprechend der gewünschten Temperatur der Kondensation des Wärmetransportfluids. Der Druck ist derart gewählt, daß eine Siedetemperatur des Wärmetransportfluids erreicht werden kann, die nahezu der Temperatur entspricht, bei der Wärme dem Wärmespeicher zugeführt wird. Wenn Wasser als Wärmetransportfluid verwendet wird, ist ein atmosphärischer Druck besonders wünschenswert, da die Siedetemperatur oder die Kondensationstemperatur des Wassers für die Erhitzung der meisten Flüssigkeiten geeignet ist. Wenn jedoch eine höhere Wärmeabgabetemperatur gewünscht wird, wenn also beispielsweise eine Flüssigkeit auf eine Temperatur von oberhalb etwa 93°C erhitzt werden soll, ist eine höhere Kondensationstemperatur wünschenswert und dementsprechend wird der Druck, der im System verwendet wird, oberhalb des atmosphärischen Druckes gehalten. Wenn eine niedrigere Kondensationstemperatur gewünscht wird, kann in gleicher Weise ein unteratmosphärischer Druck verwendet werden, um die gewünschte Kondensationstemperatur einstellen zu können.

In dem Druckreguliersystem ist ein Membranausdehnungsgefäß 30 vorgesehen, das mit einem Ventil als Sicherheitseinrichtung verbunden ist. In den meisten Fällen werden zwei Ventile 32 und 34 verwendet. Im Betrieb öffnet sich das Minimaldruckventil 32, wenn der Druck auf einen vorbestimmten niedrigen Druck abfällt, wodurch es möglich ist, daß atmosphärische Gase oder Druckgase eintreten können, um den Minimaldruck zu gewährleisten und das Überdruckventil 34 öffnet sich, wenn der Druck des Systems über einen vorbestimmten Druck hinausgeht, so daß Gase aus dem Wärmeübertragungssystem austreten können. Der Unterschied in der Einstellung zwischen den beiden Ventilen bestimmt die Druckgrenzen, zwischen denen das System arbeitet. Das Wärmetransportfluid wird innerhalb eines im wesentlichen geschlossenen Systems gehalten und dieses System arbeitet hauptsächlich ohne Aufnahme und ohne Abgabe von Gasen. Die normalen Volumenänderungen, die normalerweise durch die thermischen Expansionen des Wärmetransportfluids und beim Verdampfungs-Kondensationszyklus auftreten, werden auf einem konstanten Druck gehalten, und zwar mittels des Membranausdehnungsgefäßes 30.

Dieses Gefäß 30 kann von an sich bekannter Bauert sein und als aufblähbare Balgen und dergleichen ausgebildet sein.

Wärmetransportfluid wird aus dem Vorratsbehälter 21 über eine Verbindungsleitung 36 abgezogen, um dem Wärmespeicher 10 erneut zugeführt zu werden. Ein Thermostat 40 überwacht die Temperatur der Flüssig·- keit im Behälter 22. Die Flüssigkeit im Behälter 22 kann umgewälzt werden, um eine gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten, und hierzu ist eine Umwälzleitung 50 und eine Umwälzpumpe 52 vorgesehen.

Ein thermostatisches Strömungsreguliersystem 38 betätigt eine Pumpe 42, welche den Wärmespeicher 10 mit Wärmetransportfluid speist. Ein Rückströmventil 44 und eine Rückströmleitung 46 sind beispielsweise als Steuereinrichtungen vorgesehen, um die Menge des Wärmetransportfluids zu regeln, die zum Wärmespeicher strömt. Das Rückströmventil 44 kann ein Solenoidventil sein. Wenn das Rückströmventil 44 abgesperrt ist, wird das gesamte von der Pumpe 42 geförderte Fluid dem Wärmespeicher zugeführt Durch öffnen des Rückströmventils 44 wird ein Teil der Strömung durch die Rückströmleitung 46 zurückgeführt

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und dadurch wird die Strömungsmenge verringert, die zum Wärmespeicher fließt

Der Wärmespeicherstoff 12 im Wärmespeicher 10 wird auf einer Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des Wärmetransportfluids gehalten. Normalerweise liegt die Temperatur im Bereich von etwa 121°C bis zu etwa 649° C und insbesondere im Bereich von etwa 149° C bis zu etwa 482° C. Die Wärme im Wärmespeicher 10 wird durch einen Widerstandsheizer 48 erzeugt, der mit einer Spannungsquelle 49 verbunden ist. Dadurch, daß die Wärmespeicherfähigkeit des Wärmespeicherstoffs verwendet wird, kann das Zuführen der

Wärme über normale Haushaltsstromleitungen über eine große Zeitdauer hinweg erfolgen, und dadurch ist es möglich, große Wärmemengen kurzzeitig innerhalb kurzer Zeitperioden abziehen zu können, wobei diese Wärmemengen wesentlich größer sind, als diejenigen, die allein mit dem elektrischen Widerstandsheizer 48 zur Verfugung gestellt werden können. Obwohl die elektrisch zugeführte Energie, die bei dem System am meisten verwendete Energie ist, können auch andere Wärmequellen verwendet werden, um den Wärmespeicherstoff aufzuladen. Beispielsweise kann Sonnenwärme und Verbrennungswärme verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

16 Ol 175 Patentansprüche:

1. Wärmeübertragungssystem, umfassend einen Wärmespeicher mit einem thermisch stabilen Wärmespeicherstoff, der in der Lage ist, Wärme innerhalb eines weiten Temperaturbereiches zu speichern, ein thermisch stabiles, bei Umgebungstemperaturen flüssiges Wärmetransportfluid, einen Verdampfungskanal für das Wärmetransportfluid, der durch den Wärmespeicher hindurchführt, einen Kondensations-Wärmetauscher, der außerhalb des Wärmespeichers vorgesehen ist und durch den das Wärmetransportfluid unter Wärmetausch mit einer Wärmeverbraucher-Flüssigkeit geleitet wird, eine Leitung für dampfförmiges Wärmetransportfluid vom Wärmespeicher zum Wärmetauscher, einen Vorratsbehälter für das Wärmetransportfluid und eine Leitung für flüssiges Wärmetransportfluid vom Wärmetauscher zum Vorratsbehälter und vom Vorratsbehälter zum Verdampfungskanal, 'dadurch gekennzeichnet, daß im Kreislauf des Wärmetransportfluids ein Membranausdehnungsgefäß (30) vorgesehen ist, das unter einem im wesentlichen konstanten einstellbaren Druck gehalten wird.

2. Wärmeübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Wärmetransportfluidseite des Membranausdehnungsgefäßes (30) ein Überdruckventil (34) und ein den Minimaldruck begrenzendes Ventil (32) verbunden sind, die eine Verbindung mit der Umgebung herstellen können.