DE1679465C3 - Wärmespeicher mit einem über die Siedetemperatur des Heizwassers aufheizbaren Speicherkern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher mit einem über die Siedetemperatur des Heizwassers aufheizbaren Speicherkern für eine Warmwasser-Zentralheizungsanlage mit einem Ausdehnungsgefäß und einer Umwälzpumpe, bei dem senkrecht verlaufende Wärmeübertragungsrohre in den Speicherkern eingesetzt und mit dem Vor- und Rücklauf der Heizungsanlage verbunden sind, wobei sich in den Rohren bei Überschreiten der Siedetemperatur des Heizwassers eine Dampfblase bildet.

Es ist bekannt, bei einem Wärmespeicher einen Speicherkern hoch aufzuheizen. Das Heizw_vsser wird ohne Umweg über eine Verdampfung aufgeheizt. Der <*> Speicherkern ist gegenüber den Wärmeübertragungsrohren verschiebbar, um durch eine solche Verschiebung die jeweilige Wärmeentnahme vorgeben zu können. Um jedoch diese Verschiebbarkeit zu erreichen, können die Wärmeübertragungsrohre nur im "s Bereich der Außenwandung des Speicherkerns angeordnet sein. Es ergibt sich hierdurch ein sehr schlechter Wärmeübergang. Ein weiterer Nachteil

besteht in der sehr aufwendigen Konstruktionsform.

Es ist ferner ein Wärmespeicher bekannt, bei dem der Speicherkern aus einzelnen Speichersteinen gebildet ist Zwischen den Speichersteinen, die elektrische Heizungselemente enthalten, sind Zwischenräume vorgesehen, die als Behälter für das Heizwasser dienen. Jeder dieser Behälter hat eine im unteren Bereich angeordnete Zuleitung und eine im oberen Bereich angeordnete Ableitung. Die Zuleitungen und Ableitungen sind jeweils mit Hilfe eines Leitungsrohres parallel geschaltet Bei diesem Wärmespeicher liegt jedoch die Temperatur des Speicherkerns nicht höher als die Siedetemperatur des Heizwassers. Somit steht innerhalb dieses Wärmespeichers ein verhältnismäßig kleines Temperaturgefälle zur Verfugung, was eine entsprechend geringere Speicherfähigkeit und einen langsameren Wärmeübergang zur Folge hat. Es ist nur ein langsames Anheizen mit Hilfe dieses Wärmespeichers möglich, und die Leistung desselben ist relativ gering.

Bei einem anderen bekannten Wärmespeicher wird der Speicherkern hoch aufgeheizt. Die oberen Enden der den Wärmespeicher durchsetzenden Wärmeübertragungsrohre sind mit dem Rücklauf und die unteren Enden dieser Rohre mit dem Vorlauf einer Warmwas serheizung verbunden. Vor- und Rücklauf führen zu einem Mischventil und zu einer Pumpe, die das Wasser durch die Radiatoren drückt. An dieses Leitungssystem ist ein Ausdehnungsgefäß angeschlossen.

beim Aufheizen des Wärmespeichers auf etwa 700^c C bildet sich in den Wärmeübertragungsrohren eine Dampfblase, die das Wasser verdrängt und eine Wärmeabgabe an das Heizungswasser praktisch verhindert. Beim Einschalten der Pumpe wird das Heizungswasser von oben in die Dampfblase gedruckt. Dabei kondensiert Dampf, und das heiße Kondensat sammelt sich unten. Gleichzeitig dringt Wasser von unten in die Wärmeübertragungsrohre ein. Dort erwärmt sich das Heizungswasser. Das Kondensat und das erwärmte Wasser werden von der Pumpe in die Radiatoren gedrückt und weiteres Rücklaufwasser gelangt in die Dampfblase. Der Wasserstand im Wärmeübertragungsrohr stellt sich entsprechend der Wärmeentnahme des Heizungssystems ein.

Auch dieser Wärmespeicher hat noch einen verhältnismäßig ungünstigen Wärmeübergang, denn die Übertragung der Wärme erfolgt zumindest teilweise immer noch über den Dampf, der einen etwa lOfach ungünstigeren Wärmeübergang bietet als der direkte Wärmeübergang zwischen den Übertragungsrohren und dem Heizwasser. Nachteilig ist es auch, daß in Abhängigkeit von dem Wasserstand die Wärmeentnahme aus dem Speicherkern ungleichmäßig erfolgt.

