DE2607168C3

DE2607168C3 - Vorrichtung zum Austauschen von Wärme

Info

Publication number: DE2607168C3
Application number: DE2607168A
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Frank 7050 Waiblingen Mehlhorn
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1976-02-21
Filing date: 1976-02-21
Publication date: 1981-04-09
Also published as: DE2607168A1; JPS52121850A; JPS556836B2; FR2341831B1; DE2607168B2; US4086958A; FR2341831A1

Description

eines entladenen Latentwärmespeichers ohne weiteres eine Inbetriebnahme und damit ein Durchleiten des Wärmetauschermediums durch das Wärmespeichermedium ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine in wärmeleitendem Kontakt mit der kristallisierenden Substanz und dem mit dieser in Berührung stehenden Bereich der Zuflußleitung geführte Überlaufleitung, die von der Zuflußleitung stromaufwärts des genannten Bereichs abzweigt und in die Flüssigkeitsschicht mündeL

Eine solche Überlaufleitung bleibt in jedem Falle vom Wärmespeichermedium frei, ist also immer für das Wärmetauschermedium durchlässig. Es ist damit möglich, auch bei verstopfter Zuflußleitung Wärmetauschermedium in Wärmekontakt mit der Zuflußleitung und mit dem kristallisierten Medium zu bringen. Das Wärmetau-SL-hermedium schmilzt einerseits das kristallisierte Speichermedium im Inneren der Zuflußleitung und im Bereich der Öffnungen der ZuflußJeJtung auf, zum anderen schmilzt es einen Weg von der Zuflußleitung in die Wärmetauschermedienschicht frei, so daß nunmehr Wärmetauschermedium auch durch die Zuflußleitung in das Wärmespeichermedium und von dort in die Wärmetauschermedienschicht gelangen kann.

Es ist also mit einer solchen Überlaufleitung möglich, einen Latentwärmespeicher auch dann wieder in Betrieb zu nehmen, wenn die eigentliche Zuflußleitung für das Wärmetauschermedium infolge Wärmeentzuges durch kristallisiertes Wärmespeichermedium vollständig verstopft ist

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen

F i g. 1 bis 5 eine schematische Darstellung eines Latentwärmespeichers gemäß der Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen und

F i g. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie 6-6 in Fig. 1.

In den F i g. 1 bis 5 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher in verschiedenen Betriebszuständen dargestellt, wobei zwei wärmeaustauschende Medien in unmittelbaren Kontakt miteinander gebracht werden. Wie aus F i g. 1 hervorgeht, enthält ein Gefäß 21 eine, z. B. bei 20⁰C befindliche, feste, kristallisierbare Substanz, im folgenden Wärmespeichermedium 22 genannt, z. B. Na₂SO₄ · 10 H₂O. Eine Zuflußleitung 23 mündet in das Gefäß 21, die sich am Gefäßboden 24 in Zweigleitungen 25 aufteilt oder in eine bodenparallele Spirale ausläuft. An den Zweigleitungen 25 sind zahlreiche, z. B. nach unten gekehrte öffnungen oder Düsen 26 angeordnet. Eine Abflußleitung 29, die vom oberen Teil des Gefäßes 21 abführt, beginnt in einer über der kristallisierbaren Substanz angeordneten Flüssigkeitsschicht 28 und dient der Ableitung der Flüssigkeit.

Wie dargestellt — vgl. insbesondere die Querschniltsansicht gemäß Fig.6 — ist die Zuflußleitung 23 im Bereich des Wärmespeichermediums 22 von einer Überlaufleitung 31 konzen*-,:·.;! .'mgeben, die bis über die Oberfläche des festen Wärmespeichermediums 22 reicht. Dort ist sie über eine Haube 32 mit der Zuflußleitung 23 verbunden. In der Nähe des Gefäßbodens 24 zweigen von der Überlaufleitung 31 Leitungen 33 ab, die in direktem Wärmekontakt mit den Zweigen 25 stehen und schließlich nach oben abgekrümmt sind. Die Leitungen 33 verlaufen bis über die Oberfläche des festen Wärmespeichermediums 22 hinaus und sind dort so umgebogen, daß ihre öffnungen auf die Oberfläche des festen Wärmespeichermediums 22 gerichtet sind.
Die beschriebene, als Latentwärmespeicher benuizbare Vorrichtung arbeitet in folgender Weise: Es werde angenommen, daß das feste Wärmespeichermedium 22 im Gefäß 21 einen Schmelzpunkt bei etwa 35° C habe und zunächst bei einer Temperatur von 7ΐ = 20⁰C gehalten sei, also in festem Zustand vorliege. Das

