DE2550863A1

DE2550863A1 - Verfahren zum speichern von waerme und waermespeicher zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE2550863A1
Application number: DE19752550863
Authority: DE
Inventors: Johannes Tejlgaard Dipl Jensen; Holger Dipl Ing Schioeler
Original assignee: Brueel Schioeler & Tejlgaard A
Current assignee: Brueel Schioeler & Tejlgaard A
Priority date: 1974-11-12
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1976-05-20
Also published as: DK586574A; DK136124C; DK136124B

Description

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Brüel, Schiller & Tejlgaard A/S, 4174 Jystrup (Dänemark)

Verfahren zum Speichern von Wärme und Wärmespeicher zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Speichern von Wärme in einem festen oder quasi-festen Wärmespeichermittel, wie z.B„ feuchter Erde, unter Vermittlung eines strömungsfähigen Wärmeübertragungsmittels sowie auf einen Wärmespeicher zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei Verfahren der genannten Art war es bisher notwendig, eine aufwendige Isolation zu verwenden, um einen befriedigenden Wirkungsgrad zu erzielen. Dies hat hohe Kosten ver-

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ur sacht, und in den Fällen, wo man den Erdboden zur Speicherung der Wärme benutzt, war es mühsam, die Isolation im Boden anzubringen bzw. zu vergraben. Vermutlich deshalb blieb die Benutzung des Erdbodens als Wärmespeicher bislang auf seltene Fälle beschränkt, obgleich Erde, besonders in feuchtem Zustand, eine große Wärmespeicherkapazität besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den genannten Mangel zu beseitigen, d.h. die Verwendung aufwendiger Isolationen besonders innerhalb des Wärme Speichermittels, wie vor allem des Erdbodens, zu erübrigen, ohne den Wirkungsgrad der Speicherung hierdurch empfindlich zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Wärmespeichermittel von einer möglichst zentralen und/oder wärmeisolierten Zone weg ein Temperaturgefälle geschaffen wird, indem das Wärmeübertragungsmittel bei der Wärmezufuhr zum Speichermittel mit dem gewünschten Wärmegefälle und bei der Wärmeentnahme entgegen dem Wärmegefälle durch zumindest einen Bereich des WärmeSpeichermittels hindurchgeleitet wird.

Auf diese Weise kann man einen Teil oder die ganze Isolation einsparen, da es nur notwendig ist, denjenigen Bereich nach außen hin zu isolieren, in dem die Temperatur am höchsten ist, um zu einem guten Wirkungsgrad zu gelangen. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn Erde als Wärmespeichermittel benutzt wird, da Erde ein relativ schlechtes Wärmeleitvermögen besitzt.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens kennzeichnet sich durch eine Anzahl geradliniger, am einen Ende geschlossener Wärmeübertragungsrohre, die in einem bestimmten Muster mit ihrem geschlossenen

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Ende voran in das Wärmespeichermittel, also beispielsweise den Erdboden, ragen und an ihrem Zulauf und Ablauf enthaltenden anderen Ende in der Weise miteinander gekuppelt sind, daß ein oder mehrere am einen Ende des Durchlaufs liegende Rohre in der Mitte und die am anderen Ende des Durchlaufs liegenden Rohre am Rande des Rohrmusters auftreten.

Vorzugsweise besteht das Rohrmuster aus mehreren koaxialen Rohrreihen, wobei die einzelnen Rohre auf Zylinder- oder Kegelmantellinien angeordnet und in erster Linie reihum oder radial fortschreitend miteinander verbunden sein können. Zweckmäßigerweise liegen die Verbindungen der Rohre außerhalb des Wärmespeichermittels und sind wärmeisoliert. Dabei kann die Wärmeisolation zugleich die benachbarte Grenzfläche des Wärmespeichermittels, im Beispiel des Erdbodens also die Erdoberfläche, bedecken.

Zulauf und Ablauf der Wärmeübertragungsrohre können von verschieden weit in sie hineinragenden Zu- bzw. Ableitungsrohren gebildet werden. Ein Wärmegefälle auch zu den Rohrenden hin läßt sich dann erzeugen, wenn in die Wärmeübertragungsrohre jeweils drei Zu- bzw. Ablaufrohre hineinragen, von denen eines etwa in der Längsmitte und die beiden übrigen in der Nähe der Enden eines jeden Wärmeübertragungsrohres münden. Dann nämlich kann bei der Wärmezuführung zu dem Speicher das heiße Wärmeübertragungsmittel durch das in der Mitte endende Rohr eingeführt und bei der Wärmeentnahme das in den Wärmeübertragungsrohren aufgeheizte Wärmeübertragungsmittel durch das in der Mitte endende Rohr abgezogen werden.

