DE2004045C - Wärmespeicherzelle - Google Patents

Description

äußeren Schicht aus metfchjvann« ^ spiefcweise keram.sche atcW j£ _(Alk3_ü._Nitrate Material besteht, wobei «n warm^peicherndes ^ _ibetrieben ^b£fⁿⁿ* ^ die Speicher wäh-

ΙΒΡΙΒΙΙΗΙ

eekennzeichnet daß nur ein Bruchteil der »«-·. ^ · * »" ,, _Ulld Heizfläche d

ÄfSe^rtSeren Schicht (3) der ZeHe (1) j;-; - ^ ^'_{)in); s rel}^. schilt;

von den einzelnen Verdampfungskanalen (4) be- ^-'^j., l.-jggSi„

^df ^rmespeicherzeüe nach Anspruch 1 oder 2, d. ^^^ ^ÄnoberHäche vorha,

dadurch gekennzeichnet, daß das Verhaltn.s J^ ^^ 1^_n die erwähnte Temperaturd^rcn,

zwischen dem direkt und dem indirekt behe.z- Jen «st ' _Verdampfung des Wassers an d r

ten Umfangsteil der Kanalwand mit der Hohe w- '^a _Spelc|_Hr7ellen örtlich und zeitlich

veränderlich ist, wobei der direkt beheizte Teil «i 4» Juun««^ ^_{0 dabci alle} drei Verdampf-

Stramungsrichtunggroßerwird. ™^^£

^Äss:_OdSr wr

Die Erfindung betrifft eine Wärmespeicherzelle, kr^lautes w _{her verdrängt wird}. Da

die mindestens in einer äußeren Schicht aus metal- weUgehendla ^ _die ^ ^₃

fisch wärmeleitendem Material besteht wobei en J^fi^,^ und daher lelaüv kalten Teile wärmespeicherndes Medium durch die äußere 50 ^se^^geJ_{a fungsra}umbegrenzungen. Ein Teil des

Schicht Wärme an in mindestens einem Verdarnp- der J^J^ert dort wieder, was zu Drucker-

iungsraum an der Außenseite der Schicht vorbeistKj SK^i und einem Wiederanstieg des Wasser-

mendes Wasser für dessen Verdampfung abgibt und Jiedngungen _{die geschildert}e plötzliche

wobei ferner während der Wärmeau nähme und -ab- spiegel ^ _{ffl ausgelöst} „j_rd Als Gesamtgabe der Speicherzelle die Temperaturdiftoenz zwi- 55 Verfgjg» ^g _{der geschi}iderten Ereignisse im Ver-

sehen der Temperatur der Zelle und der Verdamp- ^_^he _f ^mun _s ^e _{raum kommt} es zu starken Pende ungen

fungstemperatur des Wassers mindestens teilweise ^P^ⁿ|™_{des in dem} Speicher und damit in dem

örtUch und/oder zeitweilig über der Temperature- ^^^ΟΟβΛ. Diese Pendelungen und renz für eine Blasenverdampfung hegt die dauernden zeitlich aufeinanderfolgenden Über-

Verdampfung von in einem primären Damp -Kon- »ahnten ™o 8^ _{Amm und UI},_eeslörle

^SIS 5SiSAISiSSS vÄun« des^eWas_S„_S in der Speienerzeiie _M er-

reichen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Speicherzelle mit einer Anzahl von Wasser führenden, in Umfangsrichtung geschlossenen Verdampfungskanälen bedeckt ist und daß mindestens bei der überwiegenden Mehrzahl der Kanäle nu- ein Teil ihrer Wände in Umfangsrichtung von der äußeren Schicht der Speicherzelle gebildet und so durch die Zelle direkt beheizt ist, während in Umfangsrichtung ein anderer Teil der Kanalwände in metallisch wärmeleitender Verbindung mit der äußeren Schicht der Zelle steht und so von der Zelle indirekt beheizt ist.

