DE2831017A1 - Waermespeicher- und -abgabevorrichtung fuer waerme aus einem von der sonne aufgeheizten fluid - Google Patents

Waermespeicher- und -abgabevorrichtung fuer waerme aus einem von der sonne aufgeheizten fluid

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Description

Xölri, den 13.7.1978 pa Reg.-Nr. Pt 108
Patlico Rights Ή.V.
Willemstad, Curasao.
Wärmespeieher- und -abgabevorrichtung für Wärme aus einem von der /
C Sonne aufgeheizten Fluid.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe der Wärme eines von der Sonne aufheizten Fluids, welche Vorrichtung mit einem Flüssigkeitsbehälter versehen ist, in dem sich Mittel für den Wärmeaustausch zwischen dem durch eine Leitung zugeführten Fluid und der Flüssigkeit im Behälter befinden und -weiter mit Mitteln zur Abgabe der in der Flüssigkeit gespeicherten Wärme für Gebrauchszwecke versehen ist.
Bei der Sonnenwärmeaufnahme ergibt sich das Problem, dass die aufgenommene Wärme sowohl nach der Menge als auch nach dem Temperaturniveau des von der Sonne unmittelbar bestrahlten Fluids stark wechselt.
Bekannt sind Vorrichtungen der obenerwähnten Art, bei denen der Flüssigkeitsbehälter ein Warmwasserbehälter ist, der selbst in ein Warmwassersystem aufgenommen ist und selbst einen Teil dieses Systems bildet, das Steuermittel enthält, die das Wasser in diesem System über Teile mit gegenseitig verschiedenen Temperaturbereichen verteilen, Je nach dem Temperaturniveau im Speicher. Bei diesen Vorrichtungen ist also der
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FlüssigkeitslDehälter tatsächlich der Warmwasserbereiter des Farmwassersystems und wird er vom Wasser dieses Systems durchflossen.
Erfindungsgemäss wird dagegen anders verfahren, um einen erhöhten Wärme-Nutzeffekt zu erzielen, wobei die Einsicht verwertet wird, dass, wenn man Flüssigkeit in einem Wärmespeicher nicht einer forcierten Zirkulation unterwirft, die in verschiedenen Höhenbereichen eines solchen Behälters harschenden, mit der Höhe ansteigenden Temperaturen im wesentlichen beibehalten werden können, ohne allzuviel Vermischung, wenn dafür gesorgt wird, dass die mit zunehmender Höhe ansteigenden Temperaturen in den verschiedenen Höhenbereichen möglichst aufrechterhalten werden.
Erfindungsgemäss wird dazu eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art näher gekennzeichnet durch weitere Wärmeaustauschmittel, bestehend aus mindestens zwei, vorzugsweise drei, in jeweils zugehörigen Bereichen auf ansteigenden Höhen im Behälter angeordneten Wärmeaustauschern, entsprechend ansteigenden Temperaturbereichen der Flüssigkeit im Behälter, während in jedem dieser Bereiche jeweils, zur Abgabe der Wärme daraus, im Abstand oberhalb des betreffenden Wärmeaustauschers mindestens ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauseher für den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit und Wasser einer zum jeweiligen Temperaturbereich gehörenden Temperatur angeordnet ist und Thermometer im Fluid einerseits und in jedem der Temperaturbereiche der Flüssigkeit im Behälter andererseits wirksam verbunden sind mit einem Ventilreguliersystem zum Regulieren der Durchströmung der Wärmeaustauscher der erstgenannten Gruppe durch das Fluid durch Steuerung zugehöriger Ventile und einer Umlaufpumpe in der Fluidleitung.
Der Flüssigkeitsbehälter enthält also in ansteigenden Bereichen jeweils unten im betreffenden Bereich einen die Wärme zwischen dem genannten Fluid und der Flüssigkeit im Behälter austauschenden Wärmeaustauscher und oben in diesem Bereich einen die Wärme aus diesem Bereich der Flüssigkeit im Behälter an ein Wassersystem abgebenden Wärmeaustauscher. Das Ventilreguliersystem sorgt dabei dafür, dass je nach dem Temperaturniveau der vom Fluid in Sonnenzellen aufgenommenen Wärme die Verteilung des Fluids
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über die in den verschiedenen Höheribereiehen des Flüssigkeitsbehälters anwesenden Wärmeaustauscher optimal geregelt wird.