Mit all diesen Maßnahmen ist es möglich, von einer zentralen Zone in dem Wärmespeichermittel ausgehend, ein Wärmegefälle nach allen oder zumindest mehreren Seiten hin auszubilden, so daß die am Rande liegenden Zonen des Wärmespeichermittels selbst bei geringer oder fehlender Isolation

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keine empfindlichen Wärmeverluste eintreten lassen. Dies setzt freilich voraus, daß das Wärmespeichermittel nicht von Wasser oder dergl. durchströmt wird. Hierzu kann, im Falle der Verwendung des Erdbodens, eine wassersperrende Schicht in diesem vorgesehen werden, die den Speicher ganz oder teilweise umschließt.

Nachfolgend wird die Erfindung zusammen mit den erwähnten Ausführungsmöglichkeiten anhand der Figuren erläutert. Von diesen zeigt

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Darlegung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine idealisierte Form eines Wärmespeichers nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine erste praktisch anwendbare Ausführungsform des erfindungsgemäßen WärmeSpeichers unter Verwendung des Erdbodens als Wärmespeichermittel (Schnitt III-III in Fig. 4),

Fig. 4 einen Horizontalschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Horizontalschnitt nach der Linie V-V in Fig. 3,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen WärmeSpeichers und

Fig. 7 ein Detail aus Fig. 6.

Fig. 1 zeigt in schematischer Form einen Axialschnitt durch einen zylindrischen Wärmespeicher 1, der außen eine Isolation 2 trägt. Das Innere dieses Speichers besteht aus einem festen oder quasi-festen Wärmespeichermittel 3, durch das wendelförmig vom einen Ende zum anderen ein Wärmeübertragungsrohr 4 hindurchläuft. Das Rohr 4, das bei 5 und 6 aus dem Speicher austritt, ist von einem flüssigen oder

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gasförmigen Wärmeübertragungsmittel, wie z.B. Wasser, durchströmt. Dazu ist es an seinen Enden zum einen an einen Kreislauf angeschlossen, der einen Wärmeerzeuger E enthält, und zum anderen an einen Kreislauf mit einem Radiator 7. Vermittels Ventilen 8, 9, 10, 11, 12 und 13 kann es wahlweise mit dem einen oder dem anderen Kreislauf verbunden werden. Beide Kreisläufe enthalten eine Pumpe, 14 bzw. 15. Durch Öffnen der Ventile 8 und 9 sowie 11 und 13 und Schließen der weiteren Ventile kann der Wärmeerzeuger E auch unmittelbar mit dem Radiator 7 gekuppelt werden. Im übrigen sind entlang dem Rohr 4 mehrere Ausläufe vorgesehen, die über Ventile 16, 17, 18, 19 und 20 und eine gemeinsame Leitung 21 an den Eintritt des Radiators 7 angeschlossen sind, sowie mehrere Einlaufe, die über Ventile 22, 23, 24, 25 und 26 und eine gemeinsame Leitung 27 mit dem Austritt des Wärmeerzeugers E in Verbindung stehen.

Bei Entnahme von Wärme aus dem Speicher 1 wird danach gestrebt, eine hohe Temperatur auf der rechten Seite des Speichers zu erzielen bzw. aufrechtzuerhalten, symbolisiert durch H, während auf der linken Seite des Speichers, bei L, eine niedrige Temperatur herrschen soll. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermittels 3 gering ist, wie dies z.B. bei Erde der Fall ist.

