DE2826405A1

DE2826405A1 - Verfahren zum be- oder entladen eines waermespeichers

Info

Publication number: DE2826405A1
Application number: DE19782826405
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: CA1135685A; DE2826405C2; JPS5818598B2; FR2428797A1; JPS5528491A; FR2428797B1; US4286650A

Description

DR,-ING. DIPL.-ING- M-SC. DlPL.-F-HYS. Ort. DIPL.-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - 6RIcSSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

A 42 879 m Anmelder: Deutsche Forschungs- und

u - 168 Versuchsanstalt für Luft-

7- Juni 1978 und Raumfahrt e.V.

5300 Bonn

Beschreibung

Verfahren zum Be- oder Entladen eines Wärmespeichers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Wärmespeichers mit einem gegebenenfalls eine Phasenumwandlung erfahrenden Wärmespeichermedium, bei welchem man ein Wärmetauschermedium direkt in das Wärmespeichermedium einleitet und von diesem wieder abtrennt.

Es sind Verfahren zum Be- und Entladen von Wärmespeichern bekannt (beispielsweise Patentanmeldung P 26 07 168.1-13), bei welchen durch das Wärmespeichermedium ein flüssiges Wärmetauschermedium hindurchgeleitet wird, welches mit dem Wärmespeichermedium nicht mischbar ist. Nach dem Durchtritt des Wärmetauschermediums durch das Wärmespeichermedium, bei welchem der Wärmeübergang stattfindet, trennt sich das Wärmetauschermedium wieder vom Wärmespeichermedium, es sammelt sich beispielsweise in einer Schicht oberhalb des Wärmespeichermediums, aus der es wieder in einen Kühlkreislauf oder in einen Wärmekreislauf transportiert werden kann. Es ist möglich, dasselbe Wärmetauschermedium sowohl zum Be- als auch zum Entladen zu verwenden. Beim Entladen wird das oberhalb des Wärmespeichermediums gesammelte Wärmetauschermedium einem Wärmetauscher zugeführt, in dem es Wärme abgibt. Anschließend tritt das abgekühlte Wärmetauschermedium wieder in das Wärmespeichermedium ein und nimmt aus diesem Wärme auf. Beim Laden des Wärmespeichers wird das oberhalb des Wärmespeichermediums angesammelte Wärmetauschermedium einer Wärmequelle zuge-

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führt und in erwärmtem Zustande in das WärmeSpeichermedium eingeleitet/ in dem es die aufgenommene Wärme wieder abgibt.

Derartige Wärmespeicher mit einem offenen Wärmetauscherkreislauf, also mit einem mit dem Wärmespeichermedium nicht mischbaren Wärmetauschermedium, arbeiten insbesondere dann günstig, wenn es sich um Latentwärmespeicher handelt, also um Wärmespeicher, in denen das Speichermedium beim Be- und Entladen Phasenübergänge zwischen der festen Phase und der flüssigen Phase erfährt.

Schwierigkeiten ergeben sich bei Wärmespeichern mit offenem Kreislauf dadurch, daß trotz der Nichtmischbarkeit des Wärmespeichermediums und des Wärmetauschermediums eine vollständige Trennung von Wärmetauschermedium und Wärmespeichermedium nur schwierig erreicht werden kann. Dies liegt insbesondere daran, daß das Wärmetauschermedium das Wärmespeichermedium mit einer zum Teil erheblichen Geschwindigkeit durchsetzt und dabei Wärmespeichermedium mit sich reißt. Diese nicht gänzlich zu vermeidende Mitnahme des Wärmespeichermediums kann in den Kreisläufen, die an sich nur für das Wärmetauschermedium vorgesehen sind, zu Verschmutzungen und schließlich zum Blockieren führen.

Weiterhin haben Wärmespeicher mit offenem Kreislauf den Nachteil, daß in der Regel nur ein Tauscherkreislauf durch den Speicher geführt werden.kann, der das nicht mischbare Wärmetauschermedium verwendet. Dagegen ist es nicht möglich, mehrere Kreisläufe gleichzeitig durch das Wärmespeichermedium zu führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Trennbarkeit des

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Wärmetauschermediums vom Wärmespeichermedium zu verbessern und/oder die Verwendung mehrerer Wärmetauscherkreisläufe auch bei einem Wärmespeicher zu ermöglichen, durch den das Wärmetauschermedium offen geführt wird.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man ein Wärmetauschermedium verwendet, welches bei der Wärmeabgabe vom gasförmigen in den flüssigen bzw. bei der Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.

