DE2837091A1 - Thermal energy storage system - using heat pipes to transfer heat into and out of storage medium to improve efficiency - Google Patents
Thermal energy storage system - using heat pipes to transfer heat into and out of storage medium to improve efficiencyInfo
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Abstract
Description
Speicher zum Aufbewahren von Wärme und/oder LatentwarmeStorage for storing heat and / or latent heat
In der Heiztechnik, insbesonders in der Sonnenheiztechnik, ist es oft erforderlich, Wärme und/oder Latentwärme über kürzere oder längere Zeiträume zu speichern.In heating technology, especially in solar heating technology, it is often required heat and / or latent heat for shorter or longer periods of time save.
Diesom Zweck dienen u.a. Speicher, die ein Wtirmespeichermedillm oder Wärmespeichermedien enthalten lind aus einem Einzelbehälter oder aus mehreren Behältern bestehen, die nebeneinander, übereinander und/oder ringförmig zueinander angeordnet sind.This purpose is used, among other things, memories that have a thermal storage medium or Heat storage media contain lind from a single container or from several containers exist, which are arranged next to one another, one above the other and / or in a ring to one another are.
In derartigen bis jetzt bekannten Behältern zum Speichern von Wärme werden flüssige und feste Speichermedien verwendet, u.a. auch solche, die bei tieferen Entladetemperaturen fest sind und erst bei höheren Ladetemperaturen flüssig werden. Es handelt sich hier um die bekannten Latentspeicher.In such hitherto known containers for storing heat Liquid and solid storage media are used, including those used for deeper Discharge temperatures are solid and only become liquid at higher charging temperatures. This is the known latent storage.
Schwierigkeiten ergeben sich dadurch, daß beim Aufladen von Wärmespeichern wegen der nur bis zu einer begrenzten Größe möglichen Wärmetauscheroberflächen für den Wärmeübergang vom Lademedium in das Speichermedium eine erhebliche Zeitspanne erforderlich ist. Bei einem im Kreislauf geführten Lademeaium, wie ea z.B. bei Sonnenheizanlagen der Fall ist, kann es daher dazu kommen, daß nur ein Teil der zugeführten Wärme auf das Speichermedium übergeht, während der restliche Teil im Lademedium verbleibt. Dasselbe gilt auch für den Entladevorgang des Speichers, wenn die Wärme mittels eines zweiten Wärmetauschers von dem Speichermedium auf ein Entlademedium übertragen werden muß.Difficulties arise from the fact that when charging heat accumulators because of the only possible heat exchanger surfaces for up to a limited size the heat transfer from the charging medium to the storage medium takes a considerable amount of time is required. In the case of a circuit-led charging meaium, such as e.g. in solar heating systems is the case, it can therefore happen that only part of the heat supplied transfers to the storage medium, while the remaining part remains in the loading medium. The same also applies to the discharging process of the memory when the heat is by means of a second heat exchanger transferred from the storage medium to a discharge medium must become.
Besonders erschwert ist der Wärmeübergang vom Lademedlum-in das Speichermedium bei Latentwärmespeichern, wenn nach einem torhergehenden Entladevorgang das Speichermedium in den festen Aggregatzustand übergegangen ist.The heat transfer from the charging medium to the storage medium is particularly difficult in the case of latent heat storage devices, if the storage medium is has passed into the solid state of aggregation.
Dasselbe gilt auch bei den Latentwärmespeichern mit direkter Beruhrung des Lademediums mit dem Speichermedium.The same applies to latent heat storage systems with direct contact of the loading medium with the storage medium.
In den Behältern von Wärmespeichern ist demnach ein möglichst schneller Wärmetransport und ein möglichst guter und damit rascher Wärmeübergang erforderlich, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.In the containers of heat accumulators, one is therefore as quick as possible Heat transport and the best possible and therefore rapid heat transfer required, to achieve a high level of efficiency.