Der Wärmeaustausch erfolgt dann folgendermaßen: Beim Start sollen die Ventile 9 und 13 sowie 16-20 und 22-26 geschlossen sein, während die Ventile 8, 10, 11 und 12 geöffnet sind. Dann drückt die Pumpe 14 das Wärmeübertragungsmittel durch den Wärmeerzeuger E hindurch, wo es aufgewärmt wird, worauf es in den Speicher bei 5 eintritt. Wärmeübergangsflächen und Durchflußgeschwindigkeit sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß die meiste Wärme am rechten Ende des Speichers abgesetzt wird, wo sich somit die höchste Temperatur einstellt. Falls die Austrittstemperatur des

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Wärmeerzeugers E unter die Temperatur bei H absinkt, wird das Ventil 10 geschlossen und stattdessen eines der Ventile 22 bis 26 geöffnet, wodurch man vermeidet, daß das Wärmeübertragungsmittel beim Eintritt in den Speicher Wärme aufnimmt.

Wenn vom Speicher Wärme an den Radiator 7 abgegeben werden soll, werden die Ventile 8 und 11 geschlossen, während die Ventile 9 und 13 geöffnet werden. Dann drückt die Pumpe 15 das Wärmeübertragungsmittel in den Speicher bei 6 hinein, wo es, durch das Rohr 4 entgegen dem Wärmegefälle zwischen H und L hindurchtretend, durch das Wärmespeichermittel 3 aufgewärmt wird. Gelangt das Wärmeübertragungsmittel dabei an eine Stelle des Rohres 4, wo der Wärmeübergang vom Wärmespeichermittel 3 zum Wärmeübertragungsmittel recht gering oder gleich Null geworden ist, so wird es über eines der Ventile 16 - 20 vorzeitig aus dem Speicher heraus und zu dem Radiator 7 geleitet.

Durch das beschriebene Verfahren, bei dem sowohl die Wärmeentnahme als auch die Wärmezufuhr dazu beitragen wird, einen Temperaturunterschied zwischen den Zonen H und L zu schaffen, wird natürlich durch Isolierung des Speichers bei H ein besseres Ergebnis erzielt als durch Anbringen einer entsprechenden Isolation bei L. Verglichen mit bekannten einschlägigen Verfahren kann deshalb Isolation eingespart werden.

Fig. 2 gibt zu erkennen, wie der erfindungsgemäße Wärmespeicher im Idealfall aussehen würde. Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Kugel 28 aus festem oder quasi-festem Wärmespeichermittel, die von einer Isolationsmaterialschicht 29 umgeben ist. Dabei soll die höchste Temperatur im Mittelpunkt der Kugel und die niedrigste Temperatur an der Kugelwand auftreten. Es ist dann leicht einzusehen, daß die

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Isolation mit steigendem Kugelradius ihre Bedeutung verliert und für schlecht wärmeleitende Wärmespeichermittel ggf. ganz entfallen kann.

Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen Schnitte durch eine praktische Ausführungsform eines WärmeSpeichers nach der Erfindung, bei der eine Anzahl geradliniger Wärmeübertragungsrohre 31 entlang Mantellinien koaxialer Kegelflächen mit nach unten gerichteter Spitze im wesentlichen innerhalb des Erdbodens angeordnet sind. Diese Rohre sind an ihrem unteren Ende geschlossen. Ihre oberen Enden, wo sich Einlauf und Auslauf befinden, sind von einer Isolation 30 umgeben, die in Form einer kreisförmigen Scheibe (Fig. 5) auf dem Erdboden aufliegt. Die Länge der Rohre nimmt mit geringerwerdender Neigung gegenüber der vertikalen Kegelmittelachse ab, auf der sich in diesem Falle ein einzelnes entsprechend kurzes Rohr 32 befindet. Jedes der Rohre 31 hat in seinem Inneren Installationen zur Verteilung des Wärmeübertragungsmittels, beispielsweise in Gestalt mehrerer hier nicht gezeigter Zuleitungs- oder Ableitungsrohre, die sich verschieden weit in das Wärmeübertragungsrohr 31 hineinerstrecken. Oben sind alle Rohre 31 zusammengekuppelt, z.B. derart, daß zunächst alle Rohre auf dem gleichen Kegelmantel reihum hintereinander/geschaltet und sodann die hintereinandergeschalteten Rohre der verschiedenen Kegelmäntel fortlaufend hintereinandergeschaltet sind, so daß das Wärmeübertragungsmittel nach Durchlaufen der äußersten Rohrreihe, vorzugsweise im gleichen Sinn, durch die folgende Rohrreihe 33 hindurchtritt usw., bis es zuletzt zu dem zentralen Rohr 32 gelangt. Indessen können die Rohre 31 auch primär radial zusammengekuppelt sein, so daß das Wärmeübertragungsmittel nacheinander jeweils Rohre auf unterschiedlichen Radien bzw. Kegelmänteln durchströmt, wobei ggf. mehrere äußere Rohre mit einem inneren Rohr in Verbindung stehen. In diesem Fall müssen die Rohre auf dem äußersten Kegelmantel parallel zusammengeschaltet sein.