Hiervon ausgehend lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich bei technisch einfachem Aufbau ein guter und auch schneller Wärmeübergang erreichen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Speicherkern aus Speichersteinen gebildet ist, daß die oberen Enden der Wärmeübertragungsrohre mit dem Vorlauf, die unteren Enden mit dem Rücklauf verbunden sind und daß während der Entladung des Wärmespeichers die Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmeübertragungsrohren so hoch gewählt ist, daß der Siedepunkt des Heizwassers nicht überschritten wird.

Bei einem derartigen Wärmespeicher wird die Wärme unmittelbar vom Speicherkern über die

Wärmeübertragungsrohre auf das Heizwasser übertrafen und zwar gleichmäßig auf allen zur Verfügung stehenden Obertragungsflächen. Dadurch kann die Wärme sehr schnell den Radiatoren zugeführt werden. Das in die heißen Wärmeübertragungsrohre des wgrniespeichers eindringende Rücklaufwasser kühlt diese so stark ab, daß Dampf nicht mehr entsteht. Das Heizwasser kann in verhältnismäßig großen Mengen den Radiatoren zugeführt werden.

Da die Entladung des Wärmespeichers gleichmäßig erfolgt und auch bei Teilentladungen Tempe-aturdifferenzen zwischen oben und unten nicht auftreten, werden die Heizelemente des Wärmespeichers bei der Nachladung gleichmäßig belastet. Die Regelung der aus dem Wärmespeicher Jeweils zu entnehmenden Wärmemenee kann in einfacher Weise durch die Veränderung der Druckdifferenz in den Wärmeübertragungsrohren erfolgen, wobei sich diese Druckdifferenzänderung über eine Drehzahlveränderung der Pumpe oder über Drosselorgane bew irken läßt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Wärmespeic'.iers besteht darin, daß ihm in Strömungsrichtung ein Kondensator nachgeschaltet ist, der das Eindringen von Dampf in den Kreislauf des Heizungssystems bei Beginn einer Wärmeentnahme verhindert.

Vorteilhaft ist es ferner, wenn die Wärmeübertragungsrohre über Absperrorgane mit dem Rücklauf verbunden und nacheinander zur Abgabe von Wärme in den Kreislauf einschaltbar sind.

Weiterhin kann der Wärmespeicher so ausgebildet sein, daß die Wärmeübertragungsrohre in rinnenförmige Ausnehmungen der Speichersteine eingeklemmt sind, z. B. durch Traversen. Spannbolzen und Federn. Eine hierzu dienende Klemmvorrichtung sollte außerhalb mindestens eines Teiles der Wärmedämmung angeordnet sein.

Die Wärmeübertragungsrohre können mit den Speichersteinen durch eine Gußmasse verbunden sein.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g-1 eine Warmwasserheizungsanlage, in deren Kreislauf ein nach der Erfindung ausgebildeter Wärmespeicher eingeschaltet ist,

Fig.2 eine andere Schaltung des Kreislaufes unter Anwendung eines Kondensators,

F i g· 3 in etwas größerem Maßstab einen Wärmespeicher als schematischen Schnitt,

Fig.4 einen Horizontalschnitt durch einen Teil des Wärmespeichers im Eckbereich,

F i g. 5a bis 5c die Veränderung des Wasserstandes in einem Wärmeübertragungsrohr während des Beginns der Wärmeentnahme,
F i g. 6 eine Ansicht zweier Speichercteine, Fig.7 in großem Maßstab ein Wärmeübertragungsrohr im Aufheizzustand, ^

F i g. 8 eine Kurve, die den Temperaturverlauf an der Rohrinnenwand darstellt,

Fig.9 ein zwischen zwei Speichersteinen eingeklemmtes Wärmeübertragungsrohr.

