DE2658720A1 - Behaelter zur aufnahme eines waermespeichernden mediums - Google Patents
Behaelter zur aufnahme eines waermespeichernden mediumsInfo
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Description
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9. Dezember 1976
Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt e.V.
5300 Bonn
Behälter zur Aufnahme eines wärmespeichernden Mediums
Die Erfindung betrifft einen Behälter zur Aufnahme eines wärme· speichernden/ im festen Zustand je nach Wärmeinhalt eine unterschiedliche
Dichte aufweisenden Mediums, welches zur Speicherung und Abgabe von Wärme aus dem festen in den flüssigen
Zustand bzw. aus dem flüssigen in den festen Zustand überführbar ist.
Derartige Wärmespeicher, bei denen sich der Aggregatszustand
des wärmespeichernden Mediums zwischen dem flüssigen und dem festen Zustand ändert, bezeichnet man auch als Latentwärmespeicher.
Sie haben den Vorteil, daß die Änderung des Wärme-
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inhaltes in bestimmten Grenzen bei im wesentlichen konstanter Temperatur erfolgt, nämlich bei der Temperatur der Aggregatssustandsänderung.
Derartige Latentwärmespeicher werden beispielsweise in Heizungssystemen eingesetzt,, in welchen sie die Heizung bei Bedarfsspitzen
unterstützen,, itfährend sie bei geringem Wärmebedarf von
der Heizung aufgeladen werden»
So sind Latentwärmespeicher vorgeschlagen worden, die als wärmespeicherndes
Medium Glaubersalz enthalten, welches bei einer Temperatur von 32,4° C vom festen in den flüssigen Zustand übergeht
und dabei eine Wärmemenge von etwa 90 Kilokalorien pro Liter abgibt.
Entzieht man dem wärmespeichernden Medium Wärme, so kühlt es sich bis zu seinem Schmelzpunkt ab und geht schließlich in den festen
Zustand über. Beim weiteren Abkühlen kann sich das Volumen des festen Mediums beispielsweise durch Verdichtung oder ümkristallisation
verkleinern. Umgekehrt ergibt sich beim Aufwärmen des festen Mediums eine thermische Ausdehnung desselben, bis es bei Erreichen
der Schmelztemperatur in den flüssigen Zustand übergeht.
Es ergibt sich nun das Problem, daß eine entsprechende Volumenvergrößerung
beim Aufwärmen des Speichermediums von dem das Wärmespeichermedium enthaltenden Behälter aufgenommen werden
muß. Bei einer Vergrößerung des Volumens kann sich diese im Inneren des Behälters wegen des festen Zustandes des Mediums
nicht ausgleichen, was bei starren Behälterwänden zu einer Zerstörung derselben führen muß.
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Man hat aus diesem Grunde derartige Wärmespeicherbehälter aus Plastikmaterialien hergestellt, die dehnbar sind und daher die
auftretenden Volumenvergrößerungen aufnehmen können. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß bei solchen Plastikgefäßen
die Dehnungen nicht vollständig reversibel sind, so daß nach jeder Dehnung eine Restdehnung zurückbleibt. Bei der Vielzahl
von periodisch auftretenden Volumenvergrößerungen und -Verkleinerungen führt das schließlich zu einer bleibenden Vergrößerung
des Behälters, die nicht tragbar ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Behälter für ein Wärmespeichermedium
zu schaffen, welcher die periodisch auftretenden Volumenvergrößerungen und -Verkleinerungen des Wärmespeichermediums
im festen Zustand ohne bleibende Veränderung aufnehmen kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Behälter der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß die Wände des
Behälters unter einer nach innen gerichteten elastischen Vorspannung stehen.
Insbesondere ist vorgesehen, daß der Behälter verschieden große Volumina umschließen kann und daß die Vorspannung derart gewählt
ist, daß der Behälter bei Füllung mit flüssigem Medium ein kleineres Volumen einnimmt.
Es ist dabei günstig, wenn der Behälter nach innen gewölbte Wände aufweist, die nach außen wölbbar sind. An den Wänden des
Behälters können dann diese nach innen wölbende elastische Federmittel angreifen.
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Es kann auch vorgesehen sein, daß der Behälter von einem zweiten,
starren, geschlossenen Behälter umgeben ist, und daß sich im Zwischenraum zwischen beiden Behältern ein Druckmedium befindet.