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Die Zone mit der höchsten Temperatur, H, wird um das mittlere Rohr 32 herum geschaffen. Die Isolation 30 dient in diesem Falle dem doppelten Zweck, die Wärme daran zu hindern, vom Speicher, d.h. von der Erdoberfläche, abzuströmen, und, die Verbindungsleitungen zwischen den Rohren 31 zu isolieren. Auf diese Weise wird auf einfachem Wege eine Speicherform geschaffen, die prinzipiell in hohem Maße dem zuvorbeschriebenen idealen Wärmespeicher entspricht, indem der Speicher annähernd die Form einer Halbkugel aufweist, die auf ihrer ebenen Fläche isoliert ist.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform, bei der die Wärmeverteilung der idealen Vollkugelform angenähert ist, d.h. die Temperatur von einer zentralen Zone H nach allen Seiten hin ziemlich gleichmäßig abnimmt. Dieser Speicher ist aus senkrechten Wärmeübertragungsrohren 34 gebildet, die radial gesehen ähnlich wie in Fig. 5 angeordnet sind. Jedes Wärmeübertragungsrohr 34 enthält ein Zuleitungsrohr 35, das etwa in der Längsmitte des Rohres 34 mündet, sowie zwei Ableitungsrohre 36 und 37, von denen das eine in der Nähe des Bodens des Rohres 34 und das andere in der Nähe des oberen Endes desselben endet. Die höchste Temperatur wird sich dann in der Mitte des Rohres 34 einstellen, wenn heißes Wärmeübertragungsmittel durch das Zuleitungsrohr 35 eingeleitet wird. Damit nimmt die Temperatur zu beiden Enden der Rohre 34 hin ab, ebenso wie sie auch von dem zentralen Rohr 38 radial nach außen hin abnimmt. Die Isolation 39 am oberen Ende der Rohre 34 dient folglich praktisch nur noch zur Isolierung der Rohrverbindungen, also nicht zur Isolierung des Speichers. Wenn hier im übrigen zwischen Zuleitungs- und Ableitungsrohren unterschieden wurde, so geschah dies der Übersichtlichkeit halber. Bei Umkehrung des Prozesses vertauschen sich die Funktionen dieser Rohre. Es wird dann nämlich kaltes Wärmeübertragungsmittel durch die Rohre 36 und 37 eingeleitet, das nach Aufheizung in der Mitte der Rohre 34 durch das Rohr 35 abgezogen wird.

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Fig. 7 zeigt das untere Ende eines der Wärmeübertragungsrohre 34 im Schnitt. Darin ist das Rohr 37 zu erkennen. Die Zu- bzw. Ableitungsrohre 35, 36 und 37 sind zweckmäßigerweise isoliert oder aus isolierendem Material hergestellt. Entgegen der Darstellung können sie auch unterschiedliche Durchmesser haben und koaxial ineinander angeordnet sein, wodurch sich die Strömung entlang der Innenwand der Rohre vergleichmäßigen läßt. Die Wand der Rohre 34 ebenso wie diejenige der vorausgehend erwähnten Rohre 31 besteht zweckmäßigerweise aus gut wärmeleitendem Material.

Wenn vorausgehend von Erdboden die Rede war, so schließt diese Bezeichnung jede geeignete Bodenbeschaffenheit ein. D.h., daß neben einer guten Wärmespeicherkapazitat geringe Wärmeleiteigenschaften vorhanden sein sollen. Um diese auch im Falle von Grundwasser erhalten zu können, kann es sich empfehlen, in das Erdreich 40, wie in den beiden letztgenannten Beispielen gezeigt, eine wassersperrende Schicht einzubringen, die den Speicher ganz oder jedenfalls so weit umschließt, wie dies zur Verhinderung eines konvektionsmäßigen Wärmeaustausche innerhalb der Erde erforderlich ist.