ίο Wärmespeichermedium 22 ist dabei nicht nur im Gefäß 21 vorhanden, sondern füllt auch die Zuflußleitung 23 und die Zweige 25. Die Zuflußleitung 23 ist also unterhalb des Niveaus des Wärmespeichermediums 22 im Gefäß 21 gewissermaßen »verstopft«. Wird nun durch die Zuflußleitung 23 ein warmes Medium, z. B. ein öl mit einer Temperatur von 7i = 40° C zugeführt, so kann es nicht in den unteren Teil der Zuflußleitung 23 und in die Zweige 25 gelangen und somit auch nicht aus den ebenfalls verstopften Düsen 25 austreten. Das warme Wärmetauschermedium fließt jedoch durch die Überlaufleitung 31 in die Leitungen 33 und von da auf die Oberfläche des festen Wärmespeichermediums 22, welches von solcher Beschaffenheit ist, daß es sich mit dem zweiten, durch die Zuflußleitung 23 zugeführten.

wärmeren Medium nicht mischt. Das wärmere Medium schmilzt nun während seiner Zuleitung zunächst das feste Wärmespeichermedium in der Zuflußleitung 23, in den Zweigen 25 und in den Düsen 26 auf und erschmilzt entlang der Leitungen 31 und 33 Schmelzkanäle, so daß nunmehr das wanne Medium direkt über die Zuflußleitung 23 und die Zweige 25 zu den Düsen 26 gelangen und von da nach oben strömen kann, wobei es in direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 22 gelangt und dieses immer mehr aufschmilzt. Dieser Zustand ist in F i g. 2 dargestellt. Das durch die Zuflußleitung 23 mit etwa 40" C zugeführte, zweite Medium sammelt sich aufgrund seines geringeren spezifischen Gewichtes und seiner Unmischbarkeit mit dem Wärmespeichermedium 22 auf der Oberfläche des letzteren, von wo es mit einer Temperatur von etwa 30° C über die Leitung 29 abgeführt werden kann.

F i g. 3 zeigt den vollständig aufgeschmolzenen Zustand des im Gefäß 21 enthaltenen Wärmespeichermediums 22, welches nunmehr beispielsweise eine Temperatur von etwa 35° C angenommen, also eine Temperatursteigerung von etwa 15° C erfahren und außerdem noch die latente Schmelzwärme aufgenommen hat.

Die F i g. 4 und 5 zeigen gegenüber F i g. 1 und 2 den

so umgekehrten Vorgang, nämlich den Vorgang der Wärmeentnahme aus dem Wärmespeichermedium 22. Über die Zuflußleitung 23 und die Düsen 26 an den Zweigen 25 wird nunmehr kaltes Öl von beispielsweise 10°C in das Gefäß 21 eingeleitet, welches von unten nach oben durch das flüssige, bei ca. 35° C befindliche Wärmespeichermedium 22 hindurchströmt und dabei dem letzteren Wärme entzieht, so daß dieses wieder zu kristallisieren beginnt. Das zugeführte kalte öl erwärmt sich bei seinem direkten Kontakt mit dem Wärmespeichermedium 22 auf eine Temperatur von beispielsweise 25° C und wird von der Oberfläche des Wärmespeichermediums 22 durch die Abflußleitung 29 abgeführt. Fig.5 zeigt das teilweise wieder erstarrte Wäi mespeichermedium 22, das nun auch wieder die Zuflußleitung 23 sowie die Zweige 25 mit den Düsen 26 verstopft. Daher muß das zugeführte zweite Medium durch die Überlaufleitung 31 und die Leitungen 33 auf die Oberfläche des Wärmespeichermediums 22 geleitet