Auf diese Weise gelingt es; daß alle erwähnten Verdampfungsarten entlang dem Umfang des Mantels der Kanäle gleichzeitig vorhanden sind; denn an den direkt beheizten Teilen tritt im allgemeinen eine Fünivcrdampfung auf, während in dem von der Heizfläche am weitesten entfernten Bereich des Umfangs an der Innensehe des Kanalmantels eine Blasenverdair.pfung stattfindet und in dem Zwiscnenbereich die ao Übergangszustände vorherrschen. Das gleichzeitige Vorhanuensein aller Verdampfungsarten, auch beim Ansteigen des Wasserspiegels in den heißen Bereich der Speicherz.'He hinein, wird dadurch erreicht, d^3 der äußere Wandteil in Umfangsrichtung der einzel- »5 uen Kanäle durch das im Kanal fließende Wasser so schnell abgekühlt wird, daß seine vorwiegend über die metallisch wärmeleitenden Brücken erfolgende Aufhetzung durch Wärmeleitung nicht mehr ausreicht, eine wesentlich über die Verdampfungstemperatu^r des Wassers liegende Tempera'ur in dem äußeren Bereich der Wana zu erzeugen.

Durch geeignete Auswahl des metallisch wärmeleitenden Materials für die Kanäle und der Breite der metallisch wärmeleitenden Verbindungen zwischen der äußeren Schicli· der Zelle und dem Kanal sowie durch Form und Größe der F analwand kann dabei der Anteil des Bereichs in Umfangsrichtung, in dem eine Blasenverdampfung stattfindet, gegenüber denjenigen Anteilen, in denen Filmvtrdampfung und 4c Übeigangszustände herrschen, verändert werden.

Das örtlicne und zeitliche Nebeneinander der drei Verdampfungsarter· vergleichmäßigt die Dampfproduktion sehr wesentlich, wodurch die Druckschwankungen und damn die Pendeiungen des Wasserstandes sehr stark reduziert werden. Darüber hinaus werden durch dieses Nebeneinander plötzliche Übergänge in den Verdampfungsarten vermieden und damit die zu Geräuschbelästigungen führenden Dampfschläge verhindert.

De Pendelungen des Wassers'andes lassen sich weiter verringern, wenn nur ein Bruchteil der Außenfläche der äußeren Schicht der Zelle von den einzelnen Verdampfungskanälen bedeckt ist. Der von den Verdampfungskanälen bedeckte Bruchteil der äußeren Schicht der Speicherzelle kann dabei beispielsweise unter 10 °/o, ja sogar unter 5 %, betragen. Die einzelnen Kanäle werden dabei vorteilhafterweise so auf der Außenfläche verteilt, daß eine möglichst gleichmäßige Entladung des ganzen Querschnittes der SpeicherzelL· erfolgt, wobei die Kanäle entweder nur auf einer Seite der Zelle angeordnet oder über den ganzen Umfang verteilt sein können. Die Anordnung erfolgt dabei so, daß unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeit des Speichermediums und der metallisch leitenden Außenschicht die im Querschnitt gesehene Entladungsfläche für jeden Kanal etwa gleich groß ist.

Um bei schon relativ weitgehend entladenem Speicher eine möglichst konstante Wärmeabgabe und damit Heizleistung des Speichers zu erreichen, kann das Verhältnis zwischen dem direkt und dem indirekt beheizten Umfangsteil der Kanalwand mit der Höhe veränderlich sein, wobei der direkt beheizte Teil in Strömungsrichtung größer wird.

Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 teilweise im Schnitt einen Wärmespeicher aus drei Speicherzellen in einer Seitenansicht in Richtung des Pfeiles A von Fig.2, wobei die den Speicher umgebende Isolation im Schnitt dargestellt und im oberen Teil der besseren Übersicht wegen ganz weggelassen ist,

Fig. 2 den Schnitt H-H · mFig. 1,

Fig. 3 den Schnitt IH-IH von Fig. 2,

F i j>. 4 in rein schcmatischer Darstellung an einer wie in F i g. 2 in der Ansicht gezeigten Speicherzelle verschiedene Ausführungsformen für die Verdamp-.angskanäle,

Fig. 5 bis 7 die Schnitte V-V, VI-VI und VII-VIl von F i g. 4,

F i g. 8 einen Schnitt durch eine Speicherzelle ähnlich F i g. 5 bis 7, wobei in dieser Darstellung der Wärmefluß zu den einzelnen Verdampfungskanälen bei der Entladung einer Speicherzelle skizziert ist, und

F i g. 9 und 10 zwei Beispiele für die Ausführung der metallisch wärmeleitenden Verbindung zwischen der äußeren Schicht der Speicherzelle und der in Umfangsrichtung geschlossenen Wand eines Verdampfungskanals.

Der in F i g. 1 bis 3 gezeigte Wärmespeicher einer Speicherheizungsanlage besteht aus drei gleichen, nebeneinander aufgestellten Speicherzellen 1. Jede Zelle 1 hat die Form eines relativ breiten unc hohen Quaders von geringer Tiefe. Bei einer bereits ausgeführten Zelle betragen die Abmessungen beispielsweise 1000 ·1200· 120 mm.

Die Zelle 1 ist mit einem der genannten Salze gefüllt und wird durch elektrische Heizstäbe, die in das Innere der Zelle eingebettet sind, aufgeheizt oder aufgeladen; diese elektrische Heizanordnung für die Zelle ist nicht dargestellt, da es für die Erfindung unwesentlich ist, auf welche Weise die Zellen 1 aufgeladen werden.

Das als wärmespeicherndes Material 2 benutzte Salz, das 'ich je nach der Temperatur der Zelle 1 in flüssigem oder kristallinem Zustand befindet, wird umschlossen von einer metallisch wärmeleitenden Schicht 3, die beispielsweise aus Kupfer, Aluminium, Stahl oder einem anderen geeigneten Material besteht.

An der Außenfläche dieser Schicht 3 sind Verdampfungskanäle 4 verteilt angeordnet; sie· bedecken nur einen Bruchteil von etwa 5°/o der Außenfläche der Zelle * und befinden sich in dem gezeigten Beispiel gleichmäßig verteilt an einer Breitseite der Zelle 1, wodurch sich etwa ein Wärmefluß bei der Entladung der Zelle ergibt, wie er in Fig.8 schematisch skizziert ist. Wie F i g. 3 und besonders F i g. 9 und 10 zeigen, werden die Kanäle aus Halbrohren gebildet, die auf die äußere Schicht 3 der Zelle 1 aufgeschweißt sind.

Untersuchungen haben gezeigt, daß der Bruchteil von 'J⁰Io ausreicht, um einen Speicher mit den er-

wähnten Zellen 1, die bestimmte Abmessungen, eine bestimmte Höchsttemperatur und ein bestimmtes Speichermedium besitzen, im Tag-Nacht-Rhythmus mit einer Entladeperiode von etwa 10 bis 12 Stunden gleichmäßig zu entladen. Der angegebene Bruchteil 5 kann selbstverständlich stark nach oben und unten variieren, wenn eine oder mehrere der vorgegebenen Größen und/oder die Entladezeit verändert werden. Das angegebene Zahlenbeispiel ist daher nur für einen bestimmten Fall als gültig zu betrachten; es stellt jedoch keine Beschränkung der Erfindung dar. Entlang dem Umfang der Kanalbegrenzungen ergeben sich durch die Anordnung und Ausbildung sowie durch die Befestigung der Kanäle 4 an der Schicht 3 an der Innenfläche der Begrenzungen in Umfangsrichtung Bereiche unterschiedlicher Temperatur. Der Bereich a (F i g. 9 und 10) wird durch die Schicht 3 direkt beheizt, so daß dort, zumindest überwiegend, eine Filmverdampfung erfolgt. Wie bereits geschildert, besitzt der Bereich b durch Wärmeab- ao gäbe an das Wasser eine erheblich niedrigere Temperatur, da er nur durch Wärmeleitung über die metallischen, mit Schweißmaterial gefüllten Wärmebrükken c beheizt ist. In diesem Bereich liegt vor allem Blasenverdampfung vor. In den Zwischenbereichen d as werden die erwähnten Übergangszustände der Verdampfung vorherrschen. Durch mehr oder minder große Breiten der Brücken c sowie die Auswahl der Wärmeleitfähigkeiten der für die Schicht 3 und die Kanalbegrenzungen gewählten Materialien kann dabei die Ausdehnung der einzelnen Bereiche b und d verändert werden, wie ein Vergleich zwischen F i g. 9 und 10 schematisch verdeutlicht; selbstverständlich schwanken selbst bei gegebenen Materialien und Wärmebrücken c diese Bereiche in ihrer Ausdehnung in Umfangsrichtung örtlich und zeitlich erheblich.

