-
"Einwandiger Wärmespeicher aus Stahl"
-
Die Erfindung betrifft einen einwandigen Wärmespeicherbehälter aus
Stahl für Wasser als Speichermedium mit einer WOrmeisolierung, einem Heißwasserzulauf
und einem Heißwasserablauf.
-
Bei bekannten Wärmespeicherbehältern dieser Art stellt sich im Speicherwasser
eine mehr oder weniger gleichmäßige Temperatur ein, so daß vor allem dann, wenn
die Temperatur des zulaufenden Wassers schwankt, nur warmes, jedoch kein heißes
Brauchwasser zur Verfügung steht. Dieser Temperaturausgleich beruht einmal darauf,
daß beim Einlaufen neuen Heißwassers durch die Einlaufströmungen eine Verwirbelung
des im Wärmespeicher enthaltenen Wassers hervorgerufen wird, zum anderen darauf,
daß auch bei ungestört ruhendem Wasser im Speicherbehälter, bei dem sich eine natürliche
Temperaturschichtung ausbilden könnte, nämlich das heißere, weniger dichte Wasser
oben und das kältere, dichtere unten, es zu einer an der Behälterwand durch Fallströmungen
angestoßenen Umlaufströmung des gesamten Wassers im Behälter kommen kann.
-
Diese Umlaufströmung kann bei den bekannten, außen isolierten Wärmespeicherbehältern,
bei denen dann eine Stahlwand an die Flüssigkeit angrenzt, durch Wärmeleitung in
der Stahlwand und dadurch Abkühlung der höher gelegenen Bereiche der Wand und des
angrenzenden, heißeren Wassers hervorgerufen werden.
-
Dieser letzte, die natürliche Temperaturschichtung im Behälter vernichtende
Effekt ist besonders wirksam bei sehr großen, zylindrischen Behältern, die aus räumlichen
Gründen liegend installiert werden müssen, zum Beispiel für Einlagerung
ins
Erdreich. Die dabei auftretenden großen waagerechten Flächen und entsprechend großen
Strömungsquerschnitte mit geringem Strömungswiderstand machen eine natürliche Temperaturschichtung
des Wassers im Behälter besonders empfindlich gegen Störungen.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird die Aufgabe der Erfindung
darin gesehen, einen Wärmespeicherbehälter für Wasser so auszubilden, daß sich eine
natürliche Temperaturschichtung des Wassers im Behälter einstellt, die auch bei
Zufuhr unterschiedlich warmen Wassers und auch bei der Entnahme von Wasser nicht
gestört wird, so daß der Wärmespeicher immer möglichst heißes Wasser als Brauchwasser
zur Verfügung stellen kann.
-
Diese Aufgabe wird bei einem Wärmespeicherbehälter der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, daß die Wärmeisolierung auf der Innenseite des Behälters angebracht
ist, daß der Heißwasserzulauf einen großen Querschnitt aufweist, daß die Eintrittsstelle
des Heißwasserablaufs sich im oberen Behälterteil und eine Eintrittsstelle eines
Kaltwasserzulaufs und -ablaufs sich im unteren Behälterteil befinden.