Wenn das Wärmetauschermedium nach dem Durchgang durch das Wärmespeichermedium und der damit verbundenen Wärmeaufnahme im gasförmigen Zustand vorliegt, dann ist die Trennbarkeit zwischen Wärmespeichermedium und dem gasförmigen Wärmetauschermedium wesentlich besser als in dem Fall, in dem das Wärmetauschermedium ebenfalls flüssig ist. Dadurch, daß das Wärmetauschermedium nicht während des gesamten Kreislaufes gasförmig ist, sondern in einem Teil des Kreislaufes flüssig, ist die durch das Wärmetauschermedium übertragbare Wärmemenge erheblich größer als bei einem rein gasförmigen Wärmetauschermedium, insbesondere trägt auch die latente Wärme zum Wärmetausch bei.

Vorteilhaft ist es, wenn gleichzeitig ein weiteres Wärmetauschermedium durch das Wärmespeichermedium geleitet wird, welches bei der Wärmeaufnahme bzw. -abgabe keine Phasenumwandlung erfährt.

Dadurch, daß eines der beiden Wärmetauschermedien, die gleichzeitig das Wärmespeichermedium durchsetzen und mit diesem nicht mischbar sind, nach der Wärmeaufnahme im gasförmigen Zustand vorliegt, ist ohne weiteres eine Trennung der beiden Wärme-

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tauschermedien möglich, ohne daß dazu komplizierte Trennvorrichtungen notwendig wären. Die beiden Wärmetauschermedien können sogar miteinander mischbar sein, durch den Phasenübergang des einen Wärmetauschermediums erfolgt trotzdem eine einwandfreie Trennung.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, daß gleichzeitig ein weiteres Wärmetauschermedium durch das Wärmespeichermedium geleitet wird, welches bei der Wärmeabgabe vom gasförmigen in den flüssigen bzw. bei der Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, wobei das wärrtiezuführende Wärmetauschermedium bei der Arbeitstemperatur des Wärraespeichermediums flüssig und das wärmeentnehmende Wärmetauschermedium bei dieser Temperatur gasförmig ist.

In diesem Ausführungsbeispiel werden also zwei Wärmetauschermedien verwandt, die bei der Wärmeaufnahme bzw. bei der Wärmeabgabe einen Phasenübergang erfahren. Nach dem Durchtritt durch das Wärmespeichermedium befinden sich beide Wärmetauschermedien etwa auf der Arbeitstemperatur des Speichermediums, wobei ein Wärmetauschermedium im flüssigen Zustand und das andere im gasförmigen Zustand vorliegt, so daß auch hier wieder ohne weiteres eine Trennung der beiden Wärmetauschermedien möglich wird.

Zur Verbesserung der Trennwirkung des Wärmetauschermediums vom Wärmespeichermedium kann vorgesehen sein, daß man zwischen dem Speichermedium und dem flüssigen Wärmetauschermedium eine Sperrschicht anordnet, welche aus einer Flüssigkeit besteht, die sich weder mit dem Wärmespeichermedium noch mit dem flüssigen Wärmetauschermedium vermischt und deren spezifisches Ge-

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wicht zwischen dem des flüssigen Wärmetauschermediums und dem des Wärmespeichermediums liegt.

Günstig ist es, wenn man als eine Phasenumwandlung erfahrende Wärmetauschermedien gegebenenfalls teilweisesubstituxerte Fluorkohlenwasserstoffe verwendet.

Silikonöl stellt eine bevorzugte Substanz zur Bildung einer Sperrschicht dar.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Wärmespeicherbehälters mit einem Ladekreislauf und einem Entladekreislauf mit einem Wärmetauschermedium;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 eines Wärmespeichers mit zwei Wärmetauschermedien und

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2 eines Wärmespeichers mit einer zusätzlichen Sperrschicht zwischen dem Wärmespeichermedium und dem flüssigen Wärmetauschermedium.

In Fig. 1 ist ein Wärmespeicherbehälter 1 dargestellt, in den ein Wärmespeichermedium 2 eingefüllt ist, welches vorzugsweise eine Latentwärmespeichersubstanz wie Glaubersalz o. dgl. ist, welches aber auch derart beschaffen sein kann, daß es seinen Aggregatzustand beim Laden und Entladen nicht ändert.