Dieses Druckmedium kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein, im letzteren Falle wirkt deren statischer Druck auf die
Wände des Innenbehälters.
Der Innenbehälter selbst kann flexible Wände haben, diese können bei einer besonderen Ausführungsform elastisch dehnbar sein.
Es ist auch möglich, den Behälter mit mindestens einer Dehnungsfalte zu versehen. Diese Dehnungsfalte kann eine Rückstellkraft
haben, welche das Volumen des Behälters zu verkleinern sucht. Zu diesem Zwecke können auch Federmittel vorgesehen sein.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung. Es zeigen;
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen aufgeschnittenen Behälter gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Figur 1 einer anderen Ausführungform eines erfindungsgemäßen Behälters
;
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Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Behälter mit außen angeordneten
Blattfedern;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Behälter mit auf die Behälteraußenwände
wirkenden Druckfedern;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Behälter mit einer Spannbandfederung
;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf einen in einem äußeren Behälter angeordneten Behälter gemäß
der Erfindung;
Fig. 7 eine Ansicht ähnlich Figur 6 einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters
und
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Behälters gemäß
der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Behälter 1 zur Aufnahme eines Wärmespeichermediums,
welches aus Gründen der Übersichtlichkeit in dieser und in folgenden Zeichnungen nicht dargestellt ist, hat
eine im wesentlichen quader- oder würfelförmige Gestalt. Alle oder einige Wände 2 sind nach innen gewölbt, d.h. von außen gesehen
konkav ausgebildet. Unter dem Einfluß eines Druckes im Inneren des Behälters 1 können sich diese Wände 2 nach außen
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wülben und nehmen dann die in Figur 1 gestrichelt dargestellte
Lage ein. Der Behälter hat dann ein wesentlich größeres Volumen als im Ausgangszustand.
Im Inneren des Behälters 1 sind zwischen jeweils gegenüberliegenden
Wänden 2 Zugfedern 3 gespannt, welche gegenüberliegende Wände 2 in die nach innen gewölbte Stellung zu ziehen suchen.
Vorzugsweise greifen die Zugfedern 3 im Zentrum der Wände an.
Die Federkraft der Zugfedern 3 ist derart gewählt, daß die Wände 2 bei Füllung des Behälters mit einem flüssigen Speichermedium
in der nach innen gewölbten Stellung stehen. Der Behälter umschließt also in diesem Zustand ein kleines Volumen. Wenn
das Speichermedium beim Entzug von Wärme in den festen Zustand übergeht, wird ein Festkörper gebildet, dessen äußere Form durch
die nach innen gewölbten Wandbehältern bestimmt ist.
Wenn nun in der festen Phase der Aufwärmprozeß zu einer Dichteverkleinerung und damit zu einer Volumenvergrößerung
des festen Speichermediums führt, kann sich dieses gegen die Kraft der Zugfedern 3 unter Bewegung der Wände ohne weiteres
ausdehnen. Diese Ausdehnung kann so weit gehen, daß die Behälterwände in der in Fig. 1 gestrichelt dargestellten Weise nach
außen gewölbt sind. Diese Verformung des Behälters ist unter dem Einfluß der Zugfedern 3 vollständig reversibel, so daß sich
bei Wärmezufuhr und dem damit verbundenen Schmelzen des Speichermediums
wieder die ursprüngliche Form des Behälters mit nach innen gewölbten Wänden einstellt.
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Es ist also wesentlich, daß der Behälter unter dem Einfluß der Zugfedern 3 dem erstarrenden Medium nur ein kleines Volumen
zur Verfügung stellt, so daß bei einer etwaigen Volumenvergrößerung des festen Mediums noch eine Vergrößerung des
Behältervolumens möglich ist. Bei einem herkömmlichen Behälter dagegen nimmt das erstarrende Medium bereits beim Erstarren
das gesamte, vom Behälter zur Verfügung gestellte Volumen ein, so daß eine Volumenvergrößerung des festen Speichermediums
zu einer überdehnung des Behälters oder zu dessen Bruch führen muß.