Erfindungsgemäss können die ansteigenden Temperaturbereiche bzw. unter ca. HO-5O°C,zwischen ca. kO-5O°C und ca. 70-80°C,und oberhalb ca. 7O-8O°C liegen.
Handelt es sich um Wärmespeicherung und -abgabe aus einem Fluid einer Sonnenenergiegewinnungsanlage , mit der sehr hohe Temperaturen im Fluid erreicht werden können, zur Gedankenbestimmung weit oberhalb 100 C, so kann gemäss einer näheren Ausarbeitung des Erfindungsprinzips der Flüssigkeitsbehälter ein geschlossener, druckbeständiger Behälter sein utd in seinem oberen Bereich noch mindestens ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher vorgesehen sein, der einen Teil eines Dampfkreises bildet, der eine Dampfmaschine oder ein solches Aggregat enthält. Auf diese Weise kann im genannten Fall auch mit der aufgenommenen Sonnenwärme eine Kraftmaschine betrieben werden, was z.B. namentlich wichtig sein kann, wenn die für das Reguliersystem benötigte, von aussen her zuzuführende Energie so niedrig wie möglich gehalten werden soll.
Handelt es sich um eine etwas grossere Anlage, so kann in näherer Ausarbeitung des Erfindungsprinzips und damit dafür gesorgt wird, dass vor allem auch von mindestens einem der höheren Temperaturbereiche verhältnismässig mehr warmes Wasser höherer Temperatur geliefert werden kann, die Speichervorrichtung noch näher dadurch verfeinert sein, dass mindestens ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher im Flüssigkeitsbehälter oben in einem der genannten Temperaturbereiche dieses Behälters dem höheren Temperaturbereich unmittelbar benachbart angeordnet ist, welcher weitere Wärmeaustauscher einen Teil eines Flüssigkeitskreises bildet, der eine Wärmepumpe enthält und auch einen Wärmeaustauscher zur Abgabe von Wärme auf einem relativ zur Temperatur dieser Flüssigkeit im genannten weiteren Wärmeaustauscher erhöhten Temperaturniveau an das Wassersystem, das zum Abgabe-Wärmeaustauscher des betreffenden Temperaturbereiches des Flüssigkeit sbehält er s gehört.
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Die Erfindung wird jetzt unter Hinweis auf die einzige Zeichnungsfigur, in der ein erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel schematisch wiedergegeben ist, noch näher erläutert..
In der Zeichnung ist mit 1 allgemein ein Flüssigkeitsbehälter angegeben. Dieser ist im dargestellten Ausführungsbeispiel vom geschlossenen Typ und hat, zur Gedankeribestimmung, einen Inhalt von einigen Tausenden von Litern. Ein kuppeiförmiger Oberteil 1a des Behälters 1 trägt an seiner Oberseite ein Ventil D. Im Behälter sind mit 1C, 1B und 1A drei Höhenbereiche im Flüssigkeitsbehälter 1 angegeben.
Der Behälter ist praktisch ganz mit Flüssigkeit gefüllt. Die Flüssigkeit im Behälter - der ein eigenes Flüssigkeitssystem bildet - soll eine verhältnismässig hohe spezifische Wärme haben. Ausser Wasser, gegebenenfalls mit darin gelösten Salzen, kommen auch andere dazu geeignete, an sich bekannte Flüssigkeiten in Betracht, wobei der Kostenaspekt selbstverständlich eine Rolle spielt.
Der Behälter 1 ist mit einer - in der Zeichnung nicht dargestellten wärmeisolierenden Auskleidung versehen und - im vorliegenden Fall, gegen inneren Ueberdruck - der von bei höheren Temperaturen der Flüssigkeit im Behälter gegebenenfalls entstandenem Dampf bzw. Dampfdruck herrührt beständig ausgebildet.