-
Dadurch, daß die Wärmeisolierung des Behälters auf der Innenseite
angebracht ist, stellt sich an der Grenzfläche der Isolierung gegen das Wasser die
gleiche Temperaturverteilung 6 wie im Wasser, da in der Isolierung ein Wärmestrom
von wärmeren Oberflächenteilen zu kälteren Oberflächenteilen unterdrückt wird; es
kommt nicht zur Abkühlung der wärmeren Teile des Wassers an der Behälterwand und
dadurch auch nicht zu den den Behälterinhalt verwirbelnden Fallströmungen an der
Wand. Der große Querschnitt des Heißwasserzulaufs im Behälter, wobei die Zulaufleitung
normaldimensioniert
ist, also einen wesentlich kleineren Querschnitt hat, sorgt für ein so langsames
Zuströmen des heißen Wassers mit so geringen Strömungsgeschwindigkeiten, daß die
Zuströmgeschwindigkeit im Bereich thermischer Strömungen liegt, wobei Verwirbelungen
vermieden werden und das zuströmende Wasser infolge seiner der Temperatur entsprechenden
Dichte soweit im Behälter absinkt, bis es auf eine gleich warme und damit gleich
dichte Wasserschicht im Wärmebehälter trifft und dort eingelagert wird. Die im oberen
Behälterteil befindliche Eintrittsstelle des Heißwasserablaufs sorgt dafür, daß
immer das heißeste Wasser als Brauchwasser entnommen wird. Der Behälter ist im Betrieb
völlig mit Wasser gefällt; wird aehr Heißwasser zugeführt, als durch den Heißwasserablauf
entnoamen wird, so wird durch die sich im unteren Behälterteil befindende Eintrittsstelle
des Kaltwasserzulaufs und -ablaufs das kälteste, im Behälter befindliche Wasser
entfernt und so die mittlere Temperatur des Speicherwassers erhöht. Ist umgekehrt
der augenblickliche Bedarf an heißem Wasser höher, als der zustrdmenden Menge heißen
Wassers entspricht, wird durch den Kaltwasserzulauf kaltes Wasser ohne Störung der
natürlichen Temperaturverteilung unterschichtet.
-
Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet
sein.
-
Dadurch, daß die Austrittsstele des Heißwasserzulaufs ungefähr in
halber Höhe des Behälters liegt, erhält man in zeitlichen Mittel die geringsten
Transportwege für das zugeleitete Heißwasser bei der Einlagerung in der der Temperatur
des zugeleiteten Wassers entsprechenden Schicht des gespeicherten
Wassers.
Ist das zugeleitete Wasser wärmer als die Schicht in Höhe der Austrittsstelle, steigt
es auf; ist es kälter, fällt es ab, jeweils bis in die den Eigentemperaturen entsprechende
Speicherwasserschicht und wird dort eingelagert.
-
Der Heißwasserzulauf kann auch bis annähernd auf den Boden des Behälters
reichen und in verschiedenen Höhenlagen des Heißwasserzulaufs Durchlauföffnungen
aufweisen. Die Durchführung des Heißwasserzulaufs bis annähernd auf den Behälterboden
stellt einen langen Strömungsweg mit großem Querschnitt zum Ausgleich verschiedener
Strömungsgeschwindigkeiten zur Verfügung, wobei die Ausbildung einer natUrlichen
Temperaturschichtung schon im Heißwasserzulauf selbst gefördert wird. Das zugeführte
Heißwasser tritt dabei in den verschiedenen Höhenlagen des Heißwasserzulaufs durch
die Durchlauföffnungen entsprechend der Temperaturschichtung in dem gespeicherten
Wasser in das gespeicherte Wasser aus.
-
Dieses direkte Eintreten des zugeführten Heißwassers in die Wasserschicht
gleicher Temperatur im Speicherbehälter kann dadurch noch gefördert werden, daß
die unterste Offnung des Heißwasserzulaufs einen großen Querschnitt aufweist und
die oberen Durchlaßöffnungen einen geringen Querschnitt haben.
-
Die unterste Öffnung des Heißwasserzulaufs kann dabei z.B.
-
der volle Rohrquerschnitt des Heißwasserzulaufs sein. Dadurch wird
an dieser Stelle der Druck in dem Heißwasserzulauf gleich gehalten dem Druck außerhalb
des Heißwasserzulaufs. Steigt nun von diesem unteren Punkt an nach oben ausgehend
die Temperatur im Heißwasserzulauf stärker an als außerhalb des Heißwasserzulaufs,
so sinkt der statische Druck infolge der geringeren Dichte des Wassers vom unteren
Punkt nach oben geringer ab als außerhalb des Heißwasserzulaufs. Dadurch ist der
Druck an den Durchtrittsöffnungen innerhalb des Heißwasserzulaufs an höher gelegenen
Stellen höher als außerhalb,
und das Heißwasser tritt unter Druckabfall
durch die Öffnungen an höheren Stellen durch die Durchtrittsöffnungen aus. Ist umgekehrt
die Temperatur imHeißvasserzulauf geringer als außerhalb, so ist unterschiedlichen
Dichten der statische Druck im Innern des Zulaufs geringer als außerhalb, und das
Wasser tritt erst an tieferen Stellen aus dem Zulauf in den Speicherbehälter aus.