Die Form der Verdampfungskanäle 4 ist nicht auf die in Fig. 3, 8, 9 und 10 gezeigten Halbrohre beschränkt. In Fig. 4 und 7 sind dafür verschiedene Ausführungsbeispiele an einer einzigen Speicherzelle dargestellt. Der Kanal 4 zeigt wiederum die Form eines Halbrohres; der Kanal S besitzt einen dreieckigen Querschnitt, während der Kanal 6 als Flossenrohr ausgebildet ist. Die Kanäle 7 und 8 zeigen einen rechteckigen Querschnitt, wobei der Kanal 8 in Strömungsrichtung konisch verläuft, wodurch das Verhältnis des direkt beheizten Teiles zu dem indirekt beheizten Teil des Kanalumfangs in der Weise verändert wird, daß der direkt beheizte Teil in Strömungsrichtung größer wird.

F i g. 4 bis 7 zeigen weiterhin, daß die Verdampfungskanäle 4 bis 8 nicht unbedingt nur an einer Seite des Umfanges der Zelle 1 angeordnet sein müssen, sondern über den Umfang verteilt sein können. Selbstverständlich wird man an einer Speicherzelle vorwiegend nur eine der gezeigten oder weitere Kanalformen verwenden. Die verschiedenen Beispiele sind in den Fig.4 bis 7 nur der Einfachheit halber an einer einzigen Zelle dargestellt.

Die Verdampfungskanäle 4 werden über eine Leitung 9 (F i g. 1 bis 3), die in einen Dampfabscheider 15 mündet, aus einem nicht dargestellten Expansions- oder Vorratsgefäß mit Wasser versorgt, das aus dem Dampfabscheider 15 über Verteilrohre 10 und 11 den Kanälen 4 zuströmt. Zwischen den Kanälen 4 und den Verteilrohren 11 befinden sich kurze rohrförmige Verbindungsstücke 12.

Der Dampfabscheider 15 dient dazu, besonders zu Beginn der Entladung, bei Pendelungen des Wasserstandes, die sich nicht vollständig unterdrücken lassen, unter Umständen aus den Zellen 1 durch die Rohre 10 und 11 nach rückwärts austretenden Dampf durch eine Kondensatrückführleitung 14 dem Dampfverbraucher der Anlage, im allgemeinen einem nicht dargestellten Kondensator, zuzuführen.

Am oberen Ende jeder Zelle 1 sind an die Kanäle 4 Rohtstücke 13 in gleicher Weise angeschweißt, wie die Verbindungsstücke 12 am unteren Ende die Kanäle 4 mit den Verteilrohren 11 verbinden; den Übergang zwischen einem Kanal 4 bis 8 und einem Rohrstück 13 verdeutlicht schematisch Fi g. 7.

Die Rohrstücke 13, die der Wegführung des erzeugten und überhitzten Dampfes dienen, münden in Dampfsammelleitungen 16 derart ein, daß sich unter Umständen in diesen Leitungen bildendes Kondensat nicht in die Kanäle 4 zurückfließen kann. Die Dampfsammelleitung 16 jeder Zelle 1 endet in einer weiteren Sammelleitung 17, die zu einem nur schematisch angedeuteten Dampfkühler 18 führt; von diesem aus strömt der Dampf einem nicht dargestellten Verbrauchei, beispielsweise einem Kondensator, zu.

