DE2517080C3 - Erhitzungssystem mit einem Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr an einen Wärmeverbraucher, mit einem geschlossenen Raum, in dem ein oder mehrere geschlossene Behälter angeordnet sind, die ein mit Hilfe mindestens einer primären Wärmequelle erhit/bares wärmespeicherndes Material enthalten, das als sekundäre Wärmequelle über eine oder mehrere wärmedurchlässige Behälterwände mit einem im geschlossenen Raum befindlichen Wärmetransportmedium Wärme austauschen kann, oias durch einen Verdampfungskondensationskreislauf Wärme von den den Behältern auf den Wärmeverbraucher überträgt.

Erhitzungssystem der angedeuteten Art sind aus der offengelegten DE-OS 20 50 198 und der DE-OS 22 49 741 bekannt.

Das wärmespeichernde Material kann ein Stoff sein, der in jedem Betriebszustand in der festen Phase bleibt (z. B. AI₂Oj; BeO; TiO; MgO₂; SiO₂), so daß nur fühlbare Wärme gespeichert wird, oder ein Stoff, bei dem die Wärmespeicherung zum größten Teil durch die Verwendung des Übergangs von der festen zur flüssigen Phase (Schmelzwärme) erhalten wird. Beispiele letztgenannter Stoffe sind: LiF; CaF₂; SrF₂; NaCl und andere Metallsalze oder ihre Mischungen.

Sind mehrere Behälter für das wärmespeichernde Material vorgesehen, können sie gegenseitig unabhängig angeordnet oder gegenseitig in Serien oder Parallelschaltung mit einer oder mehreren gemeinsamen Füll- und/oder Abfiihrleiiungen verbunden sen:.

l);i das Erhitzungssystom in einem großen Tempcia turbcrt'ich betrieben wird (von <!cr Raumtemperatur /u Temperaturen über I ^r>0() f ), tonnen die Behälter nicht sank? L'efuHi u· τ-,Ι,τ, ._A,,.j| ,pH ·1ι:ιτι bei ansteigender Temperatur wachsenden Volumen des wärmespeichernden Materials gerechnet werden muß.

Die Volumenvergrößerung schmelzender wärmespeichernder Metallsalze liegt, wenn von der Raum- zur Betriebstemperatur gegangen wird, im allgemeinen in der Größenordnung von 20 bis 30%.

In der Praxis wird dies meistens durch dnen geeignet gewählten Füllgrad des Behälters berücksichtigt, obgleich auch andere Lösungen möglich sind, z. B. die Verwendung eines Überlaufbehälters für flüssiges Metallsalz.

Bei den bekannten Erhitzungssystemen taucht folgendes Problem auf.

Damit der Verdampfungskondensationsvorgang des Wärmetransportmittels im geschlossenen Raum einen guten Verlauf haben kann, wird dieser Raum normalerweise evakuiert. Bei Raumtemperatur herrscht dann nahezu ein Vakuum im geschlossenen Raum.

)e nachdem die Betriebstemperatur des Systems ansteigt, wird der Dampfdruck des Wärmetransportmittels im geschlossenen Raum schnell größer. Dies bedeutet, daß die Behälterwände an der Außenseite stark wechselnden Drücken ausgesetzt sind, wobei der größte Druck bei der höchsten Betriebstemperatur auftritt.

In den teilweise gefüllten Behältern herrscht jedoch meist ein sehr niedriger Druck, weil die Behälter nach dem Anbringen des wärmespeichernden Materials und vor dem Abschließen meistens auch evakuiert werden, namentlich um zu vermeiden, daß Oxydierung des wärmespeichernden Materials durch in der Luft vorhandenen Sauerstoff auftritt.

Bei steigender Temperatur des wärmespeichernden Material bleibt der Druck in den Behältern konstant niedrig. Nicht nur für feste wärmespeichernde Stoffe ist dies der Fall, sondern auch für Stoffe, die beim Erhitzen die flüssige Phase annehmen. Dies kommt daher, weil die Dampfdrücke der gängiger wärmespeichernden Metallsalze in flüssiger Form bei den auftretenden Tempcraturpegeln äußerst niedrig sind (unter 1 Torr ( = 1 mm Quecksilbersäule).