Im Behälter sind mit 5C, 5B bzw. 5A Wärmeaustauscher wiedergegeben, jeweils unten in einem der Höhenbereiche 1C, 1B und 1A. In dieser Reihenfolge haben diese Höhenbereiche eine ansteigende Temperatur.
Die Wärmeaustauscher 5C, 5B und 5A gehören zu einem Leitungssystem 3a, 3b, das ein durch Sonnenbestrahlung aufgeheiztes Fluid zu diesen Wärmeaustauschern und , nach dem Wärmeaustausch in diesen Wärmeaustauschern mit der Flüssigkeit im Behälter 1, wieder zu einer Batterie Fluidsaufheizrohre zurückführt, die in der Figur allgemein mit 2 angegeben ist. Diese wird in an sich bekannter Weise von mehreren Sonnenzellen gebildet, d.h. Fluidrohre je mit zugehörigen Reflexionsflächen, mit denen Sonnenstrahlen nach
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diesen Rohren derart reflektiert werden, dass sie das Fluid in den Rohren aufheizen.
Im Leitungssystem 3a, 3b ist weiter noch eine Umlaufpumpe k aufgenommen.
Weiter enthält das Leitungssystem Ventile A, B und C. Diese sind, wie aus der Zeichnung ersichtlich, Dreiwegeventile. Durch Pfeile A , B und C1 ist jeweils die Durchflussrichtung der Ventile A, B bzw. C - bei entsprechender Stellung - angegeben, wobei aus der Leitung 3a unmittelbare Abzweigung zu den jeweiligen Wärmeaustauschern 5A, 5B bzw. 5C erfolgt, und durch Pfeile A-, Bp und C„ die durch Flussrichtung in der Stellung der Ventile As B
bzw. C, wobei das aus dem Fluidleitungsteil 3a kommende Fluid nicht zu
den Wärmeaustauschern 5A, 5B bzw. 5C abgezweigt wird, sondern statt dessen weiterströmt zum nächsten Ventil bzw. zum Rückflussteil 3b der Fluidleitung, in dem das Fluid zur Batterie 2 zurückkehrt.
Die Vorrichtung stellt sich zur Aufgabe, dass die durch die Leitung 3a zugeführte, im Fluid gespeicherte Wärme über die genannten Wärmeaustauscher 5A9 5B und 5C so viel wie möglich an die Flüssigkeit im Behälter 1 in den jeweiligen Bereichen 1A, 1B bzw. 1C abgegeben wird.
Die Temperatur in den genannten Bereichen 1C, 1B und 1A des Flüssigkeitsbehälters liegt - in dieser Reihenfolge - im wesentlichen bzw. unterhalb
*K)-50OC , zwischen U0-5D°C und 7O-8O°C und oberhalb 80°C.
In den Bereichen TA, 1B und 1C des Behälters und in der Batterie 2 sind
weiter Thermometer P, Q9R und S angegeben, die zu einem nachstehend
noch näher zu erläuternden Reguliersytem für die Steuerung der Ventile A9 B und C, sowie die Wirkung der Umlaufpumpe P gehören.
In den genannten Höhenbereichen 1A, 1B und 1C befindet sich weiter jeweils oben ein weiterer Wärmeaustauscher 6A, 6b bzw. 6C. Dadurch ist die in der Flüssigkeit des Behälters gespeicherte Wärme jeweils an ein Wassersystem
' eines bestimmten Temperaturbereiches abzugeben. Die jeweiligen Wärmeaustauscher 6a, 6b und 6C werden, im Kachfolgenden, als Äbgabe-Wärmeaüstauscher bezeichnet werden.