Die Leitungen 16 und 17 sind geneigt angeordnet, um eine gewisse Abkühlung des Dampfes vor seinem Eintritt in den Dampfkühler 18 zu erreichen und einen schnellen Abfluß vor. ir. den Leitungen entstehendem Kondensat zu gewährleisten.

Der Dampfkühler 18, durch den der dem Verbraucher zuströmende Dampf und das in den — den Wärmespeicher enthaltenden—primären Dampf-Konderisatkreislauf zurückströmende Kondensat im Gegenstrom geführt sind, dient dazu, den den Wärmespeicher mindestens teilweise in überhitztem Zustand verlassenden Dampf in den Sattdampfzustand überzuführen, ehe er dem Verbraucher zufließt. Auf diese Weise können beispielsweise in einem an den primären Kreislauf angeschlossenen sekundären Wasserheizungsnetz, das von dem Dampf in dem erwähnten Kondensator beheizt wird, Verdanipfungserscheinungen verhindert werden, die zu Dampfschlägen und unerwünschten Geräuschen führen.

Über die Leitungen 14 wird das den Kühler 18 durchströmende Kondensat in den Dampfabscheider 15 und damit auf die Wasserseite des primären Dampf-Kondensatkreislaufes zurückgeführt.

Die Speicherzellen 1 und das an sie beidseitig anschließende Wasser- bzw. Dampfleitungssystem sind vollständig in einen Wärmeisolationskörper bsw. Wärmeisolationsmaterial 19 eingebettet, um Wärmeverluste des Systems möglichst zu reduzieren. In F i g. 1 ist dabei die Isolation wegen der besseren Übersicht im Bereich der Dampfsammelleitungen l<j und 17 nicht dargestellt worden.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. So können beispielsweise über die Höhe des Speichers mehrere von separater Ileizstäben beheizte Zellen angeordnet sein, die übei die ganze Höhe des Speichers verlaufende Verdampfungskanäle 4 besitzen; mit mehreren Ubereinandei angeordneten Zellen, die getrennte Heizungen besit zen, ist es möglich, die Heizleistung des Speicher dem geforderten Wärmebedarf weitgehend anzupas sen, indem jeweils nur eine oder einige der übereinan der angeordneten Zellen, aber nicht alle, in Betriel gesetzt werden.

Weiterhin ist es möglich, bei großer geforderte Leistung nicht nur drei, sondern eine beliebige An

zahl Zellen nebeneinander aufzustellen und zu einem Speicher zu verbinden.

Auch die Form und die Abmessungen der Zellen lassen sich variieren. Ferner müssen die Verdampfungskanäle 4 nicht unbedingt senkrecht von unten nach oben verlaufen, sondern können gegen die Vertikale geneigt sein. Bildet man die Zellen beispielsweise zylindrisch aus, so ist es möglich, die Vcrdampl'ungskanälc schraubenförmig auf den Zylindermantel aufzuwickeln.

Wie schon erwähnt, ist die Anzahl, Form und Verteilung der Verdampfungskanälc an einer Zelle unter Berücksichtigung der geforderten Heizleistung und lintladezcit sowie anderer Parameter in weiten Grenzen zu verändern.

Selbstverständlich können die Dampfsammellei-Uingen 16, 17 darüber hinaus auch horizontal verlegt und einzelne Elemente, wie der Dampfabscheider 15 und/oder der Dampfkühler 18, vollständig weggelassen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 _,. ι.* »fc Heizmittel eine Dampfheizung

¹ entweder direkt ^J^densator des primären

oder dient Λ «Jjjg°^_r Aufwärmung eines üh DJKondensakregl^^^

Patentansprüche: DampJg^^^

kdren ^Wass"ⁿ*^^ihlium be-