In den Fig. 2-5 sind weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele von Behältern mit im Grundzustand unter Federeinwirkung nach
innen gewölbten Wänden dargestellt. Die Wände 12 des Behälters 11 in Fig. 2 werden ebenfalls durch Zugfedern 13 in die nach
innen gewölbte Lage gezogen, die Zugfedern 13 sind jedoch im Gegensatz zu den Zugfedern 3 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles
jeweils zwischen benachbarten Wänden 2 gespannt .
Der Behälter 21 der Fig. 3 ist von vier Widerlagern 25 umgeben, zwischen denen Blattfedern 23 eingespannt sind. Diese drücken
von außen auf die Wände 22 und wölben diese nach innen. Bei großem Innendruck können die Wände 22 entgegen der Federkraft
der Blattfedern 23 nach außen gewölbt werden.
Der Behälter 31 der Fig. 4 ist von einem Spannband 34 umgeben an dem sich Druckfeder 33 abstützen, die auf der gegenüberliegenden
Seite an den Wänden 32 des Behälters 31 anliegen
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und diese nach innen wölben. Statt des Soannbandes 34 kann auch
ein in der Figur nicht dargestellter, den Behälter 31 umgebender Rahmen vorgesehen sein.
Die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich
von der der Fig. 4 dadurch, daß in das Spannband 44 Zugfedern eingesetzt sind, so daß das Spannband den Behälter 41 elastisch
umgibt. Zwischen Spannband und Wenden 42 sind Distanzstücke
angeordnet. Auf diese Weise wölbt das Spannband 44 unter dem Einfluß der Zugfedern 43 die Wände 42 über die Distanzstücke
elastisch nach innen.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig„ 6 ist ein das Wärmespeichermedium
aufnehmender Innenbehälter 51 mit nach innen gewölbten, bei Innendruck nach außen wölbbaren Wänden 52 in einem abgeschlossenen
Außenbehälter 54 mit starren Wänden angeordnet. Im Zwischenraum 55 zwischen Innenbehälter 51 und Außenbehälter
ist unter Druck ein Gas eingefüllt, welches auf die Wände 52 des innenbehälters 51 wirkt und diese elastisch nach innen wölbt.
Statt des Gases kann in dem Zwischenraum 55 auch eine Flüssigkeit angeordnet sein. Der statische Druck dieser Flüssigkeit
wirkt auf die Wände 52 des Innenbehälters 51 und sucht diese nach innen zu wölben. Bei ansteigendem Innendruck infolge der
Volumenvergrößerung des festen Speichermediums werden die Wände 52 nach außen gewölbt. Da die Flüssigkeit inkompressibel ist,
muß sie die Möglichkeit haben, auszuweichen. Dies kann durch eine
nicht vollständige Füllung des Zwischenraumes mit einer (ein höheres spezifisches Gewicht als das flüssige Speichermedium aufweisenden)
Flüssigkeit oder durch die Verbindung des Zwischenraumes mit einem Druckausgleichsgefäß ermöglicht werden. Sowohl
die Flüssigkeit als auch das Gas beaufschlagen also die Wände mit einer elastischen, nach innen gerichteten Kraft.
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Die bisher beschriebenen Behälter mit nach innen gewölbten, nach außen wölbbaren Wänden müssen eine gewisse Formstabilität
aufweisen. Derartige Behälter werden bevorzugt aus Polyäthylen oder Polypropylen gefertigt.
Es ist auch möglich, den Behälter so auszubilden, daß er nicht formstabil ist und flexible Wände aufweist. Ein solches Ausführungsbeispiel
ist in Fig. 7 dargestellt. Ein Innenbehälter 61 für die Aufnahme des Wärmespeichermediums mit flexiblen Wänden
62 wird von einem Stützgerüst 64 gehalten, welch letzteres vorzugsweise durch die Zuleitungen des Wärmeaustauschmediums
gebildet wird. Dieser Innenbehälter 61 ist ähnlich wie das Ausführungsbeispiels der Fig. 6 in einem Außenbehälter 65 mit starren
Wänden untergebracht, und im Zwischenraum 66 befindet sich als kompressibles Druckmedium ein Gas. Dieser Gas wirkt allseits
auf den Behälter 61 und zwingt diesen, ein kleines Volumen einzunehmen. Beim Ansteigen des Innendrucks infolge der thermischen
Ausdehnung des festen Speichermediums werden die Wände 62 gegen den Druck des Gases im Zwischenraum
66 nach außen gewölbt, so daß die Volumenvergrößerung ohne weiteres aufgenommen werden kann.
