DE19752813A1 - Warmwasserschichtspeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Warmwasserschichtspeicher zur Speicherung von Wärme beziehungsweise Abwärme, beispielsweise aus Sonnenkollektoren, aus Festbrennstoffkesseln, Kühlanlagen, Klimaanlagen, Blockheizkraftwerken, Produktionsprozessen, Biowärmeprozessen, Grund- oder Grubenwasser und anderes mehr, sowie zur Entnahme von Wärme beispielsweise für die Erwärmung von Brauchwasser und/oder für Heizzwecke.

Bei derartigen Warmwasserschichtspeichern soll einerseits innerhalb kürzester Zeit nach der Inbetriebnahme heißes Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen werden können. Andererseits sollen derartige Speicher aber auch große Energiemengen speichern können. Daher war es das Ziel einer Vielzahl von Erfindungen beim Beladen des Speichers eine Durchmischung von heißen Anteilen mit den kälteren Anteilen des gespeicherten Wassers zu verhindern.

So wird bereits in der DE-OS 27 51 265 ein Warmwasserschichtspeicher mit einem Leitrohr beschrieben, welches von unten beschickt wird und in verschiedenen Höhen mit in den Tank führenden Öffnungen versehen ist. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sich das aufsteigende heiße Wasser mit kälterem Wasser vermischt, welches wegen des Dichteunterschiedes durch die Öffnungen des Leitrohres in dieses hineinfällt. Um diesen Nachteil zu beseitigen hat man bereits in der DE-PS 39 05 874 ein von unten beschicktes Leitrohr vorgesehen, welches auf verschiedenen Höhen mit Auslässen versehen ist, die mit Klappenventilen verschlossen sind. Diese Klappenventile führen auf Grund ihrer Beabstandung einerseits zu einer Durchmischung des Speicherwassers in den einzelnen, durch die Klappenabstände vorgegebenen, Speicherzonen und sind andererseits wegen ihrer filigranen Bauart störanfällig. Darüber hinaus kann ihre Funktionssicherheit bei geschlossenem Speicher nur schwer überprüft werden.

In der DE-PS 41 19 542 wird nun zur Beschickung eines Warmwassersschichtspeicher die Anordnung eines im Leitrohr befindlichen Einspeiserohres vorgeschlagen, welches bis in die mittlere Höhe des Leitrohres reicht, dabei sind die Öffnungen im Leitrohr nur unterhalb der Einspeisestelle angeordnet. Dies hat insbesondere in der "Startphase" den Nachteil, daß das angewärmte Wasser nicht nach oben austreten kann und durch die ersten Öffnungen in das im Behälter anstehende kalte Wasser austreten muß. Beim Aufsteigen dieses "ersten" Warmwassers entsteht im Behälter sehr viel Mischwasser. Daher kann erst relativ lange Zeit nach der Inbetriebnahme heißes Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen werden.

Im DE-GM 297 05 645 wird nun ein druckloser Wärmespeicher vorgestellt, bei dem im Gegensatz zu den vorgenannten Wärmespeichern nicht nur die Wärmezufuhr in den Speicher, sondern auch die Wärmeentnahme aus dem Speicher direkt und nicht über einen außerhalb des Speichers angeordnete Wärmetauscher erfolgt. Dieser Speicher benötigt jedoch eine sehr lange Aufheizzeit, so daß erst wesentliche Zeit nach der Inbetriebnahme heißes Brauchwasser aus dem Speicher abgezogen werden kann. Dabei führt die in diesem Gebrauchsmuster vorgestellte Anordnung zwangsläufig bei der Wärmeentnahme zu einer Schichtvermischung, welche in der Injektorförderwirkung begründet ist, die durch den Sog der Pumpe am gelochten Rohr hervorgerufen wird.

Dabei wird bei der Wärmeentnahme zwangsläufig auch stets kälteres Wasser mit in das gelochte Rohr eingesaugt. Dies führt zu einer schlechten Gesamtwärmebilanz bei verhältnismäßig geringem Wärmeangebot. Darüber hinaus hat die vg. Anlage neben einer kostenaufwendigen Beladetechnik den wesentlichen Nachteil, daß in den Wärmespeicher nicht gleichzeitig Warmwasser eingelagert und Wärme entnommen werden kann. Darüber hinaus bedingt der wärmeleitende Metallmantel einem Wärmetransport, dies wiederum führt zu einer laminaren Strömung und damit zu einer Durchmischung der Warmwasserschichten insbesondere in den wandnahen Speicherbereichen.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen drucklosen Warmwasserschichtspeicher zu entwickeln, welcher sich durch einen einfachen mechanischen Aufbau, eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine sicherere Schichtspeicherung sowohl beim Beladen mit Warmwasser wie auch bei der Warmwasserentnahme auszeichnet und der darüber hinaus unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Speichers parallel zum Beladevorgang den Abzug von Wärmeenergie aus dem Speicher ermöglicht, dabei sollen im Speicher vom Wärmeangebot abhängig, unterschiedliche exakt geschichtete Temperaturzonen aufgebaut und optimal mit höchstem Wirkungsgrad nutzbar gemacht werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Warmwasserschichtspeicher mit den Merkmalen gemäß des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungswesentlich ist dabei, daß in einem drucklosen Speicherbehälter, beispielsweise schwimmend, mindestens ein zweiter kleinerer Schnellaufheizbehälter angeordnet ist durch dessen Behälterboden ein am oberen Einlaß mit einem Beruhigungsstück versehenes gelochtes Leitrohr bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters ragt.