- Patentansprüche -

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Claims

-■,ο- 255U863 Patentansprüche

1. Verfahren zum Speichern von Wärme in einem festen oder quasi-festen Wärmespeichermittel, wie z.B. feuchter Erde, unter Vermittlung eines strömungsfähigen Wärmeübertragungsmittels, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Speichermittel von einer möglichst zentralen und/oder wärmeisolierten Zone (H) weg ein Temperaturgefälle geschaffen wird, indem das Wärmeübertragungsmittel bei der Wärmezufuhr zum Speichermittel mit dem gewünschten Wärmegefälle und bei der Wärmeentnahme entgegen dem Wärmegefälle durch zumindest einen Bereich des Wärmespeichermittels hindurchgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hindurchleitung des Wärmeübertragungsmittels durch das Wärmespeichermittel stets nur bis zu einer Stelle erfolgt, an welcher der Temperaturunterschied zwischen Wärmeübertragungsmittel und Speichermittel sehr gering oder zu Null geworden ist.

3. Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Anzahl geradliniger, am einen Ende geschlossener Wärmeübertragungsrohre (31, 34), die in einem bestimmten Muster mit ihrem geschlossenen Ende voran in das Wärmespeichermittel, beispielsweise den Erdboden (40), ragen und an ihrem Zulauf und Ablauf enthaltenden anderen Ende in der Weise miteinander gekuppelt sind, daß ein oder mehrere am einen Ende des Durchlaufs liegende Rohre (32, 38) in der Mitte und die am anderen Ende des Durchlaufs liegenden Rohre am Rande des Rohrmusters auftreten.

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4. Wärmespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrmuster aus mehreren koaxialen Rohrreihen besteht, wobei die innerste Reihe ggf. auf ein einzelnes Rohr (32, 38) reduziert ist.

5. Wärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (31, 34) einer jeden koaxialen Rohrreihe durchflußmäßig hintereinandergeschaltet und die einzelnen Rohrreihen entsprechend aufeinanderfolgend miteinander verbunden sind.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentiale Durchlaufrichtung des Wärmeübertragungsmittels in allen koaxialen Rohrreihen die gleiche ist.

7. Wärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ζ eichnet, daß die Rohre (31, 34) der koaxialen Rohrreihen in Radialrichtung aufeinanderfolgend durchflußmäßig hintereinandergeschaltet sind, wobei ggf. mehrere äußere Rohre mit einem inneren Rohr in Verbindung stehen, und daß die äußersten Rohre sowie, im Falle mehrerer innerster Rohre, auch diese jeweils parallel miteinander verbunden sind.

8. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (34) entlang Mantellinien von Zylindern angeordnet sind.

9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 -7, dadurch gekennzeichnet , daß die Rohre (31) entlang Mantellinien von Kegeln angeordnet sind, wobei ihre geschlossenen Enden zur Kegelspitze hinweisen.

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10. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Rohre (31) von außen nach innen abnimmt.

11. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen der Rohre (31, 34) außerhalb des Wärmespeichermittels (40) liegen und wärmeisoliert sind.

12. Wärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeisolation (30, 39) zugleich die benachbarte Grenzfläche des Wärmespeichermittels (40) bedeckt.

13. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 3-12, dadurch gekennzeichnet, daß Zulauf und Ablauf der Wärmeübertragungsrohre (31, 34) von verschieden weit in sie hineinragenden Zu- bzw. Ableitungsrohren (35, 36, 37) gebildet werden.

14. Wärmespeicher nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmeübertragungsrohre (34) jeweils drei Zu- bzw. Ableitungsrohre (35, 36, 37) hineinragen, von denen eines (35) etwa in der Längsmitte und die beiden übrigen (36, 37) in der Nähe der Enden des Wärmeübertragung sr ohr es münden.

15. Wärmespeicher nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungsrohre (35, 36, 37) innerhalb der Wärmeübertragungsrohre (31, 34) koaxial zueinander angeordnet sind.

16. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 13 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ableitungsrohre (35, 36, 37) wärmeisoliert oder aus wärmeisolierendem Material hergestellt sind.

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17. Wärmespeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmespeichermittel aus einem Bereich des Erdbodens besteht, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Bodenbereich ganz oder teilweise von einer wassersperrenden Schicht (41) umgeben ist.

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