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Der Abgabe-Wärmeaustauscher 6a wird von dem Wasser durchflossen, das über eine Zufuhrleitung i6a aus dem Wasserleitungnetz kommt. Die Aufwärmung dieses Wassers soll bis zu einer Temperatur oberhalb eines Niveaus von mindestens 70 C erfolgen, so dass über die Leitung i6b ein mit 6a angegebener Warmwasserbereiter Wasser dieser hohen Temperatur für Haushaltszwecke, wie z.B. für die Warmwasserleitung im Haushalt, in der Küche, für das Bad, die Dusche usw. über die Abflussleitung 6c aus diesem Warmwasserbereiter liefern kann.
Der Abgabe-Wärmeaustauscher 6b gehört zu einem Wasserssytem, das in einem Temperaturbereich oberhalb ca. Uo bis höchstens ca. 80 wirkt und für Haushalts-, Büro- oder ähnliche Beheizungszwecke, d.h. im allgemeinen für eine sog. Zentralheizung bestimmt ist. Der Heizkessel für dieses Zentralheizungsssytem ist mit 6b angegeben.
Der Abgabe-Wärmeaustauscher 6C gehört zu einem Wassersystem, das zum Beheizen eines Schwimmbades über die Leitung 36a, 36b bestimmt ist. Im Schema befinden sich bei 6c die Anschlüsse der Leitungszweige 36a und 36b an das Schwimmbad.
Im Behälterbereich 1B - im vorliegenden Fall der mittlere Höhenbereich befindet sich oberhalb des Abgabe-Wärmeaustauschers 6b noch ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher 106b. Dieser gehört zu einem mit Strichlinien in der Figur wiedergegebenen Hilfsflüssigkeitssystem, das in wärmeaustauschender Verbindung mit dem eher genannten Zentralheizungskessel 6b steht, und zwar mittels eines zum genannten Flüssigkeitssystem gehörenden Wärmeaustauschers 105B. In diesem System ist weiter eine bei 106 angegebene sog. Wärmepumpe aufgenommen.
Der Zweck dieses Hilfs systems mit Wärmepumpe 106, den Leitungen 106a, 106b und den Wärmeaustauschern 106b und 105B ist, wäteaidPerioden und in den Fällen, dass im Flüssigkeitsbehälterbereich 1B ein für die Zentralheizungszwecke ungenügendes Temperaturniveau erreicht wird, um genug Wärme für diese Zentralheizungsanlage zur Verfügung zu bekommen, jedoch wohl genügend Fluidum auf einem niedrigeren Temperaturniveau als für das erforderliche Temperaturniveau in der Zentralheizungsanlage zur Verfugung
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kommt - in der Wärmepumpe - trotzdem einen Beitrag zu einem höheren Temperaturniveau des Wassers im Zentralheizungskessel zu liefern.
Auf das an sich "bekannte Prinzip einer solchen Wärmepumpe, mittels deren mit der Wärme, vorhanden in einer verhältnismässig grossen Flüssigkeitsmenge mit relativ niedrigem Temperaturniveau in einem geschlossenen Kreis eine erheblich geringere Flüssigkeitsmenge auf ein erheblich höheres Temperaturniveau zu bringen ist, brauch: hier nicht näher eingegangen zu werden. Es hängt selbstverständlich von den zum Anschaffen einer solchen Anlage verfügbaren Geldmitteln ab, ob man die Verfeinerung eines solchen Hilfssystems anwenden wird oder nicht.
Oben im Flüssigkeitsbehälter 1, nämlich oberhalb des Abgabe-Wärmeaustausehers 6A für das Warmwasserbereitersystem 6a, i6a, i6b, ist noch ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher 106Ά mit Strich-Punkt-Linien wiedergegeben. Ueber ein Leitungssystem mit den Zweigen 116a und 116b ist dieser Wärmeaustauscher 106A an eine Dampfmaschine M angeschlossen. Dies ist eine Möglichkeit, die anwendbar ist, wenn die in der Batterie 2 zu erreichende Fluidtemperatur 100 C beträchtlich übersteigt, so dass über den Abgabe-Wärmeaustauscher 1O6A dann also Dampf an die Dampfmaschine M geliefert werden kann. Der Behälter 1 ist dabei selbstverständlich auf den im Innern auftretenden Ueberdruck infolge der auf ein hohes Niveau geheizten Flüssigkeit im Behälter zu berechnen und, soweit erforderlich, dagegen zu sichern.