Mit dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung sollen die bis jetzt auftretenden Schwierigkeiten beseitigt werden.With the subject matter of the present application, the until now any difficulties that arise are eliminated.
I.rtcicllt wird dies dadurch, dnß der ',)eleller ein Wiirmorohr oder mehrere Wärmerohre aufweist, die anisich bekannt sind.This is done by the fact that the ',) eleller is a Wiirmotube or has several heat pipes that are known per se.
Die Wärmerohre sind so im Speicher angeordnet, daß die vom Lademedium zugeführte Wärme in überaus kurzer Zeit auf das Speichermedium übergeht, wobei es unerheblich ist, ob das Speichermedium flüssig oder fest ist. Auch bei den vorgenannten Latentwärmespeichern mit direkter Berührung des Lademediums und des Speichermediums ergibt die Anwendung von Wärmerohren eine erheblich schnellere und bessere Verteilung der LRdewärme in den gesamten bei der Entladung entstandenen festen Block des Speichermediums, so daß eine beschleunigte Auflösung in den flüssigen Zustand erreicht wird0 Zur Vergrößerung der die Wärme übertragenden Oberfläche der Wärmerohre können diese in an sich bekannter Weise mit Längs-oder Querrippen versehen werden.The heat pipes are arranged in the memory that the loading medium supplied heat is transferred to the storage medium in a very short time, whereby it It is irrelevant whether the storage medium is liquid or solid. Even with the aforementioned Latent heat storage with direct contact with the charging medium and the storage medium the use of heat pipes results in a considerably faster and better distribution the LRdewärme in the entire solid block of the storage medium created during the discharge, so that an accelerated dissolution into the liquid state is achieved This can increase the heat transfer surface area of the heat pipes be provided with longitudinal or transverse ribs in a manner known per se.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die mit Wärmerohren ausgerüsteten Wärmespeicher aus einzelnen gleichartigen oder gleich hohen Behälterringen aufgebaut sind.It is particularly useful if those equipped with heat pipes Heat storage built up from individual container rings of the same type or of the same height are.
Damit wird erstens erreicht,- daß alle Wünsche nach bestimmten Speichergrößen leicht erfüllt werden können, daß zweitens der Transport und das Einbringen der Speicher in bestehende Gebäude ganz einfach ist, daß drittens die Behälterhöhe ohne weiteres den sehr unterschiedlichen lichten Raumhöhen angepaßt werden kann, und daß viertens beim Ausfall von Wärmerohren schnelles Auswechseln einzelner Wärmerohre oder eines Behälterringes möglich ist.This firstly achieves - that all requests for certain memory sizes can be easily met that, secondly, the transport and the introduction of the Storage in existing buildings is very simple that, thirdly, the container height without further can be adapted to the very different clear room heights, and Fourthly, in the event of heat pipe failure, individual heat pipes can be replaced quickly or a container ring is possible.
Auch die optimale Anpassung der Größe der Oberflächen der Wärmetauscher im Speicher an die jeweilige Oberfläche der Itollektoren ist bei dieser Bauweise leicht erreichbar. Zum Erzielen eines hohen Wirkungsgrades ist diese Anpassung bei Solaranlagen ausschlaggebend.Also the optimal adaptation of the size of the surfaces of the heat exchangers in the memory of the respective surface of the collectors is in this design easy to reach. To achieve a high degree of efficiency, this adaptation is at Solar systems are crucial.
In der Abb. 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel ein druckloser, also offener Speicher aus einem einzigen Behälter scllemtitisch dargestellt, der mit einem Speichermedium gefüllt ist und sowohl einen Lade- als auch einen Entladewärmetauscher aufweist, wobei der Ladewärmetauscher im Behälter unten und der Entladewärmetauscher oben angeordnet ist.In Fig. 1, the first embodiment is a pressureless, so open memory from a single container shown schematically, which with a storage medium is filled and both a charging and a discharging heat exchanger having, the charge heat exchanger in the container below and the discharge heat exchanger is arranged above.
