DE2804456A1

DE2804456A1 - Waermespeicher

Info

Publication number: DE2804456A1
Application number: DE19782804456
Authority: DE
Inventors: Yves Surrel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-02-04
Filing date: 1978-02-02
Publication date: 1978-12-07
Also published as: IT1161432B; BE863418A; NL7800710A; FR2379787A1; DK33678A; FR2379787B3; LU78990A1; IT7812444A0

Description

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Μρ!.-ΐη_ν. G. Wslafeaosen β " 2. FEB, 1978 '

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Widenmayerstraße 46 Tel. (O 83) 29 51 SS

YVES SURREL
in Meyzieu/Frankreich

Wärmespeicher

Priorität: 4.2.1977 - Frankreich

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmespeicher solcher Art, wie er für thermische Anlagen, insbesondere Sonnenenergieanlagen, verwendet wird. Ein solcher Wärmespeicher besitzt üblicherweise ein Reservoir für die Aufnahme von heißem Wasser, in welchem ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, dem Energie von einem Wärmeerzeuger zugeführt wird. Ein statischer Beschleuniger ist über dem Wärmeaustauscher angeordnet und dient dazu, die Zirkulation des Wassers durch Thermosiphonwirkung zu intensivieren.

Der statische Beschleuniger besteht im allgemeinen aus einem Rohr,

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welches die Heißwassersäule, die aus dem Röhrensystem des Austauschers austritt, nach oben führt.

Diese Art der Beschleunigung besitzt Nachteile. Durch Berührung mit dem Austauscher steigt die Temperatur des Wassers, und das heiße Wasser sammelt sich im oberen Teil der Vorrichtung an. Wenn nun ein Heißwasserhahn geöffnet wird, dann wird das entnommene Wasservolumen sogleich durch ein entsprechendes Volumen kalten Wassers ersetzt, das in den Wärmeaustauscher eintritt. Die Zirkulation aufgrund von Thermosiphonwirkung wird augenblicklich intensiviert, wobei eine Turbulenz entsteht, die die Wirkung hat, die Kaltwasserschicht zu erhitzen. Dies geschieht jedoch auf Kosten der Masse des heißen Wassers, das intensiv mit dem kalten Wasser gemischt wird, ohne daß dieses genügend Zeit hatte, die durch den Wärmeaustauscher gelieferte Wärme zu absorbieren.

Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt nun einen Behälter, der aus einer wärmeisolierten Metallhülle besteht und in dem sich eine Wärme speicher flüssigkeit befindet, in die ein primärer Wärmeaustauscher, der mit einer Wärmequelle verbunden ist, wie z.B. mit einer Solarzelle, und zwei sekundäre Wärmeaustauscher eingetaucht sind, wobei die letzteren dazu dienen, Heiz- und/oder Sanitäranlagen zu beliefern. Gemäß der Erfindung ist dieser Behälter mit einem statischen Beschleuniger ausgerüstet, welcher eine Schichtung der Wärme speicher flüssigkeit in etagenartigen Schichten sicherstellt, deren Temperatur von Schicht zu Schicht von unten nach oben zunimmt. Der den Gegenstand der Erfindung bildende statische Beschleuniger ist im Raum zwischen dem primären Wärmeaustauscher und den sekundären Wärmeaustauschern angeordnet.

Dieser statische Beschleuniger zeichnet sich dadurch aus, daß er aus mehreren kegelstumpfartigen Elementen besteht, die in geeignetem Abstand übereinander angeordnet sind und von denen jedes in seiner Mitte eine kreisförmige Öffnung für den Durchgang von

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Flüssigkeit aufweist, welche durch den unten im Behälter angeordneten Wärmeaustauscher erhitzt worden ist, wobei jedes Element einen ringförmigen Zwischenraum mit geringem Durchmesser zwischen seinem Rand und der Innenwandung des Behälters beläßt, so daß Flüssigkeit, die ihre Wärme an den Wärmeaustauscher, der im oberen Teil des Behälters angeordnet ist, abgegeben hat, zum primären Wärmeaustauscher zurückkehren kann.

Der Vorteil dieses Beschleunigers besteht darin, daß er die Wärme in den oberen Teil der Vorrichtung führt und sie dort stabilisiert, wo sie auf die Wärmeaustauscher übertragen wird, welche Brauchwasser liefern oder Radiatoren oder Heizlüfter speisen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnung, welche schematisch im Schnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers zeigt.