Auf diese Weise wirkt die Zulaufeinrichtung durch die entsprechende Dimensionierung
der Durchtrittsöffnungen als selbsttätige Regeleinrichtung, die bei unterschiedlichen
Temperaturen des anfallenden Heißwassers die Zufuhr an der richtigen, der Temperaturschichtung
im Wärmespeicherbehälter entsprechenden Stelle fördert.
-
Der Heißwasserzulauf kann in seinem oberen Bereich eine sich über
seinen Gesamtquerschnitt ausdehnende Drosselvorrichtung aufweisen, die dann zweckmäßigerweise
dort angebracht wird, wo sich der Querschnitt von der normaldimensionierten Zuführungsleitung
für das Warmwasser in den großen Querschnitt des Heißwasserzulaufs erweitert. Durch
die Drosselvorrichtung wird auf deren Einlaufseite ein geringer Überdruck erzeugt,
der für einen gleichmäßigen Wasseraustritt über den Gesamtquerschnitt in den Heißwasserzulau
sorgt. Diese Drosselstelle kann als Kunststoffschwam ausgebildet sein oder auch
als voluminöses Gewirk aus Kunststofffäden.
-
Die Wärmeisolierung des Behälters kann dadurch verbessert werden,
daß sie innen mit einer wasser- und wasserdampfdichten Folie abgedeckt ist, die
das Eindringen von Wasser verhindert.
-
Wasser und Wasserdampfdichtigkeit der Folie ist dadurch zu erreichen,
daß die Folie aus einer Kunststoffträgerschicht, einer Aluminiumfolie als Zwischenschicht
und einer Kunststoffolie als Siegelschicht besteht. Die 1Kunststoffolien wirken
als Wasserabdichtung und die Aluminiumfolie als Dampfsperre. Dabei eignen sich als
Kunststoffe z.B. Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid.
-
Eine besonders hochwertige Wärmeisolierung besteht aus Polyurethanschaum.
Bei geringeren Ansprüchen hinsichtlich der mechanischen Festigkeit kann bei guten
Wärmedämmeigenschaften auch mit Styroporschaum gearbeitet werden.
-
Im folgenden wird anhand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schematischen Schnitt durch einen
Teil eines liegenden, einwandigen Wärmespeicherbehälters. Der einwandige Wärmespeicherbehälter
aus Stahl 1 für Wasser als Speichermedium hat eine auf der Innenseite des Behälters
angebrachte Wärmeisolierung 2. Der Heißwasserzulauf 3 weist einen großen Querschnitt
auf, die Zuführungsleitung 4 zum Zulauf 3 ist demgegenüber klein.
-
Die Eintrittstelle des Heißwasserablaufs 5 befindet sich im oberen
Behälterteil und die Eintrittsstelle des Kaltwasserablaufs 6 im unteren Behälterteil.
Der Heißwasserzulauf 3 führt bis annähernd auf den Boden des Behälters. In verschiedenen
Höhenlagen des Heißwasserzulaufs sind schlitzförmige Öffnungen 7 angebracht. Am
unteren Ende ist der Heißwasserzulauf mit seinem vollen Querschnitt offen. Am oberen
Ende ist ein Kunststoffschwamm als Drosselstelle 8 eingesetzt. Die aus Polyurethanschaum
bestehende Wärmeisolierung 2 ist mit einer wasser- und wasserdampfdichten Folie
9 abgedeckt, die aus einer Polyäthylenträgerschicht,
einer Aluminiumfolie
als Zwischenschicht und einer Polyäthylenfolie als Deckschicht besteht. Der Kaltwasserzulauf
und -ablauf 6 besteht aus einer Kunststoffleitung. Wegen der Kleindimensionierung
und der dadurchgeringen, in ihm enthaltenen Wassermengen genügt dessen Isolierwirkung
und es kann auf eine zusätzliche Isolierung verzichtet werden.