Das Ergebnis davon ist, daß die Behälterwände stark wechselnden und großen mechanischen Belastungen durch den variablen Druckunterschied zwischen einerseits dem variablen Wärmetransportmediumdruck im geschlossenen Raum und andererseits dem nahezu konstanten, äußerst niedrigen Druck im Behälter ausgesetzt werden.

Deswegen müssen die Behälterwände dick ausgeführt sein. Sie müssen ja die bei höchsten Betriebstemperaturen auftretenden größten Druckunterschicdc auffangen. Dicke Behälterwände besitzen jedoch einen großen Wärmewiderstand und verursachen, daß die Vorrichtung schwer ausgeführt ist.

Es ist die Aufgabe der F.rfindung. ein nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I Erhitzungssystem so auszubilden, daß die ßchällcrwändc dünner ausgeführt werden können.

Zur Verwirklichung der gestellten Aufgabe ist das Erhit/.ungssystem nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Behälter gleichfalls verdampfbares Wärmetransportmedium zum wenigstens ungefährer, Angleichen des Druckes in den Behältern bei jeder auftretenden Temperatur an den externen Druck im geschlossenen Raum vorhanden is!.

An beiden Seilen der llehällerwände herrscht in ledern Betriebszustand nahezu die gleiche Temperatur. Weil le'/t (ileichfalK i-ine Wärmetransporlmediummeii-

ge den Behältern zugeführt worden ist, ist der Dampfdruck an beiden Seiten der Behälterwände bei jeder Temperatur gleichfalls nahezu gleich. Die Behälterwände können dünne Wände mit niedrigen Wärmewiderstandswerlen sein, was einerseits das System unschwerer und billiger macht und zum anderen eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem wärmespeichernden Material in den Behältern und dem Wärmetransportmittel außerhalb der Behälter im geschlossenen Raum bewirkt.

Dies ist ohne die Anwendung spezieller Hilfsgeräte (z. B. eine auf den Druck im geschlossenen Raum ansprechende Druckregelanordnung), erreicht.

Unter Umständen kann es geschehen, daß das dem Behälter zugefügte WärmetraP-sportmedium dazu neigt, mit dem wärmespeichernden Material eine chemische Reakton einzugehen, wodurch die gute Wirkung des Systems gestört werden könnte.

Um eine derartige Möglichkeil zu eliminieren, ist eine vorteilhafte Ausfüh.rungsform des erfindungsgemnßen Erhitzungssystems dadurch gekennzeich· el, daß in jedem der Behälter zwischen dem wärmespeichernden Material und dem verdampfbaren Wärmetransportmedium eine geschmeidige, bewegliche Trennwand vorgesehen ist.

Die Trennwand kann beispielsweise eine Metallfolie sein, beispielsweise vom gleichen Material wie das, aus dem die Behälterwände hergestellt sind.

Vorteilhaft ist das F.rhitziingssystem an eine Heißgaskolbenmaschine, wie einen Heißgasmotor und eine Heiügasturbine, mit einem Arbeitsmedium, das in einen geschlossenen Arbeitsraum einen thermodynamischen Kreislauf ausführt und welchen Arbeitsmedium von außen her Wärme zugeführt wird, angeschlossen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen und nicht maßstabgerechten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Erhit/.ungssystem im Längsschnitt, bei dem über den wärmespeichernden Material im Behälter etwas Wärmetransportmedium vorhanden ist,

F i g. 2 ein Erhitzungssystem im Längsschnitt, bei dem das Wärmetransportmedium und das warmespeicherndc Material im Behälter durch eine geschmeidige, bewegliche Trennwand voneinander getrennt sind, und

Fig. 3 einen Längsschnitt durc.t einen Heißgaskolbenmotor mit einem Erhitzungssystem, das mit drei Behältern für wärmespnichernde Material ausgerüstet ist.

In F i g. 1 ist mit der 3ezugsziffer 1 ein geschlossenes Rohr bezeichnet, das einen geschlossenen Raum 2 begrenzt, in dem ein geschlossener Behälter } angeordnet ist, der zum größten Teil mit einem wärmespeichernden Material 4, /.. H., mit einer Mischung aus Metallsalze NaF und MgF₂, gefüllt ist. Wärme kann dieser schmelzbaren Salzmischung mit Hilfe der im vorliegenden Falle sericngeschaltetcn elektrischen Heizelemente 5 und 6 mit durch die Wand des Rohres I hindurchgeführien elektrischen Zuleitungsdrähtcn 7 und 8 zugeführt werden.