Durch die drucklose Speicherung können sehr große Speicherkapazitäten geschaffen werden, die sowohl überirdisch wie auch unterirdisch angeordnet werden können. Derartige große Speicher haben nun den Nachteil, daß diese eine sehr lange Zeit benötigen um eine verwertbare Schichtung aufzubauen. Doch auf Grund der erfindungsgemäßen Lösung wird in Verbindung mit dem nachfolgend noch beschriebenen Beruhigungsstückes gewährleistet, daß das in den Behälter eingespeiste warme Wasser zunächst ohne Strömungsbewegung in das gelochte Leitrohr eintritt. Hier ist ausschließlich die reine temperaturbedingte Dichte des Wassers dafür verantwortlich, wie weit das Wasser auf Grund der bereits im Speicher vorhandenen Temperaturschichtung im gelochten Leitrohr absinkt und auf dem zugehörigen Temperaturniveau durch die Öffnungen in der Wandung des Leitrohres in den Speicher eintritt.

Da das gelochte Leitrohr mit seinem oberen Bereich in einem kleineren Behälter dem Schnellaufheizbehälter angeordnet ist, tritt das wärmste Wasser nun zuerst in den "kleinen" Schnellaufheizbehälter ein. Auf Grund des viel kleineren Volumens im Schnellaufheizbehälters steht hier bereits nach sehr kurzer Zeit eine verwertbare Wärmeenergie zur Verfügung. Mittels diesem erfindungsgemäßen "Speicher in Speicher System" wird somit der Sättigungsgrad bereits nach sehr kurzer Beladezeit erreicht.

Kennzeichnend ist auch, daß sich am Boden des großen Speicherbehälters eine Ansaugglocke mit einem wärmeisolierten Wasserentnahmerohr befindet.

Diese Ansaugglocke ermöglicht einen wasserberuhigten Abzug des kältesten Speicherwassers.

Da sich beim Abzug des kalten Wassers zwangsläufig das Wasserentnahmerohr abkühlt, ist dieses erfindungsgemäß wärmeisoliert um den Aufbau einer laminaren Strömung an dem durch warme Schichten führenden Wasserentnahmerohr zu vermeiden.

Da insbesondere ohne den Anschluß eines Verbrauchers nach kurzer Zeit der Sättigungsgrad im Schnellaufheizbehälter erreicht ist, ist es erfindungswesentlich, daß in den Seitenwänden des Schnellaufheizbehälters, in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens des Schnellaufheizbehälters, ein oder mehrere gelochte Steigrohre angeordnet sind, die in den den Schnellaufheizbehälter umgebenden großen Speicherbehälter hineinragen.

Bei Einlagerung von immer wärmeren beziehungsweise immer mehr warmen Wasser kann durch diese erfindungsgemäße Anordnung die unterste Wasserschicht aus dem Schnellaufheizbehälter in den großen Speicherbehälter aufsteigen und entsprechend seiner temperaturabhängigen Dichte aus dem gelochten Steigrohr in die zugehörige Wärmeschicht des großen Speicherbehälters eintreten.

Da in der Regel bereits gleichzeitig mit der Wärmespeicherung auch eine Wärmeentnahme erfolgen soll, beispielsweise Brauchwassererwärmung und/oder Heizung während gleichzeitig Solarwärme gespeichert wird, befinden sich im Schnellaufheizbehälter erfindungsgemäß ein oder mehrere Wärmetauscherrohre mit jeweils einem darin angeordnetem Wärmetauscher. Dabei kann ein Wärmetauscher beispielsweise für Brauchwasser und ein anderer zu Heizzwecken, beispielsweise erfindungsgemäß auch über eine Wärmepumpe, genutzt werden.

Kennzeichnend ist dabei, daß das Wärmetauscherrohr am oberen Rand mit schwimmergeregelten Einströmschlitzen und am unteren Rand mit Durchlaßöffnungen versehen ist, wobei sich im Boden jedes dieser Wärmetauscherrohre ein gelochtes Fallrohr befindet, welches durch den Behälterboden des Schnellaufheizbehälters bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters ragt.

Dadurch wird erfindungsgemäß bewirkt, daß die über die schwimmergeregelten Einströmschlitze beruhigt aus dem Schnellaufheizbehälter in den Wärmetauscher eingeleitete wärmste Wasserschicht ihre Wärmeenergie über die im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr angeordneten Wärmetauscher beispielsweise an das den Wärmetauscher durchströmende Brauchwasser abgibt.

Wären die Wärmetauscher nicht erfindungsgemäß in Wärmetauscherrohren, sondern beispielsweise frei im Speicher angeordnet, so würde die erfindungsgemäß aufgebaute Wärmeschichtung bereits nach kürzester Zeit durch die zwangsläufig eintretende laminare Strömung am Wärmetauscher zerstört.

Das in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr abgekühlte Wasser kann nun entweder aus den Durchlaßöffnungen des Wärmetauscherrohres in den Schnellaufheizbehälter eintreten, oder wird durch das erfindungsgemäß unterhalb des Schnellaufheizbehälters angeordneten Fallrohr in die tiefer gelegenen Schichten des Speicherbehälters eingeleitet.

Dadurch wird gewährleistet, daß bei sehr stark im Wärmetauscher abgekühlten Wasser dieses den Wärmetauscher nicht "verstopft", sondern sofort auf sein temperaturbedingtes Wärmeniveau im großen Speicherbehälter absinkt und dort durch die erfindungsgemäßen Bohrungen im Fallrohr in die zugeordnete Schichtung im Speicher eintreten kann.

Wesentlich ist dabei weiterhin, daß sowohl im Bereich der Wasseroberfläche des großen Speicherbehälters wie auch am Behälterboden des Schnellaufheizbehälters jeweils mindestens ein Thermosensor angeordnet ist. Somit ist es es möglich ständig die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden Meßstellen zu erfassen und im Bedarfsfall warmes Oberflächenwasser aus dem großen Speicherbehälter in den Schnellaufheizbehälter einzuschichten.

Erfindungsgemäß ist dafür im Bereich der Wasseroberfläche ein (oder mehrere) schwimmergeregelter Ansaugbehälter mit jeweils vorzugsweise einem Ansaugrohr angeordnet, der wie später noch beschrieben, ein wasserberuhigtes Abziehen der wärmsten Schicht des großen Speicherbehälters ermöglicht.