Lotrechte Wärmerohre mit der Verflüssigungsseite oben verteilen sofort die zugeführte Wärme, führen sie dem Entladewärmetauscher zu und sorgen dafür, daß sich in der Nähe des unten liegenden Ladewärmetauschers keine Warnle staut, sondern ständig ein möglichst niederes Temperaturniveau erreicht wird.Immediately distribute vertical heat pipes with the liquefaction side up the supplied heat, they lead to the discharge heat exchanger and ensure that In the vicinity of the charge heat exchanger below, there are no warnings, but rather the lowest possible temperature level is constantly achieved.
In der Abb. 2 ist als zweites Ausführungsbeispiel ein druckloser, also offener Speicher aus einem einzigen Behälter schematisch dargestellt, der mit einem Speichermedium gefüllt ist und sowohl einen Lade- als auch einen Entladewärmetauscher aufweist, wobei der Ladewärmetauscher im Zentrum des Speichers lotrecht angeordnet und vom Entladewärnietauscher umgeben ist Waagrecht ( Abb. 2 links ) oder geneigt mit der Verl'lüssigungsseite, also der die Wärme abgebenden Seite nach oben Abb 2 rechts ) angeordnete Wärmerohre bilden in mehreren Ebenen radiale Strahlen. Sie verteilen nicht nur die vom Wärmetauscher des Lademediums zugeführte Wärme in kürzester Zeit in den gesamten Inhalt des Speichers, sondern führen sie zudem sofort dem Wärmetauscher des Entladenediums zu.In Fig. 2, as a second embodiment, a pressureless, so open memory from a single container shown schematically with a storage medium is filled and both a charging and a discharging heat exchanger having, wherein the charge heat exchanger arranged vertically in the center of the memory and surrounded by the discharge heat exchanger is horizontal (Fig. 2 left) or inclined with the release side, i.e. the side emitting the heat upwards Fig 2 right) arranged heat pipes form radial rays in several planes. she not only distribute the heat supplied by the heat exchanger of the charging medium in the shortest possible time Time in the entire contents of the memory, but also lead them immediately to the heat exchanger of the unloading medium.
In der Abb. 3 ist als drittes Ausführungsbeispiel ein Druckspeicher aus drei Behältern schematisch dargestellt. Der zylindrische innere Behälter wird von den beiden anderen Behältern ringförmig umfaßt. Dem mittleren Behälter wird das Lademedium, z.B. eine durch Sonnenkollektoren aufgeheizte Flüssigkeit, zugeführt. Den inneren Behälter durchströmt das zu erhitzende Brauchwasser. Im äußeren Behälter fließt das zu erhitzende Heizwasser einer Zentralheizungsanlage.In Fig. 3 is a third embodiment, a pressure accumulator shown schematically from three containers. The cylindrical inner container becomes encircled by the other two containers in a ring shape. The middle container will the charging medium, e.g. a liquid heated by solar collectors, is supplied. The domestic water to be heated flows through the inner container. In the outer container the heating water to be heated from a central heating system flows.