Der dargestellte Wärmespeicher besteht in bekannter Weise aus einem vorzugsweise zylindrischen Behälter 1 geeigneter Abmessungen und mit einem Wärmeisoliermantel 2. Dieser Behälter 1 enthält eine Wärmespeicherungsflüssigkeit. In einem primären Wärmeaustauscher 3, der im unteren Teil des Behälters angeordnet ist, zirkuliert über eine Zuführleitung 4 und eine Abführleitung 5 eine wärmeführende Flüssigkeit, die beispielsweise von einer So larzelle oder einer anderen Wärmequelle stammt. Der Behälter 1 ist über eine Leitung 6 mit einem nicht dargestellten Expansionsbehälter verbunden.

Im oberen Teil des Behälters sind zwei sekundäre Wärmeaustauscher untergebracht, von denen der mit 7 bezeichnete beispielsweise dazu bestimmt ist, über eine Leitung 8 und eine Rückleitung 9 Radiatoren oder Heizlüfter einer Heizanlage zu beliefern, und von denen der mit 10 bezeichnete dazu bestimmt ist, über eine Leitung 11 und eine Rückleitung 12 eine sanitäre Heißwasseranlage zu beliefern.

An der Oberseite des Behälters befindet sich ein automatisches

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Entgasungsventil 13.

Im Raum zwischen dem primären Wärmeaustauscher 3 und den sekundären Wärmeaustauschern 7, 10 ist ein statischer Beschleuniger untergebracht, der im gewählten Beispiel aus vier metallischen Elementen 14 besteht, welche eine Kegelstumpfform aufweisen, wobei der Winkel an der Spitze beispielsweise in der Größenordnung von 150 liegt. Jedes Element besitzt eine zentrale kreisförmige Öffnung 15 mit einem Durchmesser "d", während der Rand an der Unterseite, der mit 16 bezeichnet ist, mit der Innnenwandung des Behälters über nicht dargestellte Halter verbunden ist, so daß ein ringförmiger Zwischenraum 17 zwischen der Unterseite der Wandung und dem Rand 16 bestehen bleibt.

Der Durchmesser "D" an der Unterseite eines jeden Elements ist etwas kleiner als der Innendurchmesser "D1" des Behälters.

Wenn beispielsweise der Innendurchmesser "D1" des Behälters 1000 mm beträgt, dann können die Durchmesser der Elemente 14 wie folgt sein: Durchmesser am unteren Rand 16, d.h. D = 980 mm, und Durchmesser der Öffnung 15, d.h. d = 200 mm. Daraus ergibt sich, daß der Durchmesser des ringförmigen Zwischenraums 17 genau 10 mm beträgt.

Die kegelstumpfförmigen Elemente 14 sind parallel übereinander angeordnet, so daß die zentralen Öffnungen 15 genau vertikal übereinander liegen.

Der Abstand, welcher diese Elemente voneinander trennt, kann zwischen einem Drittel und zwei Drittel des Durchmessers D1 des Behälters liegen. Diese Anordnung ergibt aufeinanderfolgende Etagen E1 - E2 - E3 - E4 - E5, im Behälter von oben nach unten gerechnet.

Die Etagen E1 und E5 werden teilweise von den Wärmeaustauschern 7, 10 und 3 eingenommen, welche in die Wärmespeicherflüssigkeit eingetaucht sind. Jede Etage enthält also eine Wärmespeicherflüssigkeitsschicht.

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Die Funktionsweise dieses Wärmespeichers ist wie folgt: Der primäre Wärmeaustauscher 3, der in der Unterseite des Behälters angeordnet ist und durch eine beliebige Wärmequelle gespeist wird, gibt seine Wärme an die im Behälter enthaltene Wärmespeicherungsf lüssigkeit ab. Diese Flüssigkeit setzt sich innerhalb der Vorrichtung nach oben in Bewegung, wobei sie den zentralen Weg durchstreicht, der dui-ch die Öffnungen 15 der übereinander angeordneten Elemente 14 gebildet wird.

Aufgrund einer Thermosiphonwirkung treibt diese erhitzte Flüssigkeit beim Aufsteigen die weniger heiße Flüssigkeit vor sich her, die durch den ringförmigen Zwischenraum 17 von Etage zu Etage absinkt, um im Wärmeaustauscher 3 wieder erwärmt zu werden und erneut ihren Weg nach oben zu nehmen.