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werden, bis dieses vollständig erstarrt und der Zustand entsprechend Fig. 1 wieder erreicht ist. Bei der Anordnung nach F i g. 1 könnten die Leitungen 23 und 29 an einen Kollektor für Sonnenenergie angeschlossen sein und das Speichermedium 22 dazu dienen, die aus der Sonnenenergie gewonnene Wärme zu speichern. In F i g. 4 könnten die Leitungen 23; und 29 an eine Wärmepumpe angeschlossen sein, wobei durch die Leitung 23 das von der Wärmepumpe auf beispielsweise 10⁰C abgekühlte öl zugeführt und durch die Leitung 29 das z.B. auf 25°C erwärmte öl der Wärmepumpe wieder zugeführt wird. Die Wärmepumpe kann dabei ein Teil einer Gebäudeheizung sein. Die genannten Temperaturen hängen selbstverständlich von der Geschwindigkeit ab, mit welcher das zweite Medium das Speichermediurn 22 durchströmt.

Außer dem genannten Natriumsulfat eignen sich als Wärmespeichermedien beispielsweise noch:

Na₂HPO₄ · 12H₂O,

Na₂CO₃^IOH₂O,
Na₃PO₄ · 12 H₂O

oder entsprechend abgestimmte Eutektika. Als Medium, welches mit den vorgenannten Stoffen in direkten Wärmeaustausch gebracht werden kann, eignet sich

ίο beispielsweise ein nichtmineralisches, paraffinhaltiges öl, wie es in der metallbearbeitenden Industrie zur sogenannten Funkenerosion von Werkslücken eingesetzt wird. Das durch die Leitung 23 zu- und durch die Leitung 29 abgeführte Medium ist in der Regel eine Flüssigkeit, kann aber auch als überhitzte Flüssigkeit, Dampf oder Gas vorliegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und einer beim Wärmeaustausch einer Phasenumwandlung zwischen einer festen und einer flüssigen Phase unterworfenen kristallisierbaren Substanz, wobei die beiden in direktem Kontakt Wärme austauschenden Medien nicht miteinander mischbar sind und unterschiedliche Dichte aufweisen, bestehend aus einem die beiden Medien in übereinanderliegenden getrennten Schichten enthaltenden Gefäß, einer in das Gefäß führenden Zuflußleitung für die Flüssigkeit, die in den der Flüssigkeitsschicht abgekehrten Bereich der von der kristallisierbaren Substanz gebildeten Schicht mündet, sowie einer aus dem Gefäß führenden, in der Flüssigkehsschicht beginnenden Abflußleitung für die Flüssigkeit, gekennzeichnet durch eine in wärmeleitendem Kontakt mit der kristallisierenden Substanz (22) und dem mit dieser in Berührung stehenden Bereich der Zuflußleitung (23, 25, 26) geführte Überlaufleitung (31, 32, 33), die von der Zuflußleitung (23) stromaufwärts des genannten Bereichs abzweigt und in die Flüssigkeitsschicht (7) mündet.

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme zwischen einer Flüssigkeit und einer beim Wärmeaustausch einer Phasenumwandlung zwischen einer festen und einer flüssigen Phase unterworfenen kristallisierbaren Substanz, wobei die beiden in direktem Kontakt Wärme austauschenden Medien nicht miteinander mischbar sind und unterschiedliche Dichte aufweisen, bestehend aus einem die beiden Medien in übereinanderliegenden getrennten Schichten enthaltenden Gefäß, einer in das Gefäß führenden Zuflußleitung für die Flüssigkeit, die in den der Flüssigkeitsschicht abgekehrten Bereich der von der kristallisierbaren Substanz gebildeten Schicht mündet, sowie einer aus dem Gefäß führenden, in der Flüssigkeitsschicht beginnenden Abflußleitung für die Flüssigkeit.