' Für die Weise, wie durch das Reguliersystem für den Fluiddurchfluss des in der Batterie 2 von der Sonne erwärmten Fluids über die Leitung 3a mit Hilfe geeigneter Stellungen für die Ventile A, B und C über die Wärmeaustauscher 5A, 5B und 5C verteilt wird, sei auf das nachfolgende Regulierschema hingewiesen.
Für die Wirkung des genannten Reguliersystems ist weiter noch eine darin aufgenommene und bei 7 angegebene photoelektrische Zelle wichtig. Diese registriert, wenn von unmittelbarer Sonnenbestrahlung der Reflektoren in
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der Batterie idie Rede ist oder aber wenn es Stunden ohne Sonne bzw.
Stunden mit sehr wenig Sonnenschein gibt.
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Im nachfolgenden Regulierschema wird zwischen dem - durch die photoelektrische Zelle angegebenen - Zustand 3 in dem es Sonne gibt, welche Periode mit der Zeit von Q_ bis 15-30 Uhr angegeben ist, einerseits und im wesentlichen Perioden ohne Sonne und den Perioden - bei im wesentlichen wolkenfreiem Himmel - zwischen etwa 15-30 Uhr nachmittags bis 8 Uhr am nächsten Tag andererseits underschieden. Mach 15-30 Uhr nimmt die Kraft der Sonnenstrahlen rasch ab: es ist zweckmässig, dann auf die Aufnahme auf niedrigerer Temperatur umzustellen, die schneller erreicht wird und weniger Austrahlungsverluste mit sich bringt.
Mit den Buchstaben P5 Q R und S sind im Regulierschema nicht nur die einschlägigen Thermometer gemeint, sondern auch die durch diese Thermometer angegebenes.Temperaturen. So bedeutet z.B. P ^ 80 C, dass das Thermometer P einen Wert angibt, der niedriger als 80 C liegt.
Ausser zur Steuerung der Regulierventile A, B und C sorgt das Reguliersystem für die etwaige Inbetriebsetzung der Umlaufpumpe h3 gemäss der rechten Spalte und der zweitrechten Spalte.
Die unten in der zweitlinken Spalte des Regulierschemas angegebenen Stellungen für die Ventile A, B und C, nämlich A?, B und C., zeigen, in welchen Lägen dabei die Umlaufpumpe h im Betrieb ist oder nicht: so ist die Umlaufpumpe z.B. wohl im Betrieb, wenn die in der Batterie bei S gemessene Pluidtemperatur grosser als R + 10 C ist, jedoch ausser Betrieb, wenn diese Temperatur, gemessen mit dem Thermometer S, niedriger als R + 2°C ist.
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REG U-LIE R" S C HE MA Perioden ohne Sonne
und von 15.30 U.
bis 8 U.		 - - Fluidumlaufpumpe
■ (u) 		ausser
Betrieb
Photoelektrische Zelle (T) - A2 - B2 - C1 im Betrieb S<P + 2°C
Sonnenperiode: 8 U. - 15.30 U. S>P + 10°C S<Q + 2°C
P 4, 80° AT - B2 - C2 s7q + io°c S<P + 2°C
P /*80° A2 - B1 - C2 S-Tr + io°c S<R + 2°C
Q p^55° A2 - B2 - C1 s7ß + io°c
Es wird klar sein, dass das vorbeschriebene, schematiseh in der Zeichnung wiedergegebene Ausführungsbeipiel nur eine aus den vielen erfindungsgemässen Möglichkeiten ist und dass diesbezüglich im Rahmen der Erfindung allerlei Variantausführungsformen möglich sind. Vor allem können auch die Grenzen der Temperaturbereiche in-Abweichung von den vorstehend angegebenen Werten gewählt werden und kann es auch noch mehr verschiedene Temperaturbereiche geben, je nach den Anwendungsmöglichkeiten, die es für Wassersysteme mit auseinandergehenden Temperaturen gibt.