Ein Wärmespeicher 23 ist aus einer Vielzahl von <* Speichersteinen 1 aufgebaut, die mit einer äußeren Wärmedämmung 2 umgeben sind. Die Speichersteine ! unddie mit ihnen verbundenen Konstruktionselemente liegen auf einem Unterbau 3 auf. Die Speichersteine haben zentrische Längsbohrungen und sind im übrigen <>: so angeordnet, daß diese Bohrungen durchsetzende Wärmeübertragungsrohre 4 in senkrechter Lage gehalten sind. Die oberen Enden der Wärmeübertragungsrohre 4 münden in einen Vorlauf 5, während die unteren Enden in einen Rücklauf 6 münden.

Wie insbesondere aus den Fig.3, 5a und 7 hervorgeht, sind die Wärmeübertragungsrohre bei sehr niedrigem Wasserspiegel 7 mit Dampf 8 gefüllt, solange die Pumpe 12 nicht eingeschaltet ist und Wärme nicht entnommen wird. Die einzelnen Wärmeübertragungsrohre 4 sind mit Hilfe von Absperrventilen 9 einzeln ein- bzw. ausschaltbar. Wie F i g. 7 erkennen läßt, können die Wärmeübertragungsrohre 4 ?uch in entsprechende Aussparungen der Speichersteine 1 eingesteckt sein, wobei ein jeweils verbleibender Spalt zur Verbesserung des Wärmeüberganges durch ein Füllmittel oder eine Gußmasse 10 verschlossen sein kann.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Heizungskreislauf so ausgelegt, daß das Heizwasser von einem Heizkörper 22 durch eine obere Leitung und eine obere Drossel 13 zu einer Pumpe 12 geführt wird und von dort /u einem Teil durch eine untere Drossel 13 und eine untere Leitung zum Heizkörper 22 zurückgeführt wird. Da die untere Drossel 13 einen Strömungswiderstand bildet, wird jedoch der überwiegende Teil des Heizwassers in den Rücklauf 6 und von dort in die einzelnen Wärmeübertragungsrohre 4 strömen. Von diesen aus wird das Wasser durch den Vorlauf 5 von der Pumpe 12 angesaugt, denn auch die obere Drossel 13 stellt einen Strömungswiderstand dar. so daß der überwiegende Teil der Saugleistung der Pumpe 12 im Vorlauf 5 wirksam ist.

In Abänderung dieser Schaltung ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 die Pumpe 12 in die vom Heizkörper 22 kommende Rückleitung eingeschaltet. Eine Drossel 16 ist jetzt zwischen der Einmündung des Rücklaufes 6 und des Vorlaufes 5 des 5>peicherkreises eingeschaltet. Um das Eindringen von Dampf in den Heizkörperkreislauf zu Beginn einer Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher 23 zu verhindern, ist in den Vorlauf 5 ein Kondensator 17 eingeschaltet.

Bei beiden Ausführungsformen steht der Rücklauf 6 mit einem Ausdehnungsgefäß 14 in Verbindung. Ferner sind in entsprechende Ausnehmungen 18 der Speichersteine 1 elektrische Heizelemente 15 eingesetzt.

Bei der in F i g. 4 gezeigten Ausführungstorm sind die in Ausnehmungen der Speichersteine 1 verlaufenden Wärmeübertragungsrohre 4 mit Hilfe von Traversen festgeklemmt, deren Enden mit Hilfe von Spannbolzen 20 und Federn 21 zusammengehalten werden. F i g. zeigt in größerem Maßstab einen Teilschnitt im Bereich der Wärmeübertragungsrohre 4. Mit der beschriebenen Einklemmung der Wärmeübertragungsrohre 4 ist das Aufnehmen von Wärmedehnungen der Speichersteine

möglich.

Beim Aufheizen des Wärmespeichers 23 durch die Heizelemente 15 nehmen die Speichersteine 1 eine Temperatur von mehreren 100⁰C an. Entsprechend erhitzen sich auch die Wärmeübertragungsrohre 4 auf eine über 100°C liegende Temperatur, so daß sie sich mit Dampf 8 füllen. Der Wasserspiegel 7 liegt außerhalb des Speicherkerns. Im Bereich des Unterbaus 3 nimmt die Temperatur der Wärmeübertragungsrohre 4 ab. Wie in F i g. 7 dargestellt, bildet sich eine Dampfgrenzschicht 11 im Bereich der Rohrwandungen. Fig.8 zeigt den Temperaturverlauf entlang der Länge 1 der Wärmeübertragungsrohre 4. Der hier beschriebene Zustand gilt bei aufgeheiztem Wärmespeicher 23 und stehender Pumpe 12.