-
Beim Zulauf von Heißwasser durch die Zuführungsleitung 4 baut sich
an der Drosselstelle 8 ein geringer Überdruck auf und das heiße Wasser strömt laminar
über den gesamten Querschnitt in den Heißwasserzulauf 3 ein. Es strömt von da nach
unten und tritt durch die Schlitze 7 an den Stellen aus, an denen die Temperatur
des zulaufenden Heißwassers der Temperatur des wärmemäßig geschichteten Heißwassers
im Speicher entspricht. Dabei wird durch den unten offengelassenen vollen Querschnitt
des Heißwasserzulaufs 3 an dieserßtelle der gleiche Druck innen, Pio wie außen,
Pao eingestellt. In einer Höhe h über dem unteren Ende des Heißwasserzulaufs 3 ist
der Druck innen
und der Druck außen
wobei g die Erdbeschleunigung und Si bzw. fa die von der jeweiligen Temperatur abhängigen
Dichten der Flüssigkeit innerhalb des Heißwasserzulaufs 3 und außerhalb von ihm
sind.
-
Bei höherer Temperatur des Wassers innen als außen und dementsprechend
geringerer Dichte von yi als a ist Pih größer als Pah und Wasser tritt durch in
der Höhe h befindliche Schlitze von innen nach außen aus. Ist umgekehrt die Temperatur
im Innern des Heißwasserzulaufes geringer als die Temperatur des äußeren, gespeicherten
Wassers, so ist gi größer als a und Pih kleiner als Pah Es kommt dann
nicht
zu einem Austritt des kälteren Wassers durch höher gelegene Durchlaßöffnungen 7,
sondern das zugeführte Heißwasser tritt solange durch den unteren, offenen Querschnitt
des Heißwasserzulaufs aus, bis im Innern wieder eine höhere Temperatur des Wassers
vorliegt als außen.
-
Auf diese Weise regelt der Heißwasserzulauf selbsttätig die Einlagerung
des zugeführten Heißwassers an der seiner Temperatur entsprechenden Höhenlage des
gespeicherten Wassers. Der große Querschnitt des Heißwasserzulaufs ermöglicht dabei
die Einstellung einer natürlichen Temperaturschichtung auch im Heißwasserzulauf
selbst und unterstützt so den Regeleffekt wirksam. Durch die natürliche Temperaturschichtung
erfolgt der Heißwasserzulauf in den Wärmespeicherraum überwiegend an solchen Stellen,
an denen die Temperatur des zulaufenden Heißwassers der Temperatur des wärmemäßig
geschichteten Heißwassers im Speicher entspricht oder etwas höher als die Umgehungstemperatur
ist. Dabei fließt das Heißwasser dem kälteren Wasser im Speicher geschichtet auf.
-
Die Temperaturschichtung ist in der Figur durch strichliert eingezeichnete
Isothermen 10, 11, 12 und 13 angedeutet, die Temperaturen von 900C, 700C, 500C und
300C entsprechen. Die Innenisolierung 2 sorgt dafür, daß diese Temperaturschichtung
nicht durch Wandströmungen verwirbelt wird. Der Heißwasserablauf 5 entnimmt das
Brauchwasser an der heißesten Stelle.
-
Der Kaltwasserablauf 6 läßt das kälteste Wasser abfließen, wenn neues
Heißwasser zugeführt wird und nicht gleichzeitig Brauchwasser durch den Heißwasserablauf
5 entnommen wird. Im Falle einer Entnahme von Heißwasser ohne Zufuhrmöglichkeit
neuen Heißwassers kann durch den Kaltwasserablauf 6 auch kälteres Wasser zugeführt
werden. Der Wärmespeicherbehälter muß zur einwandfreien Funktion im Betrieb immer
restlos gefüllt sein.
-
Ansprüche: