DE2826404A1

DE2826404A1 - Verfahren und vorrichtung zur entladung eines latentwaermespeichers

Info

Publication number: DE2826404A1
Application number: DE19782826404
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Lindner
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1978-06-16
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-12-20
Also published as: JPS5817399B2; CA1118766A; JPS5528490A; US4300622A; FR2428796B1; DE2826404C2; FR2428796A1

Description

DR.-ING. DlPI ING. M.-SC. -■ ""_ "CIPL.-fVyIeQ ppi? . DIPU,-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT -;<^F?TESSBACH - HAECKER

P ΑΤΕ'νΊγ ANWÄLTE IN STUTTGART

A 42 878 m Anmelder: Deutsche Forschungs- und

u - 168 Versuchsanstalt für Luft-

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Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Entladung eines Latentwärmespeichers

C Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entladen eines Latentwärmespeichers, dessen Speichermedium beim Laden vom festen in den flüssigen und beim Entladen vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, bei welchem man zum Laden und Entladen ein mit dem Speichermedium nicht mischbares Wärmetauschermedium durch das Wärmespeichermedium hindurchleitet.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Patentanmeldung P 26 07 168.1-13 derselben Anmelderin ist ein Latentwärmespeicher beschrieben, in welchem ein Latentwärmespeichermedium, beispielsweise Glaubersalz, abwech^v"' selnd im flüssigen und im festen Zustand vorliegt. Zum "Laden" des Latentwärmespexchers wird diesem ein mit dem Wärmespeichermedium nicht mischbares Wärmetauschermedium, beispielsweise ein besonderes öl, zugeführt, welches beim Durchgang durch das Speichermedium Wärme an dieses abgibt und es dabei aufschmelzt. Das spezifisch leichtere Wärmetauschermedium sammelt sich oberhalb des Wärmespeichermediums an und kann von dort im Kreislauf erneut einer Wärmequelle zugeführt werden.

Zum Entladen wird ebenfalls ein nicht mischbares WHrmetauschermedium verwendet, welches beim Durchgang durch das Wärmespei-

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chermedium Wärme aus diesem aufnimmt, wobei das Wärmespeichermedium in den festen Zustand übergeht. Das auf diese Weise erwärmte Wärmetauschermedium sammelt sich oberhalb des Wärmespeichermediums an und kann von dort einem Verbraucher zugeführt werden.

Bei der bekannten Vorrichtung ist durch eine entsprechende Anordnung der Zuführöffnungen des Wärmetauschermediums dafür Sorge getragen, daß zur Erzielung einer möglichst effektiven Wärmeübertragung zwischen Wärmetauschermedium und Wärmespeichermedium das Wärmetauschermedium einen möglichst langen Weg im Wärmespeichermedium zurücklegt, vorzugsweise wird das Wärmetauschermedium an der Unterseite des Speicherbehälters in das Wärmespeichermedium eingeleitet und durchquert dann in Form kleiner Tropfen o. dgl. die gesamte Schichtdicke des Wärmespeichermediums.

Es hat sich herausgestellt, daß bei einem längeren Betrieb eines solchen Latentwärmespeichers in zunehmendem Maße Wärmetauschermedium im Festphasenbereich des Wärmespeichermediums festgehalten wird, so daß sich die Lage der Grenzfläche zwischen Wärmespeichermedium und Wärmetauschermedium bei fortschreitender Betriebsdauer verschiebt. Dies birgt die Gefahr in sich, daß Rohre, Armaturen und sekundäre Wärmetauscher blokkiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese unerwünschte Anreicherung von Wärmetauschermedium im festphasigen Teil des