Die Anwendungen, wie sie vorstehend für Boilerwasser, Zentralheizungswasser und Schwimmbadheizung genannt wurden, sind oft vorkommende Möglichkeiten und es ist dann aus diesem Grunde, dass das Ausführungsbeispiel darauf basiert.
Weiter ist gemäss dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Möglichkeit der Anwendung bei Flüssigkeitstemperaturen oben im Behälter, die erheblich oberhalb der Siedetemperatur von Wasser liegen, vorgesehen. Wenn bei solchen Anwendungen die Speicherflüssigkeit im Behälter statt Wasser eine Flüssigkeit mit erheblich höherer Siedetemperatur, z.B. öl, ist, genügt · selbstverständlich ein nicht-druckbeständiger Speicher.
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Claims (3)

Köln, den 13.7.1978 pa DIP'. ' -X^ Reg.-Nr. Pt 108 ,:-.... · - ■ ■ -. Ansprüche
1. !Vorrichtung zur Speicherung und Abgabe der Wärme eines von der Sonne aufgeheizten Fluids, welche Vorrichtung mit einem Flüssigkeitsbehälter versehen ist, in dem sich Mittel für den Wärmeaustausch zwischen dem durch eine Leitung zugeführten Fluid und der Flüssigkeit im Behälter befinden und weiter mit Mitteln zur Angabe der in der Flüssigkeit gespeicherten Wärme für Gebrauchszwecke versehen ist, gekennzeichnet durch weitere Wärmeaustauschmittel, bestehend aus mindestens zwei, vorzugsweise drei, in jeweils zugehörigen Bereichen auf ansteigenden Höhen im Behälter angeordneten Wärmeaustauschern, entsprechend ansteigenden Temperaturbereichen der Flüssigkeit im Behälter, während in jedem dieser Bereiche jeweils, zur Abgabe der Wärme daraus, im Abstand oberhalb des betreffenden Wärmeaustauschers mindestens ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher für den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeit und Wasser einer zum jeweiligen Temperaturbereich gehörenden Temperatur angeordnet ist und Thermometer im Fluid einerseits und in jedem der Temperaturbereiche der Flüssigkeit im Behälter andererseits wirksam verbunden sind mit einem Ventilreguliersystem zum Regulieren der Durchströmung der Wärmeaustauscher der erstgenannten tJruppe durch das Fluid durch Steuerung zugehöriger Ventile und einer Umlaufpumpe in der Fluidleitung.
2. Wärmespeicher und -abgabevorrichtung nach Anspruch1,dadurch gekennzeichnet, dass drei ansteigende Temperaturbereiche bzw. unter ca. UO-50 C, " zwischen ca. ^0-50 C und ca. 70-80 C, und oberhalb ca. 70-80 C liegen.
3. Wärmespeicher und -abgabevorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsbehälter ein geschlossener, druckbeständiger Behälter ist und in seinem oberen Bereich noch mindestens einen weiteren Abgabe-Wärmeaustauscher enthält, der einen Teil eines Dampfkreises bildet, der eine Dampfmaschine oder ein solches Aggregat enthält.
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h. Wärmespeicher und -abgabevorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Abgabe-Wärmeaustauscher im Flüssigkeitsbehälter oben in einem der genannten Temperaturbereiche dieses Behälters dem höheren Temperaturbereich unmittelbar benachbart angeordnet ist, welcher weitere Wärmeaustauscher einen. Teil eines Flüssigkeitskreises bildet, der eine Wärmepumpe enthält und auch einen Wärmeaustauscher zur Abgabe von Wärme auf einem relativ zur Temperatur dieser Flüssigkeit im genannten weiteren Wärmeaustauscher erhöhten Temperaturniveau an das Wassersystem, das zum Abgabe-Wärmeaustauscher des betreffenden Temperaturbereiches des Flüssigkeitsbehälters gehört
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DE19782831017 1977-07-15 1978-07-14 Waermespeicher- und -abgabevorrichtung fuer waerme aus einem von der sonne aufgeheizten fluid Granted DE2831017A1 (de)

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