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Oberhalb des Wärmespeichermediums befindet sich ein Wärmetaus chermedium, welches durch einen Ladekreislauf bzw. durch einen Entladekreislauf zirkulierend durch das Wärmespeichermedium hindurchgeleitet werden kann. Der Wärmekreislauf umfaßt eine Absaugleitung 4, eine Pumpe 5, einen Wärmetauscher und eine im Innern des Speicherbehälters 1 endende Abgabeleitung 7, in welcher öffnungen 8 für den Austritt des Wärmetauschermediums vorgesehen sind.

Der Entladekreislauf ist praktisch gleich aufgebaut, er umfaßt eine Absaugleitung 9, eine Pumpe 10, einen Wärmetauscher 11 und eine Abgabeleitung, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Abgabeleitung 7 identisch ist, die jedoch selbstverständlich auch als getrennte Abgabeleitung ausgebildet sein kann.

Gemäß der Erfindung ist das Wärmetauschermedium 3 derart gewählt, daß es bei der Erwärmung vom flüssigen in den gasförmigen, oder bei der Abkühlung vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Beispielsweise kann das Wärmetauschermedium in dem in Fig. 1 angegebenen Beispiel bei der Arbeitstemperatur des Speichermediums gasförmig sein, d.h. das Wärmetauschermedium liegt oberhalb des Wärmespeichermediums in gasförmiger Form vor. Dadurch ergibt sich eine ausgezeichnete Trennung des Wärmetauschermediums vom Wärmespeichermedium. Im Ladekreislauf bleibt das Wärmetauschermedium dann gasförmig, im Entladekreislauf wird es im Wärmetauscher 11 verflüssigt und beim Durchgang durch das Wärmespeichermedium wieder in den gasförmigen Zustand überführt.

Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Wärmetauschermedium derart zu wählen, daß es bei der Betriebstemperatur des

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Wärmespeichers flüssig ist, so daß es also oberhalb des Wärmespeichermediums im flüssigen Zustand vorliegen würde. Dann bleibt das Wärmetauschermedium im Entladekreislauf immer flüssig, während es im Ladekreislauf im Wärmetauscher 6 in den gasförmigen Zustand überführt und beim anschließenden Durchgang durch das Wärmespeichermedium wieder verflüssigt wird.

Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem der Fig. 1; gleiche Teile tragen daher gleiche Bezugszeichen. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, daß zwei Wärmetauschermedien 3a und 3b verwendet werden und daß die Absaugleitungen 4 und 9 in verschiedener Höhe aus dem Raum oberhalb des Wärmespeichermediums 2 austreten. Das Wärmetauschermedium 3a ist derart gewählt, daß es bei der Betriebstemperatur des Speichers flüssig ist, während das Wärmetauschermedium 3b bei der Betriebstemperatur des Speichers gasförmig vorliegt. Das Wärmetauschermedium 3a dient dem Laden des Speichers, es kann entweder währenc des gesamten Ladevorganges flüssig bleiben oder aber im Wärmetauscher 6 in den gasförmigen Zustand übergehen, wobei es dann im Wärmespeichermedium wieder verflüssigt wird. Das Wärmetauschermedium 3b dient dem Entladen des Speichers. Es wird dem Wärmetauscher 11 in gasförmiger Form zugeführt, wird in diesem verflüssigt und anschließend im Wärmespeichermedium wieder in den gasförmigen Zustand überführt. Die beiden Wärmetauschermedien trennen sich infolge ihres verschiedenen Aggregatzustandes oberhalb des Wärmespeichermediums vollständig, so daß es möglich ist, das Laden und das Entladen des Wärmespeichers gleichzeitig durchzuführen. Eine gegenseitige Beeinträchtigung der beiden Wärmespeichermedien tritt nicht auf.

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Die Verwendung von Wärmetauschermedien, die sich infolge ihres unterschiedlichen Aggregatzustandes bei der Betriebstemperatur des Speichers wieder trennen, ist vorstehend am Beispiel eines Ladekreislaufes und eines Entladekreislaufes beschrieben worden. Selbstverständlich ist es auch möglich, beispielsweise zwei Ladekreislaufe durch das Speichermedium zu führen, wenn man Wärmetauschermedien verwendet, die bei der Betriebstemperatur des Speichers unterschiedliche Aggregatzustände einnehmen, denn dann können die beiden Wärmetauschermedien nach dem Durchgang durch das Speichermedium ohne weiteres getrennt werden.