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Wärmespeichermediums zu verhindern, ohne daß dabei die Effektivität der Wärmeübertragung beim Entladen des Speichers beeinträchtigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man beim Entladen das flüssige oder gasförmige Wärmetauschermedium unmittelbar in den flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums einleitet und einen direkten Kontakt des Wärmetauschermediums mit dem festen Bereich des Wärmespeichermediums vermeidet.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also in Abkehr von der bisherigen Praxis vorgeschlagen, das Wärmetauschermedium beim Entladen nicht mehr durch die gesamte Schicht des Wärmespeichermediums hindurchlaufen zu lassen, sondern es unmittelbar in den - gegebenenfalls nur recht dünnen - Bereich einzuleiten, in welchem das Wärmespeichermedium flüssig ist. Dies führt in der Regel dazu, daß die Weglänge, während welcher das Wärmetauschermedium mit dem Wärmespeichermedium in Wärmeübertragungskontakt steht, wesentlich kürzer wird als bei bisherigen Betriebsweisen, bei denen das Wärmetauschermedium die gesamte Schichtdicke des Wärmespei chermediums durchlaufen hat. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß diese Verringerung der Kontaktwegstrecke nicht etwa zu einer Verschlechterung der Wärmeübertragungseigenschaften führt, sondern man hat ganz im Gegenteil sogar verbesserte Wärmeübertragungseigenschaften gefunden.

Außerdem hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine Anreicherung des Wärmetauschermediums im festphasigen Bereich des Wärmespeichermediums weitgehend unterbleibt. Wenn auch der Grund für den Wegfall der Anreicherung noch

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nicht in allen Einzelheiten geklärt ist, so scheint doch die Tatsache eine Rolle zu spielen, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme das Wärmespeichermedium bei der Verfestigung nicht mit dem Wärmetauschermedium in Kontakt steht. Das flüssige Wärmespeichermedium kann sich bei Abkühlung nur dann verfestigen, wenn sich in der flüssigen Phase Kristallisationskeime befinden, also beispielsweise kleinste Kristallenen des Wärmespeichermediums. Ohne solche Kristallisationskeime kann die Temperatur des flüssigen Mediums wesentlich unter die Gefriertemperatur absinken, ohne daß eine Kristallisation eintritt, man spricht dann von einer unterkühlten flüssigen Phase. Insbesondere bei dem bevorzugt verwendeten Wärmespeiehermedium Glaubersalz ist der Unterkühlungseffekt sehr ausgeprägt, die Temperatur der flüssigen Phase kann bis zu 17° unter die Kri- · stallisationstemperatur absinken.

Eine Kristallisation tritt also in dem Latentwärmespeicher überall dort auf, wo Kristallisationskeime herangeführt werden, die in der Regel aus dem festen Bodensatz herrühren, in dem das Wärmespeichermedium in Kristallform vorliegt. Bei den herkömmlichen Verfahren, bei dem das Wärmetauschermedium den festen Bodensatz des Wärmespeichermediums durchlief, transportierte das Wärmetauschermedium immer eine Vielzahl von Kristallisationskeimen mit sich in den flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums. Die durch das Wärmetauschermedium erfolgende Abkühlung des Wärmespeichermediums führte daher sofort zu einer Kristallisation, da gerade in dem Bereich, in dem die Abkühlung des Wärmespeichermediums erfolgte, durch das Wärmetauschermedium auch Kristallisationskeime herangeführt waren. Bei dieser Kristallisation, die in unmittelbarem Kontakt mit dem Wärmetauschermedium, das die Kristallisationskeime herangeführt hatte, erfolgte, wurde ein Teil des Wärmetauschermediums durch

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die sich bildenden Kristalle des Wärmespeiehermediums gefangen und zusammen mit den Kristallen in den festen Bodensatz transportiert, wenn die Kristalle infolge ihres höheren spezifischen Gewichtes absanken.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet beim Entladen des Speichers den Kontakt des Wärmetauschermediums mit der festen Phase des Wärmespeichermediums, so daß das Wärmetauschermedium im Regelfall keine Kristallisationskeime mit sich führt. In dem Bereich, in dem der Wärmeübergang zwischen Wärmetauschermedium und Wärmespeichermedium erfolgt, fehlen also Kristallisationskeime. Die Kristallisation des Wärmespeichermediums erfolgt in anderen Bereichen, beispielsweise in der Nähe des festen Bodensatzes, in dem mehr Kristallisationskeime im Warmespeichermedium enthalten sind. In dem Bereich befindet sich aber praktisch kein Wärmetauschermedium, so daß ein Einfangen des Wärmetauschermediums durch die sich bildenden Kristalle des Wärmespeichermediums unterbleibt.