Waagrecht angeordnete Wärmerohre bilden in mehreren Ebenen radiale Strahlen0 Die Verflüssigungsseiten der inneren Wärmerohre befinden sich im zylindrischen inneren Behälter. Die Verflüssigungsseiten der äußeren Wärmerohre befinden sich im äußeren liingbehälter. Die Wärmerohre verteilen somit die vom Lademedium dem mittleren Behälter zugeführte Wärme in kürzester Zeit auf den inneren und den äußeren Behälter, und das Lademedium enthält beim Verlassen des mittleren Behälters überhaupt keinen oder nur noch einen ganz geringen Wärmeüberschuß, In der Abb, 4 ist als viertes Ausführungsbeispiel ein aus einzelnen gleichartigen Behälterringen zusammengesetzter Einzelbehälter - Speicher schematisch dargestellt. Auf einer Fußscheibe, die den Behälterboden bildet und Zugankeranschlüsse aufweist, sitzen in Dichtungsrinnen die einzelnen gleichartigen Behälterringe und eine Deckscheibe, die ebenfalls Zugankeranschlüsse auSweist. Bei drucklosen, also offenen Behältern, genügt anstelle einer Deckscheibe ein oberer Endring mit Zugankeranschlüssen.Heat pipes arranged horizontally form radial ones in several planes Jets0 The condensing sides of the inner heat pipes are in the cylindrical inner container. The liquefaction sides of the outer heat pipes are in in the outer liing container. The heat pipes thus distribute the from the charging medium heat supplied to the inner and outer containers in a very short time Container, and the loading medium contains when leaving the middle container at all no or only a very small excess of heat, in Fig. 4 is the fourth Exemplary embodiment composed of individual container rings of the same type Individual tank - memory shown schematically. On a foot disk that has the Forms container bottom and has tie rod connections, sit in sealing channels the individual container rings of the same type and a cover disk, which also have tie rod connections shows. In the case of pressureless, i.e. open containers, a cover plate is sufficient instead of a cover plate an upper end ring with tie rod connections.
Die Wärmerohre sind in diesem Behälter so angeordnet wie in dem in der Abb. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, also in mehreren Ebenen radiale Strahlen bildend.The heat pipes are arranged in this container as in the one in the embodiment shown in Fig. 2, that is, radial rays in several planes forming.
In der Abb. 5 ist als fünftes Ausführungsbeispiel ein aus einzelnen gleichartigen Behälterringen zusammengesetzter Speicher mit drei ringförmig zueinander angeordneten Behältern schematisch dargestellt. Auf einer Fuß scheibe, die den unteren Boden der drei Behälter bildet und Zugankeranschlüsse aufweist, sitzen in Dichtungsrinnen die Behälterringe aus drei konzentrischen Zylindern, die durch lotrechte radiale Rippen miteinander verbunden sind. Eine Deckscheibe mit Zugankeranschlüssen dichtet und schließt die drei Behälter oben ab.In Fig. 5 is a fifth embodiment of a single similar container rings composed memory with three ring-shaped to each other arranged containers shown schematically. On a foot disk, which is the lower one floor which forms three containers and has tie rod connections, sit in sealing gutters the container rings made up of three concentric cylinders through perpendicular radial Ribs are connected to each other. A cover plate with tie rod connections seals and locks the three containers at the top.
Waagrechte und radial gerichtete Warmerollre sind in Jedem Bchalterring enthalten, und zwar bilden sie einen inneren und einen äußeren Wärmerohrkranz. Alle Wärmerohre sind mit ihren Wärme aufnehmenden Enden, den Verdampfungsseiten, im mittleren ringförmigen Behälter angeordnet. Die Wärmerohre des inneren Kranzes reichen mit ihren Verflüssigungsseiten in den inneren zylindrischen Behälter hinein und die Wärmerohre des äußeren Kranzes reichen mit ihren Verflüssigungsseiten in den äußeren Ringbehälter hinein. Die vom Lademedium dem mittleren Behälter zugeführte Wärme wird mittels der Wärmerohre sofort auf die beiden anderen Behälter verteilt, sodaß das Lademedium beim Verlassen des mittleren Behälters seinen Wärmeüberschuß vollständig oder beinahe vollständig an die Medien der beiden anderen Behälter abgegeben hat.Horizontal and radial heating rolls are in every switch ring contain, namely they form an inner and an outer heat pipe ring. All Heat pipes with their heat-absorbing ends, the evaporation sides, are in the middle arranged annular container. The heat pipes of the inner ring are sufficient their liquefaction sides into the inner cylindrical container and the Heat pipes of the outer ring reach with their liquefaction sides in the outer one Ring container into it. The heat supplied to the middle container by the loading medium is immediately distributed to the other two containers by means of the heat pipes, so that the loading medium completely uses its excess heat when it leaves the central container or almost completely released into the media in the other two containers.