Der Behälter 3 besitzt würmcdurchlässigc Wände in. ib und ic, über die das wärmespeichernde Material mit einem Wärmetransportmedium 9, z. Ii. Natrium, im fesi hlossenen Raum 2 Wärme austauschen kann. Die Innenwände des Rohres I und die Außenseiten der IJchaliiTwände 3;/, 3/> und 3c sind mit einer Kapillar struktur 10 verkleidet,<;ie /.. B. durch eine oiler mehrere MiMallga/eschichtcn gebildet wird. Das Rohr 1 isl weiter mit einer wärmedurchlassigen Wand 11 versehen, durch die einem nicht dargestellten Wärmeverbraucher Wärme abgegeben werden kann. Das Ronr 1 ist im übrigen in bezug auf die Umgebung mit Hilfe einer wärmeisolierenden Materialschicht 12 wärmeisoliert.

Im Betrieb, wenn das wärmespeichernde Material 4 durch die Erhitzungselemente 5 und 6 als primäre Wärmequelle »aufgeladen« ist, gibt dieses Material als sekundäre Wärmequelle über die Behälterwände 3a, 3c und 3c dem Wärmetransportmedium 9 im Raum 2 Wärme ab, welches Medium infolgedessen verdampft und in der Dampfphase zur wärmedurchlässigen Wand 11 hinströmt, da an der Stelle dieser Wand eine niedrigere Temperatur und ein niedrigerer Druck herrscht. Der Wärmetransportmediumdampf schlägt unter Abgabe von Wärme auf der Wand 11 nieder. Das Kondensat wird darauf durch di*; Kapillarstruktur 10 hindurch, unter der Einwirkung von Kapillarkräften unter der Ausnutzung der Oberflächenspannung des Kondensats, zum Behälter 3 r'>cktransportiert, an welcher Stelle es sich über die kaoillarstruktur auf die ganze Oberfläche der Wände 3a, 3b und 3c verteilt. Auf diese Weise ist eine vollständige und gleichmäßige Benetzung der Behälterwände gewährleistet.

Am Anfang des Wärmetransports zur Wand 11, wenn das wärmespeichernde Material 4 im Behälter 3 und das Wärmetransportmedium 9 im Raum 2 beide ihre höchste und nahezu gleiche Temperatur haben, ist auch der Dampfdruck im Raum 2 am höchsten. Der Dampfdruck der Mischung von Metallsalzen im Behälter liegt dabei jedoch immer noch unter 1 Torr. Um jetzt dafür zu sorgen, daß bei jeder Temperatur die Drücke an beiden Seiten der Behalterwände 3a, 3b und 3c" gleich bzw. nahezu gleich sind, ist dem Behälter 3 gleichfalls eine Menge verdampfbaren Wärmetransportmediums, das mit der Bezugsziffer 9' bezeichnet ist, hinzugefügt. Dieses Wärmetransportmedium 9' liefert bei jedem Temperaturniveau des Behälters 3 und des Raumes 2 einen Dampfdruck, der gleich dem bei diesem Temperaturpegel auftretenden Dampfdruck des Wärr-ietransportmediums 9 ist. Durch den vernachlässigbaren partiellen Dampfdruck des wärmespeichernden Materials 4 bedeutet dies, daß in jedem Betriebszustand nahezu gleiche Betriebsdrücke an beiden Seiten der Behälterwände 3a, Zb und 3c herrschen. Die erwähnten Wände werden also konstant niedrig belastet (nur das Gewicht des wärmespeichernden Materials spielt eine Rolle), so daß die Bchälterwände dünn ausgeführt sind und niedrige Wärmewiderstiinde im Wärmeaustauschverfahren bilden.