Durch die Einleitung des Wärmetauschermediums in den flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums wird also eine räumliche Trennung zwischen Wärmeübergang einerseits und Kristallisation andererseits erreicht, und damit kann sich das Wärmetauschermedium, das sich mit dem flüssigen Wärmespeichermedium nicht vermischt, vollständig oberhalb des Wärmespeichermediums ansammeln. Verluste an Wärmetauschermedium treten bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Entladen praktisch nicht mehr auf.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß man das Wärmetauschermedium beim Entladen in der Nähe der oberen Grenzfläche in das flüs-

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sige Wärmespeichermedium einleitet.

Beispielsweise kann man das Wärmetauschermedium unmittelbar un"herhalb der Grenzfläche in das Speichermedium eintreten lassen. Es ist auch möglich, das Wärmetauschermedium in Form eines Strahles in das Speichermedium einzubringen, den man oberhalb der Grenzfläche erzeugt.

Günstig ist es, wenn man das Wärmetauschermedium schräg zur Grenzfläche in das Speichermedium einleitet.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Wärmetauschermedium derart in das flüssige Wärmespeichermedium einzuleiten, daß in letzterem eine Zirkulation und/oder Verwirbelung stattfindet. Dadurch wird die Effektivität der Wärmeübertragung erheblich erhöht, und außerdem wird eine zu starke Unterkühlung des flüssigen Wärmespeichermediums verhindert, da durch die Zirkulation und/oder die Verwirbelung auch Kristallisationskeime im flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums verteilt werden. Da diese Verteilung aber nicht unmittelbar durch das Wärmetauschermedium erfolgt, sondern mittelbar durch die Verwirbelung des Wärmespeichermediums, ist die Häufigkeit einer Kristallisation in unmittelbarer Nähe des Wärmetauschermediums trotzdem wesentlich geringer als bei dem herkömmlichen Verfahren, so daß ein Einfangen des Wärmetauschermediums weitgehend unterbleibt.

Die Zirkulation und/oder Verwirbelung im flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums hat außerdem noch einen weiteren günstigen Effekt. Wenn man als Wärmespeichermedium beispielsweise Glaubersalz verwendet, dann ergibt sich die Schwierigkeit, daß Glaubersalz "inkongruent" schmilzt, d.h. beim Schmelzen ent-

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steht festes Glaubersalzanhydrid, welches zu Boden fällt. Da dadurch die Zusammensetzung des Speichermediums verändert wird, ist es notwendig, dieses Anhydrid wieder in Lösung zu bringen, was durch eine entsprechende Zufuhr von Lösungsmittel (Wasser oder verdünnte Lösung, wie zum Beispiel die beim Schmelzen entstehende verdünnte Salzhydratlösung) erfolgen kann. Die Verwirbelung des flüssigen Wärmespeichermediums führt zu einem verstärkten Kontakt zwischen der flüssigen Phase des Wärmespeichermediums und der festen Phase, in welcher das Anhydrid abgelagert wird, und damit zu einer reversiblen Lösung des Anhydrids. Dadurch wird eine gleichbleibende Zusammensetzung des Wärmespeichermediums gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Zufuhr des den Speicher entladenden Wärmetauschermediums Zufuhröffnungen vorgesehen sind, welche das Wärmetauschermedium in den flüssigen Bereich des Speichermediums einleiten, so daß ein direkter Kontakt des Wärmetauschermediums mit dem festen Teil des Wärmespeichermediums vermieden ist.

Günstig ist es, wenn die Zufuhröffnungen selektiv verschließbar sind, um entsprechend der Menge des festen Speichermediums eine Einleitung des Wärmetauschermediums nur in das flüssige Speichermedium zu ermöglichen.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Zufuhröffnungen in verschiedener Tiefe unterhalb der Grenzfläche Wärmespeichermedium - Wärmetauschermedium angeordnet sind.

Die Zufuhröffnungen können derart angeordnet sein, daß der austretende Wärmetauseherstrom im wesentlichen parallel zu

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einer Wand oder dem Boden des Speicherbehälters oder der Grenzfläche Wärmespeichermedium - Wärmetauschermedium geführt wird.

Die vorstehend beschriebenen Maßnahmen betreffen alle das Entladen des Wärmespeichers, also die Entnahme von Wärme aus diesem. Beim Laden des Wärmespeichers wird in der herkömmlichen Weise vorgegangen, d.h. das wärme Wärmetauschermedium wird nach Möglichkeit durch die gesamte Schicht des Wärmespeichermediums hindurchgeleitet, da die mit der Kristallisation des Wärmespeichennediums verbundenen Schwierigkeiten des Einfangs von Wärmetauschermedium beim Laden selbstverständlich nicht auftreten.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dienen im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Latentwärmespeichers mit einem Ladekreislauf und einem Entladekreislauf und

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels eines Latentwärmespeichers mit einem Entladekreislauf.