Wenn jetzt dem Wärmespeicher 23 Wärme entnommen werden soll, so geschieht dies durch die zwischen

dem Vorlauf 5 und dem Rücklauf 6 des Speicherkreislaufes aufgebaute Druckdifferenz, durch die der Dampf aus den Wärmeübertragungsrohren 4 herausgedrückt wird. Der Dampf kondensiert dann in den Rohren des Vorlaufs 5. Während dieses Anfahrvorganges steigt der Wasserspiegel 7 in den Wärmeübertragungsrohren 4 sehr schnell an, wie es aus den F i g. 5a bis 5c hervorgeht. Nach kurzer Zeit sind die Wärmeübertragungsrohre 4 von dem Heizwasser durchströmt. Da zwischen der Rohrwandung und dem Heizwasser ein etwa zehnmal größerer Wärmeübergang vorhanden ist als vorher, kühlt jedes Wärmeübertragungsrohr 4 schnell ab. Es ist die Entnahme großer Wärmemengen möglich. Der Wärmeübergang von den Speichersteinen 1 auf die Wärmeübertragungsrohre 4 geht langsamer vor sich, so daß trotz der noch weit über 100⁰C liegenden Temperatur der Speichersteine 1 in den Wärmeübertra gungsrohren 4 eine Dampfbildung nicht mehr erfolgt. E; ist auch erkennbar, daß die Wärmeentnahme gleichmä Big über die Länge der Wärmeübertragungsrohre 4 erfolgt. Deshalb treten bei einer Teilentladung des Wärmespeichers 23 Temperaturdifferenzen zwischen den oberen und unteren Teilen des Speicherkerns kaum auf. Beim Nachladen werden die Heizelemente 15 gleichmäßig thermisch belastet.

Um bei Beginn der Wärmeentnahme nur wenig Dampf im Heizungskreislauf zu erhalten oder, falls nur geringe Wärmemengen entnommen werden sollen können die Wärmeübertragungsrohre 4 einzeln oder in Gruppen nacheinander mit Hilfe der Absperrventile 9 eingeschaltet werden. Diese sind im übrigen beim Aufladen des Wärmespeichers 23 offen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wärmespeicher mit einem über die Siedetemperatur des Heizwassers aufheizbaren Speicherkern für eine Warmwasser-Zentralheizungsanlage mit einem Ausdehnungsgefäß und einer Umwälzpumpe, bei dem senkrecht verlaufende Wärmeübertr?- gungsrohre in den Speicherkern eingesetzt und mit dem Vor- und Rücklauf der Heizungsanlage verbunden sind, wobei sich in den Rohren bei Überschreiten der Siedetemperatur des Heizwassers eine Dampfblase bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherkern aus Speichersteinen (1) gebildet ist. daß die oberen Enden der Wärmeübertragungsrohre (4) mit dem Vorlauf (5), die unteren Enden mit dem Rücklauf (6) verbunden sind und daß während der Entladung des Wärmespeicbers (23) die Strömungsgeschwindigkeit in den Wärmeübertragungsrohren (4) so hoch gewählt ist, daß der Siedepunkt des Heizwassers nicht überschritten wird.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihm in Strömungsrichtung ein Kondensator (17) nachgeschaltet ist.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsrohre (4) über Absperrorgane (9) mit dem Rücklauf (6) verbunden sind und einzeln zur Abgabe von Wärme in den Kreislauf einschaltbar sind.

4. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübei tragungsrohre (4) in rinnenförmige Ausnehmungen (18) der Speichersteine (1) eingeklemmt sind, zum Beispiel durch Traversen (19), Spannbolzen (20) und Federn (21).

5. Wärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung (19, 20, 21) außerhalb mindestens eines Teiles der Wärmedämmung (2) angeordnet ist.

6. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertra gungsrohre (4) mit den Speichersteinen (1) durch eine Gußmasse (10) verbunden sind (F i g. 7).

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