Eine kalorische Schichtenbildung resultiert aus der Tatsache, daß die Flüssigkeitsmasse, die in der Etage E1 eingeschlossen ist, welche sich im oberen Teil des Behälters über dem ersten Element 14 befindet, durchgewärmt wird, worauf dann die Flüssigkeitsschicht E2, die sich zwischen dem ersten Element 14 und dem zweiten Element 14a befindet, aufgewärmt wird usf., bis eine maximale und homogene Temperatur erreicht ist.

Der Wärmespeicher wird deshalb voll durchgewärmt.

Die Wärme wird über die sekundären Wärmeaustauscher 7 und 10 zum Verbrauchsort geführt. Die Wärmeaustauscher 7 und 10 sind mit Heizanlagen und/oder sanitären Warmwasseranlagen durch Leitungen 8 und 9 bzw. 11 und 12 verbunden. Diese Leitungen stellen Hin- und Rückleitungen dar.

Dieser Wärmespeicher besitzt eine geringe Oberfläche im Verhältnis zum Volumen.

Für die Berechnung der Kapazität eines erfindungsgemäßen Wärmespeichers sind folgende Parameter nötig:

Klimabedingungen am Gebrauchsort,

für das Durchwärmen verfügbare Wärmemenge, Häufigkeit der Wärmeentnahme,

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Wärmebedarf der angeschlossenen Anlage.

Wenn der Wärmespeicher nicht die Wärmekapazität aufweist, die für die angeschlossene Anlage erforderlich ist, dann kann man einen Wärmeabgeber in eine der Etagen E einbauen. Hierzu wird mit Genauigkeit die Höhe berechnet, an welcher dieser Hilfswärmeabgeber angeordnet werden soll (d.h. in welcher Etage es nötig ist, ihn einzubauen). Für diese Berechnung dienen folgende Parameter :

- Häufigkeit der Wärmeabgabe,

- Wärmekapazität,

- Wärmebedarf der angeschlossenen Anlage.

Bei einer solchen Anordnung unterbricht der Wärmespeicher seine Erwärmung auf der Höhe des Wärmeabgebers, der durch einen Aquastat geregelt wird.

Die Anwendungen sind zahlreich. Der Wärmespeicher kann mit elektrischem Strom, beispielsweise Nachtstrom, mittels einer Wärmepumpe etc. erwärmt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich jedoch besonders für die Anwendung in einer mit Solarenergie betriebenen thermischen Anlage.

In diesem Fall führen während der Sonneneinstrahlung die Solarzellen ihre Wärmeenergie dem unteren Wärmeaustauscher 3 mit Hilfe eines flüssigen Wärmeträgers zu.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1.) Wärmespeicher mit einem wärmeisolierten Behälter, der eine ^■^ Wärmespeicherungsflüssigkeit enthält und in dem im unteren Teil mindestens ein primärer Wärmeaustauscher, der seine Wärme von einem flüssigen, von einer Wärmequelle hergeführten Wärmeträger empfängt, und in dem im oberen Teil mindestens ein sekundärer Wärmeaustauscher für die Abgabe der gespeicherten Wärme eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen dem primären Wärmeaustauscher (3) und den sekundären Wärmeaustauschern (7,10) ein statischer Beschleuniger vorgesehen ist, der aus mehreren metallischen Elementen (14) mit einer im wesentlichen kegelstumpfartigen Form besteht, die in geeigneten Abständen übereinander angeordnet sind, um eine Schichtung der Wärmespeicherungsflüssigkeit im Behälter (1) zu gewährleisten.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (14), welche den statischen Beschleuniger bilden, aus konischen Metallteilen mit einem großen Winkel bestehen und oben eine kreisförmige Öffnung (15) aufweisen.

3. Wärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser an der- großen Basis (16) der kegelstumpfförmigen Elemente (14) kleiner ist als der Innendurchmesser des Behälters des Wärmespeichers, derart, daß am Rand der Basis (16) ein ringförmiger Zwischenraum (17) mit kleinem Querschnitt verbleibt.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere radiale Halter von der Basis (16) der Elemente (14) bis zur Innenwandung des Behälters (1) erstrecken.

5. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (14) des statischen Beschleunigers parallel so übereinander angeordnet sind, daß ihre zentrale Öffnung und der zwischen ihnen verbleibende Zwischenraum jeweils einem Bruchteil des Durchmessers des Behälters entspricht und daß

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durch diese Anordnung aufeinanderfolgende Etagen (E) gebildet werden.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Hilfswärmeabgeber in ein oder mehreren Etagen (E) vorgesehen sind.

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