Das in diesem Ansaugbehälter angeordnete Ansaugrohr ist erfindungsgemäß über eine Pumpe mit einem oder mehreren im Schnellaufheizbehälter angeordneten, wiederum am oberen Ende (dem Wassereintritt) mit einem Beruhigungsstück versehenen und bis zum Behälterboden des Schnellaufheizbehälters reichenden, gelochten Sinkrohr verbunden. Dieses erfindungsgemäße Sinkrohr gewährleistet eine exakte Einleitung des wärmsten Wassers aus dem großen Speicherbehälter auf Grund dessen temperaturbedingten Dichte in die zugehörige "Wärmeschicht" des Schnellaufheizbehälters.

Für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers ist dabei die "beruhigte" Wassereinleitung in den Speicherbehälter von ausschlaggebender Bedeutung.

Nachfolgend wird daher das erfindungsgemäße Beruhigungsstück, welches sowohl an der Eintrittsöffnung des Leitrohres wie auch an der Eintrittsöffnung des Sinkrohres angeordnet ist, näher beschrieben werden.

Dieses erfindungsgemäße Beruhigungsstück besteht aus einem unterhalb der Wasseroberfläche angeordnetem Mantelrohr in dem ein, das Mantelrohr überragendes und gleichzeitig zumindest teilweise in das Mantelrohr hineinragendes, Auffangrohr mit einer gelochten Bodenplatte angeordnet ist, an dessen oberen Ende sich ein Eintrittsrohr befindet, im Auffangrohr ist ein von der gelochten Bodenplatte beabstandeter Auffangzylinder angeordnet. Das aus einer beliebigen Wärmequelle kommende Warmwasser fällt im freien Einlauf über das Eintrittsrohr in den teilweise oberhalb des Wasserspiegels angeordneten Auffangzylinder. Aus diesem Auffangzylinder läuft nun das Wasser über einen zwischen Auffangzylinder und Auffangrohr angeordneten Ringspalt auf die mit Durchgangsbohrungen versehene Bodenplatte.

Erfindungswesentlich ist weiterhin, daß unterhalb der gelochten Bodenplatte des Auffangrohres sich ein Kesselinnenrohr befindet welches in einen zentrisch im Mantelrohr angeordneten Kessel mündet.

Das durch die Durchgangsbohrungen der Bodenplatte hindurch tretende Wasser sinkt nun in den Kessel und muß im Ringspalt zwischen innerer Kesselwandung und Kesselinnenrohr wieder fast bis auf das Niveau der Bodenplatte aufsteigen, und über einen dort angeordneten Überlauf in den Ringspalt zwischen äußerer Kesselwandung und Mantelrohr eintreten.

Dabei ist es erfindungswesentlich, daß unterhalb des Kessels ein Anschlußrohr angeordnet ist, welches den vom Kesselboden deutlich beabstandeten unteren Abschlußring des Mantelrohres überragt, wobei in unmittelbarer Nähe des Kesselbodens, im Anschlußrohr Einlauföffnungen angeordnet sind.

Auf Grund dieser erfindungsgemäßen Anordnung kann nun das in den Behälter einzuleitende Wasser auf den zwischen Anschlußrohr und Mantelrohr angeordneten Abschlußring absinken, wird dort umgelenkt und tritt über die nahe unterhalb des Kesselbodens im Anschlußrohr angeordneten Einlauföffnungen in das Innere des Anschlußrohres ein.

Da sich dieser beschriebene Weg des Wassers ab dem "Überlaufen" des Auffangzylinders unterhalb des Wasserspiegels im Schnellheizzylinder vollzieht, handelt es sich um einen Verdrängungsprozeß bei dem dem Wasser vollständig die einleitungsbedingte Strömungsenergie entzogen wird, so daß das Wasser nun vollständig beruhigt in das zugeordnete Leitrohr oder Sinkrohr eintritt und nur noch auf Grund seiner temperaturbedingten Dichte auf das entsprechende Temperaturniveau im Speicher absinkt.

Wesentlich ist weiterhin, daß das Leitrohr, das Steigrohr, das Fallrohr und das Sinkrohr in radialer Richtung mit jeweils vorzugsweise um 90° versetzt und zueinander um etwa den Lochdurchmesser beabstandet angeordneten Wasseraustrittsbohrungen versehen ist, an denen vom Rohr weggerichtet kurze dem jeweiligen Bohrungsdurchmesser entsprechende, offene Rohransatzstücke angeordnet sind. Diese erfindungsgemäße Anordnung von kurzen in den jeweiligen Behälterraum gerichteten, offenen Rohransatzstücken bewirkt das Entstehen von scheibenförmigen "Wasserberuhigungszonen" unmittelbar in jeder Lochöffnung.

Diese "Wasserberuhigungszonen" dienen der Verhinderung einer Injektorförderwirkung, auf Grund der dichtebedingten Strömung im Rohr, wodurch beispielsweise im Leit-, Fall- oder Sinkrohr heißes Wasser aus dem oberen Speichervolumen mit in den unteren Speicherbereich gerissen werden könnte, oder im Steigrohr kälteres Wasser aus dem unteren in den oberen Speicherbereich gefördert würde. Gleichzeitig dienen diese offenen Rohransatzstücken in Verbindung mit der sehr kurze Beabstandung der Austrittsöffnungen einem leichten und definierten Wasseraustritt und somit einer sehr exakte Temperaturschichtung des Speicherwassers.

Gleichzeitig gewährleisten die erfindungsgemäßen Rohransatzstücke, selbst bei der doch sehr kurzen Beabstandung der erfindungsgemäßen Austrittsöffnungen, die mechanische Stabilität der verwendeten Rohre.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist es, daß die Behälterwandung und der Behälterboden des Schnellaufheizbehälters beidseitig wärmeisoliert sind.

Diese beidseitige Wärmeisolation verhindert einerseits den Wärmeübergang aus dem Schnellaufheizbehälter in den großen Speicherbehälter und verhindert gleichzeitig den Aufbau einer laminare Strömungen entlang der jeweiligen Behälterwand auf Grund von Temperaturunterschieden längs der Behälterhöhe.

Ebenso ist kennzeichnend, daß die Behälterwandung des großen Speicherbehälters insbesondere nach innen wärmeisoliert ist.

Auch dies dient ebenso der Vermeidung von Wärmeverlusten durch den Aufbau einer temperaturdifferenzbedingten laminaren Strömungen entlang der Behälterwandung.

Da sich der Wasserspiegel in den Behältern beispielsweise auch temperaturbedingt ständig verändert, ist es für einen exakten "Abzug" der jeweils wärmstem Temperaturschicht des zugeordneten Behälters erfindungswesentlich, daß in der Behälterwandung der schwimmergeregelten Ansaugbehälter beziehungsweise in der Behälterwandung der Wärmetauscherrohre Einströmschlitz/e angeordnet sind, und sich an der jeweils zugeordneten Behälteraußenwand diesem/n Einströmschlitz/en zugeordnete Verschlußklappe/n befinden, in/an denen jeweils ein geneigt in den zugeordneten Behälterinnenraum hineinragendes Einströmrohr angeordnet ist, wobei an der Verschlußklappe und/oder am Einströmrohr ein Schwimmer angeordnet ist.

Diese erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, daß mittels des Schwimmers stets die "Abzugshöhe" im Behälter dem jeweiligen Wasserstand angepaßt wird. Die außen am Behälter verschiebbar angeordneten Verschlußklappen verhindern ein "Abkippen" derselben von der Behälterwandung während des "Warmwasserabzuges" und einen durch dieses "Abkippen" bedingten Zufluß von Speicherwasser aus tiefer gelegenen Temperaturschichten.

Ein wesentliches Merkmal dieser schwimmergeregelten Absaugvorrichtung ist dabei, daß die Eintrittsöffnung des Einströmrohres gegenüber der Wasseroberfläche geneigt ist, wobei der Schwimmer so bemessen ist, daß die behälternahe höchste Kante des Einströmrohres gerade die Wasseroberfläche durchdringt.

Somit wird von der behälternahen, höchsten Kante des Einströmrohres die Oberflächenspannung der abzusaugenden Wasserfläche gebrochen, so daß die abzuziehende Wasserschicht in die nach unten gegenüber der Wasseroberfläche geneigt angeordnete Eintrittsöffnung des Einströmrohres "wirbelfrei" einströmen kann.

Darüber hinaus zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung dadurch aus, daß das untere Ende des im Ansaugbehälter angeordneten Saugrohres, gegenüber dem Boden des Ansaugbehälters, geneigt angeordnet ist.

Dies bewirkt nun ein definiertes Ansaugen des im Ansaugbehälter befindlichen Wassers bei minimalem Strömungswiderstand.

Mittels der Gesamtheit der erfindungsgemäßen Lösung ist es nun möglich in einem Speicher drei exakt definierte Temperaturzonen aufzubauen und die in diesen Temperaturzonen gespeicherte Wärmeenergie optimal mit höchstem Wirkungsgrad zu nutzen. Diese Temperaturzonen sind einerseits die Hochtemperaturzone im Schnellaufheizbehälter, die Niedertemperaturzone im Bereich des großen Speicherbehälters um die Schnellaufheizzone herum und die Tieftemperaturzone im großen Speicherbehälter unterhalb der Bodenebene des Schnellaufheizbehälters.

Nachfolgend soll nun die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit 4 Figuren näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Fig. 1 : eine Draufsicht auf eine spezielle Ausführungsform des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers;

Fig. 2: die Seitenansicht des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers gemäß Fig. 1 im Schnitt bei A-A;

Fig. 3: schematische Schnittdarstellung des im erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeicher eingesetzten Beruhigungsrohres;

Fig. 4: schematische Schnittdarstellung des im erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeicher eingesetzten Absaugbehälters in der Seitenansicht.

Wie in der Fig. 1 dargestellt befindet sich in einem mit Wasser gefüllten Speicherbehälter 1 ein schwimmend angeordneter Schnellaufheizbehälter 2 aus schlecht wärmeleitenden Material, beispielsweise mit einer doppelwandigen, mit PUR ausgeschäumten PE-Hülle. Aus Gründen einer übersichtlichen Darstellung wurden für das vorliegende Ausführungsbeispiel eine zylindrische Bauformen ausgewählt. Dabei könnte der Speicherbehälter 1 welcher innen wärmeisoliert ist, beispielsweise einen Durchmesser von 2 m wie auch eine Höhe von 2 m haben. Im zugehörigen, beispielsweise 75 cm hohen Schnellaufheizbehälter 2 mit einem Durchmesser von beispielsweise ca. 75 cm ist mittig ein bis zum Behälterboden des Speicherbehälter 1 reichendes gelochtes Leitrohr 3 angeordnet. Die Wasserentnahme erfolgt aus dem Bodenbereich des Speicherbehälters 1 über ein teilweise in der Wärmeisolation des Schnellaufheizbehälters verlegtes Wasserentnahmerohr 4. Dabei dienen angesprochenen Maßnahmen zur Wärmeisolationen der Vermeidung von Wärmeverlusten, und der Vermeidung des Aufbaues von laminaren Strömungen in den Behältern. Zur Wärmeentnahme sind im Schnellaufheizbehälter 2 beispielsweise zwei Wärmetauscherrohre 5 angeordnet, wobei beispielsweise eines zur Erwärmung von Brauchwasser und das andere für Heizzwecke (beispielsweise auch über eine Wärmepumpe genutzt werden kann.

Wird von der Solaranlage beispielsweise so viel Warmwasser angeboten, daß das Speichervolumen des Schnellaufheizbehälters nicht mehr ausreicht um das angebotene Warmwasser aufzunehmen, kann dieses über die gelochten Steigrohre 6 in den oberen Speicherbereich des Speicherbehälters 1 eingelagert werden.

Ist hingegen das im oberen Speicherbereich des Speicherbehälters 1 eingelagerte Warmwasser wärmer als die untere Schicht des im Schnellaufheizbehälters befindlichen Wassers so kann mittels einer Pumpe über eine Ansaugbehälter 8 dieses wärmere Wasser mittels der gelochten Sinkrohre 7 in den Schnellaufheizbehälter eingeschichtet werden.

Die Fig. 2 zeigt nun den erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers gemäß Fig. 1 im Schnitt bei A-A.

In einem drucklosen Speicherbehälter 1 ist schwimmend der zweite kleinere Schnellaufheizbehälter 2 angeordnet durch dessen Behälterboden ein am oberen Einlaß mit einem Beruhigungsstück 14 versehenes gelochtes Leitrohr 3 bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters 1 ragt. Ein wesentliches Merkmal des gelochten Leitrohres 3, aber auch des Steigrohres 6, des Fallrohres 9 und des Sinkrohr 7 mit beispielsweise jeweils einem Innendurchmesser von ca. 50 mm ist, daß diese Rohre wie in der Fig. 2 dargestellt in radialer Richtung mit jeweils vorzugsweise um 90° versetzt und zueinander um etwa den Lochdurchmesser von ca. 15 mm beabstandet angeordneten Wasseraustrittsbohrungen versehen sind. An diesen Wasseraustrittsbohrungen sind erfindungsgemäß offene, vom Rohr weggerichtete, kurze dem jeweiligen Bohrungsdurchmesser entsprechende beispielsweise ca. 6 mm lange Rohransatzstücke angeordnet. Diese Anordnung der kurzen in den jeweiligen Behälterraum gerichteten Rohransatzstücken bewirkt das Entstehen von scheibenförmigen "Wasserberuhigungszonen" unmittelbar in jeder der Lochöffnungen. Diese "Wasserberuhigungszonen" dienen erfindungsgemäß insbesondere der Verhinderung einer Injektorförderwirkung, wobei auf Grund der dichtebedingten Strömung im Rohr, beispielsweise im Leitrohr 3, im Fallrohr 9 oder im Sinkrohr 7 heißes Wasser aus dem oberen Speichervolumen mit in den unteren Speicherbereich mit gerissen werden könnte, oder im Steigrohr 6 kälteres Wasser aus dem unteren in den oberen Speicherbereich gefördert würde. Darüber hinaus dienen diese offenen Rohransatzstücke in Verbindung mit der sehr kurze Beabstandung der Austrittsöffnungen einem leichten und definierten Wasseraustritt und somit gleichzeitig einer sehr exakte Temperaturschichtung des Speicherwassers. Zudem gewährleisten aber die erfindungsgemäßen Rohransatzstücken selbst bei der sehr kurzen Beabstandung der Austrittsöffnungen gleichzeitig auch die mechanische Stabilität der verwendeten Rohre. Durch das im Zusammenhang mit der Fig. 3 nachfolgend noch näher beschriebene Beruhigungsstück 14 wird gewährleistet, daß das in den Behälter eingespeiste warme Wasser zunächst ohne Strömungsbewegung in das erfindungsgemäß gelochte Leitrohr 3 eintritt. In diesem Leitrohr 3 ist nun ausschließlich die reine temperaturbedingte Dichte des Wassers dafür verantwortlich, wie weit das Wasser auf Grund der bereits im Speicher vorhandenen Temperaturschichtung im gelochten Leitrohr absinkt und auf diesem zugehörigen Temperaturniveau durch die mit Rohransatzstücken versehenen Öffnungen des Leitrohres 3 definiert geschichtet in den Speicher eintritt.

Da das erfindungsgemäß gelochte Leitrohr 3 mit seinem oberen Bereich im Schnellaufheizbehälter 2 angeordnet ist, tritt das wärmste Wasser nun zuerst in den "kleinen" Schnellaufheizbehälter 2 ein. Bereits nach sehr kurzer Zeit steht daher in diesem Schnellaufheizbehälter 2 eine verwertbare Wärmeenergie zur Verfügung.

Am Boden des großen Speicherbehälters 1 ist eine Ansaugglocke 13 angeordnet, welche einen wasserberuhigten Abzug des kältesten Speicherwassers ermöglicht. Das wärmeisoliert Wasserentnahmerohr 4 kann wie beispielsweise in der Fig. 2 dargestellt, durch die Wandung des Schnellaufheizbehälters 2 hindurchgeführt werden.

Da bei sehr schneller Beladung bereits nach kurzer Zeit ein Sättigungszustand im Schnellaufheizbehälter erreicht ist, sind wie in der Fig. 2 dargestellt, in den Seitenwänden des Schnellaufheizbehälters 2, in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens des Schnellaufheizbehälters, ein oder mehrere erfindungsgemäß gelochte Steigrohre 6 angeordnet, die in den den Schnellaufheizbehälter 2 umgebenden großen Speicherbehälter 1 hineinragen. Bei Einlagerung von immer wärmeren beziehungsweise immer mehr warmen Wasser kann nun über diese Steigrohre 6 stets die unterste Wasserschicht aus dem Schnellaufheizbehälter 2 in den großen Speicherbehälter 1 aufsteigen und entsprechend ihrer temperaturabhängigen Dichte aus dem erfindungsgemäß gelochten Steigrohr 6 in die zugehörige Wärmeschicht des großen Speicherbehälters 1 eintreten.

Da in der Regel bereits gleichzeitig mit der Wärmespeicherung auch eine Wärmeentnahme möglich sein soll, beispielsweise für Brauchwassererwärmung und/oder Heizung auch mittels einer Wärmepumpe, befinden sich im Schnellaufheizbehälter zwei Wärmetauscherrohre 5 mit jeweils einem darin angeordnetem Wärmetauscher 10. Dabei kann der eine Wärmetauscher für Brauchwassererwärmung und der andere Wärmetauscher zu Heizzwecken genutzt werden.

Am oberen Rand ist das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr 5 mit schwimmergeregelten Einströmschlitzen 11 versehen. Diese arbeiten analog dem in der Fig. 4 im Zusammenhang mit dem Ansaugbehälter beschriebenen Wirkprinzip. Am unteren Rand befinden sich im Wärmetauscherrohr 5 Durchlaßöffnungen 12 und im Boden jedes dieser Wärmetauscherrohre 5 ist ein Fallrohr 9 angeordnet, welches wiederum erfindungsgemäß gelocht ist und durch den Behälterboden des Schnellaufheizbehälters 2 bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters 1 ragt.

Über die schwimmergeregelten Einströmschlitze 11 wird erfindungsgemäß stets die wärmste Wasserschicht beruhigt aus dem Schnellaufheizbehälter 2 abgezogen und in das Wärmetauscherrohr eingeleitet. Dort übertragen die im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr 5 angeordneten Wärmetauscher 10 die Wärmeenergie beispielsweise an das den Wärmetauscher 10 durchströmende Brauchwasser.

Diese spezielle erfindungsgemäße Anordnung des Wärmetauschers 10 in einem Wärmetauscherrohr 5 bewirkt, daß die erfindungsgemäß im Schnellaufheizbehälter aufgebaute Wärmeschichtung nicht durch eine, ohne das erfindungsgemäße Wärmetauscherrohr zwangsläufig sonst im Schnellaufheizbehälter 2 eintretende, laminare Strömung zerstört wird.

Das im erfindungsgemäßen Wärmetauscherrohr 5 abgekühlte Wasser kann nun entweder aus den Durchlaßöffnungen 12 des Wärmetauscherrohres in den Schnellaufheizbehälter 2 eintreten, oder kann durch die erfindungsgemäße Anordnung des Fallrohres 9 sofort auf sein temperaturbedingtes Wärmeniveau im großen Speicherbehälter absinken. Dadurch wird gewährleistet, daß bei sehr stark vom Wärmetauscher 10 abgekühlten Wasser (Einsatz einer Wärmepumpe) dieses den Wärmetauscher nicht "verstopft", sondern durch die erfindungsgemäßen mit Rohransatzstücken versehenen Bohrungen des Fallrohres 9 in die zugeordnete Schichtung im Speicher 1 eintreten kann.

Im Bereich der Wasseroberfläche des großen Speicherbehälters, wie auch am Behälterboden des Schnellaufheizbehälters sind wie in der Fig. 2 dargestellt, jeweils ein Thermosensor 16 angeordnet. Somit ist es möglich ständig die Temperaturdifferenz zwischen diesen beiden vorgenannten Meßstellen zu erfassen und im Bedarfsfall warmes Oberflächenwasser aus dem großen Speicherbehälter 1 in den Schnellaufheizbehälter 2 mittels einer Pumpe 17 einzuschichten.

Dafür ist im Bereich der Wasseroberfläche des großen Speicherbehälters 1 ein schwimmergeregelter Ansaugbehälter 8 mit einem Ansaugrohr 15 angeordnet.

Dieser dient, wie im Zusammenhang mit der Darstellung des Aufbaus des Ansaugbehälter in Fig. 4 beschrieben, dem "wasserberuhigten" Abziehen der wärmsten Schicht des großen Speicherbehälters 1.

Das in diesem Ansaugbehälter 8 angeordnete Ansaugrohr 15 ist erfindungsgemäß über eine Pumpe 17, welche in Abhängigkeit von der mittels der Thermosensoren 16 erfaßten Temperaturdifferenz in Betrieb gesetzt wird, mit einem oder mehreren im Schnellaufheizbehälter 2 angeordneten, wiederum am oberen Ende (dem Wassereintritt) mit einem Beruhigungsstück 14 versehenen und bis zum Behälterboden des Schnellaufheizbehälters 2 reichenden, erfindungsgemäß gelochten Sinkrohr 7 verbunden. Dieses Sinkrohr 7 gewährleistet nun auf Grund der an den Bohrungen angeordneten erfindungsgemäßen Rohransatzstücken eine exakte Einleitung des wärmsten Wassers aus dem großen Speicherbehälter 1 in die diesem zugehörige "Wärmeschicht" des Schnellaufheizbehälters 2.

Wie bereits erwähnt, ist die "beruhigte" Wassereinleitung in den Speicherbehälter von ausschlaggebender Bedeutung für das Funktionieren des erfindungsgemäßen Warmwasserschichtspeichers.

Nun soll an Hand von Fig. 3 der Aufbau eines solchen gemäß Fig. 2 am Leitrohr 3 wie auch am Sinkrohr 7 angeordneten erfindungsgemäßen Beruhigungsstückes 14 näher erläutert werden. Das in der Fig. 3 mit dem umgebenden Speicherwasser dargestellte Beruhigungsstück besteht aus einem unterhalb der Wasseroberfläche angeordnetem Mantelrohr 22 in dem ein, das Mantelrohr überragendes und gleichzeitig zumindest teilweise in das Mantelrohr hineinragendes, Auffangrohr 19 mit einer gelochten Bodenplatte 23 angeordnet ist, in dem sich oben ein Eintrittsrohr 18 befindet. Im Auffangrohr 19 ist ein von der gelochten Bodenplatte 23 beabstandeter Auffangzylinder 20 angeordnet.