Zum Wärmeaustausch zwischen zwei auf verschiedenen Temperaturen befindlichen Medien, die unabhängig voneinander sowohl flüssig als auch gasförmig sein können, werden sogenannte Wärmetauscher eingesetzt. Sie bestehen wegen der erwünschten guten Wärmeleitfähigkeit meist aus Metall und sind in der Regel so gestaltet, daß beide Medien in engen Kontakt mit metallischen Wärmeaustauscherflächen treten, durch die hindurch sich die Energieaus- und -einkopplung vollzieht, die jedoch einen direkten Kontakt der beiden Medien miteinander verhindern. Heizungsradiatoren, Kraftfahrzeugkühler, Gas-Durchlauferhitzer od. dgl. sind nach diesem Prinzip aufgebaut. Ein Wärmeaustausch findet auch in sogenannten Latentwärmespeiehern statt, wobei hauptsächlich die Kristallisationsbzw. Schmelzwärme ausgetauscht werden soll. Da hier das die Energie speichernde Medium mindestens zum Teil in fester Form vorliegt, müssen die wärmetauschenden Metallflächen entsprechend angepaßt werden, was häufig problematisch ist, da die kristallisierenden Speichermaterialien in der Regel schlechte Wärmeleiter sind und somit ein sich über ein vorgegebenes Volumengebiet vollziehender Wärmeaustauschvorgang nur schwer zu realisieren ist In Latentwärmespeichern liegen die Speichersubstanzen in entladenem Zustand meist in kompakt-konglomierierter Form vor, so daß eine Durchmischung zur Verbesserung der Wärmeübertragung nicht möglich ist

Man hat daher bei Latentwärmespeichern versucht, die geschilderten Probleme dadurch zu überwinden, daß man das von der Speichersubstanz eingenommene Speicliervolumen mit einer Metallstruktur, beispielsweise einem Röhren- oder Lamellensystem durchsetzt, durch welches eine wärmetauschende Flüssigkeit strömt Dies hat jedoch erhöhte Kosten, höheres Gewicht und größere Volumina zur Folge, wodurch der Vorteil einer hohen »Energiedichte« des Speichers weitgehend verlorengeht Es wurde auch schon vorgeschlagen, bei Latentwärmespeichern einen sich zum Boden hin konisch erweiternden Behälter zu verwenden, der ein Nachrutschen des festen, kristallisierten Speichermediums während des Ladevorganges, bei dem Wärme ζ. B. von einem flüssigen Medium durch die metallische Bodenplatte hindurch abgegeben wird, gestattet Dabei wird das am Boden geschmolzene Material durch einen vorher erschmolzenen Kanal im Behälter nach oben gedrückt.

Bei beiden Speichersystemen verbleiben jedoch zumindest bei der Wärmeentnahme ungelöste Probleme, da sich die Speichersubstanz an den Kontaktflächen immer zuerst verfestigt und eine Wärmedämmschicht bildet, die einen Wärmeaustausch mit dem hinter dieser Schicht liegenden Volumengebiet erschwert Teilweise kommt es aufgrund einer Volumenkontraktion sogar zur Ablösung der verfestigten Schicht von der metallischen Kontaktfläche des Wärmetauschers, wodurch der Wärmeübergang praktisch völlig unterbunden ist

Eine wesentlich verbesserte Wärmeübertragung erhält man, wenn man ein flüssiges Wärmetauschermedium verwendet, welches man durch das Wärmespeichermedium in unmittelbarem Wärmekontakt hindurchleitet. Wesentlich ist dabei, daß das flüssige Wärmetauschermedium mit dem Wärmespeichermedium nicht mischbar ist und eine verschiedene Dichte aufweist, so daß nach dem Durchgang eine vollständige Entmischung auftritt. Derartige Wärmetauscherverfahren sind beispielsweise aus der US·PS 29 96 894 bekannt. Wenn das Wärmetauschermedium spezifisch leichter ist als das Wärmespeichermedium, wird es normalerweise an der Unterseite in das Wärmespeichermedium eingeleitet, z. B. mit Hilfe einer am Boden des Gefäßes angeordneten Zuflußleitung, die mit einer Anzahl von Öffnungen versehen ist, durch welche das flüssige Wärmetauschermedium in das Wärmespeichermedium eintreten kann.

Es ergibt sich bei derartigen Vorrichtungen die Schwierigkeit, daß beim Entladen des Speichers das Wärmespeichermedium auch im Bereich der Zuflußleitung des Wärmetauschermediums kristallisiert und die Öffnungen der Zuflußleitungen verstopft. In extremen Fällen dringt das Wärmespeichermedium sogar in die Zuflußleitung ein und kristallisiert in deren Innerem. Insgesamt ist damit eine Wiederinbetriebnahme des Wärmespeichers zum Zwecke des Ladens, also zum Zwecke der Wärmezufuhr mittels eines warmen, flüssigen Wärmetauschermediums durch die Zuflußleitung nicht mehr möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen zu treffen, die auch nach längerer Betriebsruhe