Der in Fig. 3 dargestellte Speicher entspricht weitgehend dem der Fig. 2, gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel zwischen dem Wärmespeichermedium 2 und dem flüssigen Wärmetauschermedium 3a eine Sperrschicht 12 angeordnet, die beispielsweise aus einem SiIikonöl bestehen kann, dessen spezifisches Gewicht zwischen dem des flüssigen Wärmespeichermediums und dem des flüssigen Wärmetauschermediums 3a liegt. Diese Sperrschicht verhindert eine Verschleppung des Wärmespeichermediums durch das Wärmetauschermedium 3a und ermöglicht dadurch eine verbesserte Trennung dieser beiden Medien. Eine Mischung der Sperrschicht mit dem Wärmespeichermedium und dem Wärmetauschermedium erfolgt aufgrund der Eigenschaften des Sperrschichtmediums nicht.

Selbstverständlich kann eine Sperrschicht der in Fig. 3 gezeigten Art auch bei einem Wärmespeicher Verwendung finden, durch das nur ein Wärmetauschermedium geführt ist.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von einen Phasenübergang

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erfahrenden Wärmetauschermedien/ wird es auch bei Wärmespeichern mit offenem Wärmetauschermedienkreislauf möglich, mehrere Kreisläufe gleichzeitig durchzuführen. Als Wärmetauschermedien können beispielsweise nebeneinander besondere Wärmetauscheröle und gegebenenfalls teilweise substituierte Fluorkohlenwasserstoffe verwendet werden, wobei die Fluorkohlenwasserstoffe eine Phasenumwandlung erfahren, während das öl während des gesamten Kreislaufes flüssig bleibt. Es ist auch möglich, zwei gegebenenfalls teilweise substituierte Fluorkohlenwasserstoffe als Wärmetauschermedien zu verwenden, indem man Substanzen mit verschiedener Verdampfungstemperatur derart wählt, daß ein Wärmetauschermedium bei der Betriebstemperatur des Speichermediums flüssig und das andere gasförmig vorliegt. Neben der erhöhten Vielfalt der Betriebsmöglichkeiten von Wärmespeichern mit offenem Wärmetauschermedienkreislauf erhält man gleichzeitig eine verbesserte Trennung des Wärmetauschermediums vom Wärmespeichermedium und damit einen umweltfreundlicheren Betrieb eines solchen Wärmespeichers.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Be- oder Entladen eines Wärmespeichers mit einem gegebenenfalls eine Phasenumwandlung erfahrenden Wärmespeichermedium, bei welchem man ein Wärmetauschermedium direkt in das Wärmespeichermedium einleitet und von diesem wieder abtrennt, dadurch gekennzeichnet , daß man ein Wärmetauschermedium verwendet, welches bei der Wärmeabgabe vom gasförmigen in den flüssigen bzw. bei der Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig ein weiteres Wärmetauschermedium durch das Wärmespeichermedium geleitet wird, welches bei der Wärmeaufnahme bzw. Abgabe keine Phasenumwandlung erfährt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig ein weiteres Wärmetauschermedium durch das Wärmespeichermedium geleitet wird, welches bei der Wärmeabgabe vom gasförmigen in den flüssigen bzw. bei der Wärmeaufnahme vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, wobei das wärmezuführende Wärmetauschermedium bei der Arbeitstemperatur des Wärmespeichermediums flüssig und das wärmeentnehmende Wärmetauschermedium bei dieser Temperatur gasförmig ist.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man zwischen dem Speichermedium und dem flüssigen Wärmetauschermedium eine Sperrschicht an-

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ordnet, welche aus einer Flüssigkeit besteht, die sich
weder mit dem Wärmespeiehermedium noch mit dem flüssigen Wärmetauschermedium vermischt und deren spezifisches Gewicht zwischen dem des flüssigen Wärmetauschermediums und dem des Wärmespeichermediums liegt.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als eine Phasenumwandlung erfahrende Wärmetauschermedien gegebenenfalls teilweise substituierte Fluorkohlenwasserstoffe verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bildung der Sperrschicht SiIikonöl verwendet.

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