Das aus einer beliebigen Wärmequelle kommende Warmwasser fällt im freien Einlauf mit 0,1 ltr./min. bis 100 ltr./min. über das Eintrittsrohr 18 in den teilweise oberhalb des Wasserspiegels angeordneten Auffangzylinder 20. Aus diesem Auffangzylinder 20 läuft nun das Wasser über einen zwischen Auffangzylinder 20 und Auffangrohr 19 angeordneten Ringspalt 21 auf die mit Durchgangsbohrungen versehene Bodenplatte 23. Unterhalb der gelochten Bodenplatte 23 des Auffangrohres 19 befindet sich ein Kesselinnenrohr 24 welches in einen zentrisch im Mantelrohr angeordneten Kessel 25 mündet. Das durch die Durchgangsbohrungen der Bodenplatte 23 hindurch tretende Wasser sinkt nun in den Kessel 25 und muß im Ringspalt zwischen innerer Kesselwandung und Kesselinnenrohr 24 wieder fast bis auf das Niveau der Bodenplatte 23 aufsteigen, bis es über einen dort angeordneten Überlauf 26 in den Ringspalt zwischen äußerer Kesselwandung und Mantelrohr 22 eintreten kann.

Unterhalb des Kessels ist ein Anschlußrohr 29 angeordnet, welches den vom Kesselboden deutlich beabstandeten unteren Abschlußring 28 des Mantelrohres 22 nach unten überragt. In unmittelbarer Nähe des Kesselbodens sind im Anschlußrohr 29 Einlauföffnungen 27 angeordnet, durch die das in den Behälter einzuleitende Wasser in das Innere des Anschlußrohres 29 eindringt. Da sich dieser beschriebene Weg des Wassers ab dem "Überlaufen" des Auffangzylinders 20 unterhalb des Wasserspiegels im Schnellaufheizbehälter 2 vollzieht, handelt es sich dabei um einen reinen Verdrängungsprozeß bei dem dem Wasser vollständig die einleitungsbedingte Strömungsenergie entzogen wird.

Daher tritt nun das Wasser vollständig beruhigt in das zugeordnete Leitrohr 3 beziehungsweise Sinkrohr 7 ein und sinkt ab hier ausschließlich auf Grund seiner temperaturbedingten Dichte auf das entsprechende Temperaturniveau im Speicher ab.

Da sich der Wasserspiegel in den Behältern nicht nur einleitungsbedingt sondern auch temperaturbedingt ständig verändert, ist ein exakter "Einzug" der jeweils wärmstem Temperaturschicht sowohl in den Ansaugbehälter 8 wie auch in die Wärmetauscherrohre für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Lösung von wesentlicher Bedeutung.

In der Fig. 4 ist nun ein solcher schwimmergeregelter Ansaugbehälter 8 (diese Schwimmerregelung betrifft in analoger Bauweise auch den Wassereintritt in die Wärmetauscherrohre) im Schnitt dargestellt.

Dabei ist in der Behälterwandung des schwimmergeregelten Ansaugbehälter 8 ein Einströmschlitz angeordnet der durch eine zugeordnete in ihrer Wölbung der Behälterwand angepaßte, zugeordnete Verschlußklappe 30 abgedeckt wird, in der sich ein geneigt in den Innenraum des Ansaugbehälters 8 hineinragendes Einströmrohr 31 befindet. Der Schwimmer 32 ist sowohl mit der Verschlußklappe 30 wie auch mit dem Einströmrohr 31 starr verbunden.

Diese erfindungsgemäße Anordnung bewirkt, daß sich durch den Schwimmer 32 die "Abzugshöhe" im Behälter stets dem jeweiligen Wasserstand anpaßt. Die außen am Behälter verschiebbar angeordneten, auch den Einströmschlitzrand überdeckenden Verschlußklappen 30 dichten den Einströmschlitz gegen die tiefer gelegenen Temperaturschichten ab.

Dabei ist es ein wesentliches Merkmal der schwimmergeregelten Absaugvorrichtung, daß die Eintrittsöffnung des Einströmrohres 31 gegenüber der Wasseroberfläche um ca. 30° geneigt ist, wobei die Tragkraft des Schwimmers 32 so bemessen ist, daß die behälternahe höchste Kante des Einströmrohres 31, wie in der Fig. 4 dargestellt, gerade die Wasseroberfläche durchdringt.

Dadurch wird von der behälternahen höchsten Kante des Einströmrohres 31 die Oberflächenspannung der abzusaugenden Wasserfläche gebrochen, so daß die abzuziehende Wasserschicht in die nach unten gegenüber der Wasseroberfläche um ca. 30° geneigt angeordnete Eintrittsöffnung des Einströmrohres "wirbelfrei" einströmen kann.

Darüber hinaus ist das untere Ende des im Ansaugbehälter 8 angeordneten Saugrohres 15, gegenüber dem Boden des Ansaugbehälters 8 um ca. 30° geneigt.

Dies bewirkt ein definiertes Ansaugen des im Ansaugbehälter 8 befindlichen Wassers bei minimalem Strömungswiderstand.

Mittels der Gesamtheit der vorgestellten erfindungsgemäßen Lösung ist es gelungen einen drucklosen Warmwasserschichtspeicher bereitzustellen, welcher sich durch einen einfachen mechanischen Aufbau, eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine sicherere Schichtspeicherung sowohl beim Beladen mit Warmwasser wie auch bei der Warmwasserentnahme auszeichnet, und welcher darüber hinaus unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Speichers parallel zum Beladevorgang den Abzug von beispielsweise heißem Brauchwasser aus dem Speicher ermöglicht, wobei mittels der erfindungsgemäßen Lösung vom Wärmeangebot im Speicher abhängig, unterschiedliche exakt geschichtete Temperaturzonen wie einerseits eine Hochtemperaturzone im Schnellaufheizbehälter, eine Niedertemperaturzone im Bereich des großen Speicherbehälters um die Schnellaufheizzone herum und eine Tieftemperaturzone im großen Speicherbehälter unterhalb der Bodenebene des Schnellaufheizbehälters aufgebaut und optimal mit höchstem Wirkungsgrad nutzbar gemacht werden.