Der in Fig. 1 dargestellte Latentwärmespeicherbehälter 1 enthält ein Latentwärmespeichermedium 2, welches im Betrieb beim Laden in den flüssigen und beim Entladen in den festen Zustand übergeht. Vorzugsweise wird als Latentwärmespeichermedium Glaubersalz verwendet. Oberhalb des Latentwarmespeichermediums 2 befindet sich eine Schicht eines Wärmetauschermediums 3,

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vorzugsweise eines Öles. Zum Laden des Wärmespeichers, d.h. zur Zufuhr von Wärme in das Wärmespeichermediumjist ein Ladekreislauf vorgesehen, der eine mit einer Pumpe 4 versehene Ansaugleitung 5, ein Dreiwegeventil 6, eine Wärmequelle 7, eine Zufuhrleitung 8 und eine im Bodenbereich des Behälters 1 angeordnete, mit einer Vielzahl von öffnungen 9 versehene Austrittsleitung 10 umfaßt.

Die Ansaugleitung 5, die Pumpe 4 und das Dreiwegeventil 6 bilden auch einen Teil eines Entladekreislaufes, der darüber hinaus einen Wärmetauscher 11, eine Zufuhrleitung 12 und Zufuhröffnungen 13 umfaßt. Gemäß der Erfindung sind die Zufuhröffnungen 13 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart oberhalb der Grenzfläche Wärmespeichermedium - Wärmetauschermedium angeordnet, daß der aus ihnen austretende Strahl des Wärmetauschermediums schräg in die Oberfläche des Wärmespeichermediums eintritt und dabei nur geringfügig in dasselbe eintritt.

Im Betrieb wird das Wärmetauschermedium zum Laden des Speichers durch den Wärmekreislauf gepumpt, wobei das in der Wärmequelle 7 erwärmte warme Tauschermedium beim Durchgang durch die Schicht des Wärmespeichermediums seine Wärme an dieses abgibt und dieses dabei aufschmelzt und/oder erwärmt.

Beim Entladen des Speichers wird das Wärmetauschermedium durch den Entladekreislauf gepumpt, wobei es die im Speichermedium aufgenommene Wärme an den Wärmetauscher 11 abgibt. Gemäß der Erfindung wird das Wärmetauschermedium dabei derart in das Wärmespeichermedium eingeleitet, daß es in den flüssigen Bereich des Speichermediums eintritt und mit dem festen Bodensatz desselben praktisch nicht in Berührung kommt. Dadurch

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wird vermieden, daß das Wärmetauschermedium bei dem beim Abkühlen erfolgenden Auskristallisieren des Wärmespeichermediums an den sich bildenden Kristallen gefangen und mit diesen in den Bodensatz abgezogen wird. Außerdem ergibt sich aufgrund der schrägen Einleitung des Wärmetauschermediums eine Zirkulation in dem flüssigen Teil des Wärmespeichermediums , die zu einer verbesserten Durchmischung und damit zu einem verbesserten Wärmeübergang führt. Auf diese Weise ergibt sich ein überraschend guter Wärmeübergang, der tatsächlich mindestens so gut ist, wie der Wärmeübergang, den man erzielt, wenn man das Wärmetauschermedium beim Entladen durch die gesamte Schicht des Wärmespeichermediums hindurchtreten läßt.

Der in Fig. 2 dargestellte Wärmespeicher ist weitgehend gleich aufgebaut wie der Wärmespeicher der Fig. 1; entsprechende Teile tragen daher gleiche Bezugszeichen. Dieser Wärmespeicher umfaßt ebenfalls einenin der Zeichnung nicht dargestellten Ladekreislauf und einen Entladekreislauf, der sich dadurch von dem Entladekreislauf des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels unterscheidet, daß die Zufuhrleitung 12 mit mehreren, verschieden tief in das Wärmespeichermedium eintauchenden Abgabeleitungen 14 verbunden ist, an deren freiem Ende sich Zufuhröffnungen 13 befinden. In die Abgabeleitungen 14 sind Schließventile 15 eingesetzt, die beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Schaltung selektiv geöffnet und geschlossen werden können.