Der Behälter 71 der Fig. 8 weist im wesentlichen starre Wände 72 auf, in welche bereichsweise eine oder mehrere Dehnungsfalten
74 eingearbeitet sind. Diese können ein eigenes RückStellmoment
aufweisen, d.h. beim Dehnen wirken sie der Dehnung elastisch entgegen, wie dies beispielsweise bei einem Blasebalg bekannt
ist. Es ist auch möglich, die festen Wandteile durch Federn zusammen zu spannen, so daß eine Dehnung der Dehnungsfalten 74 gegen
die Wirkung dieser Federn stattfindet. Schließlich kann ein
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derartiger Behälter auch in der in den Fig. 6 und 7 beschriebenen Weise in einen mit einem Druckmedium gefüllten Außenbehälter
mit starren Wänden eingebettet sein.
Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird durch den Einfluß einer von außen auf den das Speichermedium
aufnehmenden Behälter wirkenden elastischen Kraft das Volumen des Behälters klein gehalten, wenn das Speichermedium
flüssig ist. Dadurch verfestigt sich dieses in ein kleines Volumen hinein und kann bei einer etwaigen Volumenvergrößerung
das Behältervolumen entgegen der von außen wirkenden elastischen Kraft reversibel vergrößern. Der Behälter wird dadurch
mechanisch praktisch nicht beansprucht, so daß eine nahezu unbegrenzte Anzahl von periodisch aufeinanderfolgenden Volumenänderungen
des Behälters möglich wird.
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Claims (1)
- A 42 051 πιm - 1649. Dezember 1976Patentansprüche:ehälter zur Aufnahme eines wärmespeichernden, im festen Zustand je nach Wärmeinhalt eine unterschiedliche Dichte aufweisenden Mediums, welches zur Speicherung und Abgabe von Wärme aus dem festen in den flüssigen Zustand bzw. aus dem flüssigen in den festen Zustand überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72) des Behälters (1, 11, 21, 31, 41, 51, 61, 71) unter einer nach innen gerichteten elastischen Vorspannung stehen.2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er verschieden große Volumina umschließen kann und daß die
Vorspannung derart gewählt ist, daß er bei Füllung mit
flüssigem Medium ein kleineres Volumen einnimmt.3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er nach innen gewölbte Wände (2, 12, 22, 32, 42, 52) aufweist, die nach außen wölbbär sind.4. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wänden (2, 22, 32, 42) diese nach innen wölbende, elastische Federmittel angreifen.5. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel an der Wandinnenseite angreifende Zugfedern(3, 13) sind.12809645/0004A 42 051 m .m - 1649. Dezember 1976 - *■? -6. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel auf der Wandaußenseite anliegende Blattfedern(23) sind.7. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel auf der Wandaußenseite angreifende Druckfedern (33) sind, die sich an einem den Behälter umgebenden Spannband (34) oder Rahmen abstützen.8. Behälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ihn ein elastisches Spannband (44) oder ein elastischer Spannrahmen umgibt, an welchem sich an den Wandaußenseiten anliegende Distanzstücke (45) abstützen.9. Behälter nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (51, 61, 71) von einem zweiten, starren.geschlossenen Behälter (54, 65) umgeben ist
und daß sich im Zwischenraum (55, 66) zwischen beiden Behältern ein Druckmedium befindet.10. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium ein Gas ist.11. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium eine Flüssigkeit ist, deren statischer Druck auf die Wände (52, 62) des Innenbehälters (51, 61) wirkt.- 13-80984570004A 42 051 m — - ■ -9. Dezember 197612. Behälter nach einem der Ansprüche 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (61) flexible Wände (627 hat.13. Behälter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die flexiblen Wände (62) des Behälters (61) dehnbar sind.14. Behälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Dehnungsfalte (74) aufweist.15. Behälter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsfalten (74) eine Rückstellkraft haben, die das Volumen des Behälters (71) zu verkleinern suchen.16. Behälter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel vorgesehen sind, die die Dehnungsfalten (74) zu schließen und damit das Volumen des Behälters (71) zu verkleinern suchen.'9845/0004
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