Bezugszeichenliste

1

Speicherbehälter

2

Schnellaufheizbehälter

3

Leitrohr

4

Wasserentnahmerohr

5

Wärmetauscherrohr

6

Steigrohr

7

Sinkrohr

8

Ansaugbehälter

9

Fallrohr

10

Wärmetauscher

11

Einströmschlitz

12

Durchlaßöffnungen

13

Ansaugglocke

14

Beruhigungsstück

15

Ansaugrohr

16

Thermosensor

17

Pumpe

18

Eintrittsrohr

19

Auffangrohr

20

Auffangzylinder

21

Ringspalt

22

Mantelrohr

23

Bodenplatte

24

Kesselinnenrohr

25

Kessel

26

Überlauf

27

Einlauföffnungen

28

Anschlußring

29

Anschlußrohr

30

Verschlußklappe

31

Einströmrohr

32

Schwimmer

Claims (8)

1. Warmwasserschichtspeicher zur Speicherung von Wärme beziehungsweise Abwärme in einem drucklosen Speicherbehälter, dadurch gekennzeichnet, daß in diesem Speicherbehälter beispielsweise schwimmend mindestens ein zweiter kleinerer Schnellaufheizbehälter angeordnet ist, durch dessen Behälterboden ein am oberen Einlaß mit einem Beruhigungsstück versehenes gelochtes Leitrohr bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters ragt, sich am Boden des großen Speicherbehälters eine Ansaugglocke mit einem Wasserentnahmerohr befindet und in den Seitenwänden des Schnellaufheizbehälters, in unmittelbarer Nähe des Behälterbodens des Schnellaufheizbehälters, ein oder mehrere gelochte Steigrohre angeordnet sind, die in den den Schnellaufheizbehälter umgebenden großen Speicherbehälter hineinragen und sich im Schnellaufheizbehälter ein oder mehrere Wärmetauscherrohre mit jeweils einem darin angeordnetem Wärmetauscher befinden, wobei im Boden jedes dieser Wärmetauscherrohre ein gelochtes Fallrohr angeordnet ist, welches durch den Behälterboden des Schnellaufheizbehälters bis zum Behälterboden des großen Speicherbehälters ragt, und im Bereich der Wasseroberfläche des großen Speicherbehälters wie auch am Behälterboden des Schnellaufheizbehälters jeweils mindestens ein Thermosensor angeordnet ist, wobei darüber hinaus im Bereich der Wasseroberfläche ein (oder mehrere) schwimmergeregelte Ansaugbehälter mit jeweils einem Ansaugrohr angeordnet sind und dieses Ansaugrohr über eine Pumpe mit einem oder mehreren im Schnellaufheizbehälter angeordneten, wiederum am oberen Ende (dem Wassereintritt) mit einem Beruhigungsstück versehenen, und bis zum Behälterboden des Schnellaufheizbehälters reichenden, gelochten Sinkrohr verbunden ist, dabei sind das Leitrohr, das Steigrohr, das Fallrohr und das Sinkrohr in radialer Richtung mit jeweils vorzugsweise um 90° versetzt und zueinander um etwa den Lochdurchmesser beabstandet angeordneten Wasseraustrittsbohrungen versehen an denen vom Rohr weggerichtet kurze dem jeweiligen Bohrungsdurchmesser entsprechende Rohransatzstücke angeordnet sind, dabei besteht das am Leitrohr und am Sinkrohr angeordnete Beruhigungsstück aus einem unterhalb der Wasseroberfläche angeordnetem Mantelrohr in dem ein das Mantelrohr überragendes und gleichzeitig zumindest teilweise in das Mantelrohr hineinragendes Auffangrohr mit einer gelochten Bodenplatte angeordnet ist, in welchem sich oben ein Eintrittsrohr befindet, im Auffangrohr ist ein von der gelochten Bodenplatte beabstandeter Auffangzylinder angeordnet, unterhalb der gelochten Bodenplatte befindet sich ein Kesselrohr welches in einen zentrisch im Mantelrohr angeordneten Kessel mündet, unterhalb des Kessels ist das Anschlußrohr angeordnet, welches den vom Kesselboden deutlich beabstandeten unteren Abschlußring des Mantelrohres überragt, dabei sind in unmittelbarer Nähe des Kesselbodens im Anschlußrohr Einlauföffnungen angeordnet.

2. Warmwasserschichtspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Ansaugglocke ein wärmeisoliertes Wasserentnahmerohr angeordnet ist.

3. Warmwasserschichtspeicher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwandung und der Behälterboden des Schnellaufheizbehälters beidseitig wärmeisoliert sind.

4. Warmwasserschichtspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetauscherrohr am oberen Rand mit schwimmergeregelten Einströmschlitzen und am unteren Rand mit Durchlaßöffnungen versehen ist.

5. Warmwasserschichtspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälterwandung des großen Speicherbehälters insbesondere auch an der Innenseite wärmeisoliert ist.

6. Warmwasserschichtspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das untere Ende des im Ansaugbehälter angeordneten Saugrohres, gegenüber dem Boden des Ansaugbehälters, geneigt ausgebildet ist.

7. Warmwasserschichtspeicher nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Ansaugbehälter und an den Wärmetauscherrohren schwimmergeregelte Einströmschlitze angeordnet sind, wobei sich an der den/die Einströmschlitz/e umgebenden Behälteraußenwand sich diesem/n Einströmschlitz/en zugeordnete Verschlußklappe/n befinden, in/an denen jeweils ein geneigt in den zugeordneten Behälterinnenraum hineinragendes Einströmrohr angeordnet ist, wobei an der Verschlußklappe und/oder am Einströmrohr ein Schwimmer angeordnet ist.

8. Warmwasserschichtspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung des Einströmrohres gegenüber der Wasseroberfläche geneigt angeordnet ist und der Schwimmer so bemessen ist, daß die behälternahe höchste Kante des Einströmrohres gerade die Wasseroberfläche durchdringt.