DE2658720C3 - Latentwärmespeicher zur Aufnahme eines wärmespeichernden Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher 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, der verschiedene Wandlagen einnehmen kann, bei denen er unterschiedlich große Volumina umgibt.

Derartige Wärmespeicher haben den Vorteil, daß die Änderung des Wärmeinhaltes in bestimmten Grenzen bei im wesentlichen konstanter Temperatur erfolgt, nämlich bei der Temperatur der Aggregatzustandsänderung.

Latentwärmespeicher werden beispielsweise in Heizungssystemen eingesetzt, in welchen sie die Heizung Dei Bedarfsspitzen unterstützen, während sie bei geringem Wärmebedarf von der Heizung aufgeladen werden.

Es ist ein Latentwärmespeicher bekannt, der mit einem hochschmelzenden Latentwärmespeichermedium, beispielsweise mit Natrium-Hydroxyd, arbeitet. Um bei diesem System die durch die Temperaturänderung auftretenden Volumenänderungen aufnehmen zu können, wird bei dem bekannten System ein Speicherbehälter mit flexiblen Wänden verwendet, der mit dem heißen Speichermedium gefüllt und in diesem Zustand hermetisch abgeschlossen wird. Bei Abkühlung und entsprechender Volumenverringerung sinkt der Druck im Innern des Behälters ab, so daß der Atmosphärendruck die Wände des Behälters nach innen wölbt. Dieser Vorgang ist reversibel, d. h. beim Aufwärmen werden die Wände wieder in den ursprünglichen Zustand zurückbewegt (DE-OS 19 05 070).

Zwar ist es mit einem solchen Behälter möglich, den Betrieb mit bestimmten Wärmespeichermedien durchzuführen, jedoch ergeben sich bei einer Vielzahl üblicherweise verwendeter Wärmespeichermedien, wie beispielsweise Glaubersalz, trotzdem Schwierigkeiten bei der Aufnahme der im Betrieb auftretenden Volumenänderungen.

Es sind Latentwärmespeicher bekannt, die als wärmespeicherndes Medium Glaubersalz enthalten, welches bei einer Temperatur von 305,53 K vom festen in den flüssigen Zustand übergeht und dabei eine Wärmemenge von etwa 366,8 KJ pro Liter abgibt.

Entzieht man dem wärmespeichernden Medium Wärme, so bildet sich eine feste Phase im Wärmespeichermedium aus, und diese feste Phase kann ihr Volumen, beispielsweise durch Verdichtung oder Urnkristallisation, 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 nunmehr 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 dieses im Inneren des Behälters wegen des festen Zustands des Mediums nicht ausgleichen, was bei starren Behälterwänden zu einer Zerstörung derselben

führen muß.

Man hat aus diesem Grunde derartige Wärmespeicherbehälter auch bereits 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 -verkleine- ι ο rungen 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 bei einem Latentwärmespeicher der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Merkmale gelöst.

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.

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 Drackmedium 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 S5 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 bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf einen aufgeschnittenen Behälter gemäß der Erfindung;

F i g. 2 eine Ansicht ähnlich F i g. 1 einer anderen so Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters;

F i g. 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;

F i g. 5 eine schematische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Behälter mit einer Spannbandfederung; bO

Fig.6 eine schematische Draufsicht auf einen in einem äußeren Behälter angeordneten Behälter gemäß der Erfindung;

Fig.7 eine Ansicht ähnlich Fig.6 einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Behälters und

F i g. 8 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eines Behälters gemäß der Erfindung.

Der in F i g. 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 wölben und nehmen dann die in F i g. 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 Behälterwände 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 F i g. 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.

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 F i g. 1 dargestellten Ausführungsbcispieles jeweils zwischen benachbarten Wänden 2 gespannt.

Der Behälter 21 der F i g. 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 F i g. 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 und diese nach innen wölben. Statt des Spannbandes 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 F i g. 4 dadurch, daß in das Spannband 44 Zugfedern 43 eingesetzt sind, so daß das Spannband den Behälter 41 elastisch umgibt. Zwischen Spannband und Wänden 42 sind Distanzstücke 45 angeordnet. Auf diese Weise wölbt das Spannband 44 unter dem Einfluß der Zugfedern 43 die Wände 42 über die Distanzstücke 45 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 54 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 52 mit einer elastischen, nach innen gerichteten Kraft

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 F i g. 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 Ausführungsbeispiel der F i g. 6 in einem Außenbehälter 65 mit starren Wänden untergebracht, und im

ίο Zwischenraum 66 befindet sich als kompressibles Druckmedium ein Gas. Dieses 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 Dehnungsfaiten 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

2S bekannt ist. Es ist auch möglich, die festen Wandteile durch Federn zusammenzuspannen, so daß eine Dehnung der Dehnungsfalien 74 gegen die Wirkung dieser Federn stattfindet. Schließlich kann ein derartiger Behälter auch in der in den F i g. 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 etaigen 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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Latentwärmespeicher 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, der verschiedene Wandlagen ι ο einnehmen kann, bei denen er unterschiedlich große Volumina umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2, 12, 22, 32, 42, 52, 62, 72) unter einer äußeren, nach innen gerichteten, elastischen Vorspannung stehen, die derart gewählt ist, daß der Behälter(l, 11,21,31,41,51,61,71) bei Füllung mit flüssigem Medium ein kleineres Volumen einnimmt

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er nach innen gewölbte Wände (2, 12, 22,32,42,52) aufweist, die nach außen wölbbar sind.

3. Behälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wänden (2, 22, 32, 42) diese nach innen wölbende, elastische Federmittel angreifen.

4. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel an der Wandinnenseite angreifende Zugfedern (3, 13) sind.

5. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel auf der Wandaußenseite anliegende Blattfedern (23) sind.

6. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federmittel auf der Wandaußenseite angreifende Druckfedern (33) sind, die sich an einem den Behälter umgebenden Spannband (34) oder Rahmen abstützen.

7. Behälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihn ein elastisches Spannband (44) oder ein elastischer Spannrahmen umgibt, an welchem sich an den Wandaußenseiten anliegende Di- to stanzstücke (45) abstützen.

8. Behälter nach Anspruch 1 und 2, 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.

9. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium ein Gas ist.

10. Behälter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmedium eine Flüssigkeit ist, deren statischer Druck auf die Wände (52, 62) des Innenbehälters (51, 61) wirkt.

11. Behälter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenbehälter (61) flexible Wände (62) hat.

12. Behälter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die fexiblen Wände (62) des Behälters (61) dehnbar sind.

13. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Dehnungsfalte (74) aufweist.

14. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsfalten (74) eine Rückstellkraft haben, die das Volumen des Behälters (71) zu verkleinern suchen.

15. Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Federmittel vorgesehen sind, die die Dehnungsfalten (74) zu schließen und damit das Volumen des Behälters (71) zu verkleinern suchen.