Im Betrieb wird die Öffnung und Schließung der Schließventile 15 derart vorgenommen, daß ein Ventil nur dann geöffnet wird, wenn die zugeordnete Zufuhröffnung 13 sich im flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums befindet. Sobald die Grenzfläche zwischen festem Wärmespeichermedium und flüssigem Wärme-

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speichermedium in die Nähe einer Zufuhröffnung 13 ansteigt, wird das entsprechende Schließventil 15 geschlossen, so daß die Zufuhr des Wärmetauschermediums nur noch in höheren Bereichen des Wärmespeichermediums erfolgt, also nur in flüssigen Bereichen. Auf diese Weise kann zu Beginn des Entladevorganges , wenn das gesamte Speichermedium in einem flüssigen Zustande vorliegt, die Zufuhr des Wärmetauschermediums über die gesamte Höhe des Wärmespeichermediums erfolgen, während sie bei fortschreitendem Entladen des Wärmespeichers nur noch im oberen, flüssigen Bereich erfolgt.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Zufuhröffnungen 13 derart angeordnet, daß in dem flüssigen Speichermedium eine Zirkulation und/oder Verwirbelung stattfindet, wobei die Strömung des Wärmespeichermediums bevorzugt längs der Wände und des Bodens des Speicherbodens erfolgt. Man erhält dadurch eine besonders gute Durchmischung des Wärmespeichermediums und damit verbunden einen effektiven Wärmeübergang.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können der Ladekreislauf und der Entladekreislauf durch entsprechende Umstellung des Dreiwegeventils 6 wahlweise in Betrieb genommen werden. Der in Fig. 2 nicht dargestellte Ladekreislauf kann in ähnlicher Weise mit dem Entladekreislauf gekoppelt werden, es ist aber auch möglich, einen vollständig selbständigen Ladekreislauf vorzusehen.

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Patentansprüche :

1. Verfahren zum Entladen eines Latentwärmespeichers, dessen Speichermedium beim Laden vom festen in den flüssigen und beim Entladen vom flüssigen in den festen Zustand übergeht, bei welchem man zum Laden und Entladen ein mit dem Speichermedium nicht mischbares Wärmetauschermedium durch das Wärmespei chermediüm hindurchleitet, dadurch gekennzeichnet , daß man beim Entladen das Wärmetauschermedium unmittelbar in den flüssigen Bereich des Wärmespeichermediums einleitet und einen direkten Kontakt des Wärmetauschermediums mit dem festen Bereich des Wärmespeichermediums vermeidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmetauschermedium beim Entladen in der Nähe der oberen Grenzfläche in das flüssige Wärmespeichermedium einleitet.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmetauschermedium unmittelbar unterhalb der Grenzfläche in das Speichermedium eintreten läßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmetauschermedium in Form eines Strahles in das Speichermedium einbringt, den man oberhalb der Grenzfläche erzeugt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmetauschermedium schräg zur Grenzfläche in das Speichermedium einleitet.

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6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmetauschermedium derart in das flüssige Wärmespeichermedium einleitet, daß in letzterem eine Zirkulation und/oder eine Verwirbelung stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man den Strom des Wärmetauschermediums im Wärmespeichermedium im wesentlichen parallel zur Wand oder zum Boden des Speicherbehälters bzw. parallel zur Grenzfläche Wärmespeicher Wärmetauschermedium führt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zufuhr des den Speicher (1) entladenden Wärmetauschermediums (3) Zuführöffnungen (13) vorgesehen sind, welche das Wärmetauschermedium (3) in den flüssigen Bereich des Speichermediums

(2) einleiten, so daß ein direkter Kontakt des Wärmetauschermediums (3) mit dem festen Teil des Speichermediums (2) vermieden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Zuführöffnungen (13) selektiv verschließbar sind, um entsprechend der Menge des festen Speichermediums (2) eine Einleitung des Wärmetauschermediums (3) nur in das flüssige Speichermedium (2) zu ermöglichen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführöffnungen (13) in verschiedener Tiefe unterhalb der Grenzfläche Wärmespeichermedium - Wärmetauschermedium angeordnet sind.

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