Das Erhitzungbsystem nach F i g. 2 enthält ein Rohr 20 mit wärmedurchlässiger Wand 21 und wärmeisolierender Schicht 22. Im Rohr 20 ist ein Behälter 23 mit wärmedurchlässigen Wänden 23a, 23b und 23c angeordnet, die mit Hilfe einer Kapillarstniktur 2Λ mit Rohrwand 21 in Verbindung stehen. Der Raum 25 im Rohr 20 enthält wieder eine Menge verdampfbaren Wärmetransportmediums 26, in diesem Falle Kalzium. Im Behälter 23 befindet sich als primäre Wärmequelle Frhit/ungselement 27. das in wärmespeicherndem Material 28, in diesem Falle NaF-", angeordnet ist, das von einer Menge verdampfbaren Kalzium·; 2·) durch eine dünne Metallwand 30 getrennt ist, die an ihrem Umfang an der Innenwand des Behälters 23 befestigt, jedoch derart geschmeidig ausgeführt ist, daß dem Schrumpfen und Ausdehnen des NaF vollständig gefolgt werden kann und auf diese Weise herrscht an beiden Seiten der Trennwand 30 immer der gleiche Druck. Die Trennwand sorgt dafür, daß das Kalzium nicht mit dem

Nalriiimfluorid unter Bildung von Kiil/.iiimfluorid und freiem Natrium reagiert.

Die Wirkungsweise des Systems ist gleich der. wie beschrieben für I·' i g. 1.

Fig.-) /cig! eine Kombination eines MciUgiismotors und eines Erhitzungssystems.

Rohr 40 begrenzt einen geschlossenen Kaum 41, in dem einerseits drei Behälter 42, 43 und 44 und /um anderen die Hrhitzerrohre 45 eines HciUgasmolors 4β angeordnet sind.

Die Wände des Rohres 40 sind an der Innenseite und die wärmcdurchlässigcn Wände der Behaltet 42, 4 J und 44 an der Außenseite mit Kapillarstruktur 47 verkleidet. In den Behältern befindet sich wärmespeichernde'. Material 48, und darüber etwas verdampfbares Wärmetransportmcdium 49, das der gleichen Art wie das Wärmetransportmedium ist, das sich im Raum 41 befindet (nicht dargestellt).

Die Behälter 42, 43 und 44 stehen miteinander in offener Verbindung und sind an eine gemeinsame l'üll- und Abpumplcilung 50 angeschlossen, die mit Hilfe eines Hahnes 51 abgeschlossen ist. Als primäri Wärmequelle arbeitet ein elektrisches lirhilziingssv stern 52. das sowohl direkt als auch über Verdampfung von Waiinetransportmediiim im Raum 41 dem wärme speichernden Material 48 Wärme zuführt. Cjibt diese' Material über die wärmedurchlässigen Bchälterwäiuk dem Wärnietransportmedium im Raum 41 Wärme ab so verdampft dieses Medium, fließt zu den Ixhit/erroh ren 45 und schlägt darauf nieder unter Abgabe vot Wärme durch die Krhilzerrohrwände und durch ehest Rohre strömendes Arbeitsmedium im Motor (/ I! Helium oder Wasserstoff). Das an den l-xhiizerrohrei gebildete Kondensat wird übe die Kapillarstriiktur 4i /Ii den Behältern 42, 4} und 44 zurückgeführt, um ;li>r erneut zu verdampfen.

Das Wäimetransportmedium 49 in den Behältern 42 4} und 44 sorgt wiederum dafür, dal! bei icdei Betriebstemperatur der Druckpegel in den Hehällen wenigstens nahe/u gleich dem Druckpegel im Raum 41 ist.

Hierzu I Watt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Erhitzungssystem für die Wärmezufuhr an einen Wärmeverbraucher, mit einem geschlossenen Raum, in dem ein oder mehrere geschlossene Behälter angeordnet sind, die ein mit Hilfe mindestens einer primären Wärmequelle erhitzbares wärmespeicherndes Material enthalten, das als sekundäre Wärmequelle über eine oder mehrere wärmedurchlässige Behälterwände mit einem im geschlossenen Raum befindlichen Wärmetransportmedium Wärme austauschen kann, das durch einen Verdampfungskondensationskreislauf Wärme von den Behältern auf den Wärmeverbraucher überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Behälter gleichfalls verdampfbares Wärmetransportmedium zum wenigstens ungefähren Angleichen des Druckes in den Behältern bei jeder auftretenden Temperatur an den «Sternen Druck im geschlossenen Raum, vorhanden ist.

2. Erhitzungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der Behälter zwischen dem wärmespeichernden Material und dem verdampfbaren Wärmetransportmedium eine geschmeidige, bewegliche Trennwand vorhanden ist.

3. Erhitzungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es an eine an sich bekannte Heißgaskolbeninaschine mit einem Arbeitsmedium in einem geschlossenen Arbeitsraum, detn von ,vißen her Wärme zugeführt werden kann, angeschlossen ist.