In der Abb. 6 ist als sechstes Ausführungsbeispiel ein aus einzelnen gleich hohen Behälterringen zusammengesetzter Speicher mit drei übereinander angeordneten Behältern schematisch dargestellt. Auf einer Fußscheibe, die zugleich den unteren Behälterboden des unteren Behälters bildet und Zugankeranschlüsse aufweist, sitzen in Dichtungsrinnen die einzelnen Behälterringe und eine Deckscheibe mit Zugankeranschlüssen. Zwei Behälterringe sind mit einem Boden versehen. Diese Böden bilden die Zwischenwände der Behälter. Die Zwischenwände können aber auch als für sich ausgebildete Teile zwischen jeweils zwei Behälterringen eingespannt werden.In Fig. 6 is a sixth embodiment of a single Storage tanks of the same height are composed of three storage tanks arranged one above the other Containers shown schematically. On a foot disk, which is also the lower one Forms container bottom of the lower container and has tie rod connections, sit the individual container rings and a cover plate with tie rod connections in sealing channels. Two container rings are provided with a bottom. These floors form the partition walls the container. However, the partitions can also be designed as parts between two container rings be clamped.
Die Größe der drei Behälter dieses Speichers kann jeder Anlage in optimaler Weise leicht angepaßt werden. Dazu ist es nur erforderlich, für jeden Behälter die entsprechende Anzahl an Behälterringen zu nehmen.The size of the three containers in this store can be in any plant easily adapted in an optimal manner. For this it is only necessary for everyone Container to take the appropriate number of container rings.
Lotrecht angeordnete Wärmerohre sind mit ihren Wärme abgebenden Enden, den Verflìissigungsseiten, nach oben gerichtet, in den Zwischenwänden eingesetzt. Die Wärmerohre in der unteren Zwischenbehälterwand leiten die Wärme sofort vom unteren Lademedium-Behälter in den mittleren Brauchwasser-Behälter. Die Wärmerohre in der oberen Zwischenbehälterwand führen die Wärme weiter in den oberen Heizungswasser-Behälter. Entsprechend dem jeweiligen Wärmebedarf im mittleren und oberen Behälter wird die Größe und die Zahl der Wärmerohre in den beiden Zwischenwänden gewählt.Vertically arranged heat pipes are with their heat-emitting ends, the liquefaction sides, facing upwards, inserted in the partition walls. The heat pipes in the lower intermediate container wall immediately conduct the heat from the lower one Load medium container in the middle process water container. The heat pipes in the The upper intermediate tank wall conducts the heat into the upper heating water tank. The The size and number of heat pipes in the two partition walls were chosen.
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R. Pruschek. R. Pruschek.
2. USA Zeitschrift "maschine Design" 11.März 1976 S. 52 - 56 : "The Heat Pipe: Hot NewvWay to Save Energy", Robert B. Aronson.2. USA magazine "maschine Design" March 11, 1976 p. 52 - 56: "The Heat Pipe: Hot New Way to Save Energy, "Robert B. Aronson.
3. Tagungsbericht Grundlagen der Solartechnik" der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie vom 22. Oktober 1976 S. 205 - 235 : "Physikalische, chemische und technologische Grundlagen der Latentwärmespeicherung", Dipl. -Phys.3rd conference report basics of solar technology "of the German society for solar energy from October 22, 1976 pp. 205-235: "Physical, chemical and technological basics of latent heat storage ", Dipl. -Phys.
Friedrich Lindner. Friedrich Lindner.
4. Tagungsbericht "teigen mit Sonne-3.Speicherung" der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie vom 8/9. November 1977 5. 199 - 208 : "Eine neue Entwicklung zur Realisierung kompakter Latentwärme speicher" , Dipl.-Phys. Friedrich Lindner.4. Conference report "Teigen mit Sonne-3.Speicherung" of the German Society for solar energy from 8/9. November 1977 5. 199 - 208: "A new development for Realization of compact latent heat storage ", Dipl.-Phys. Friedrich Lindner.
5. Tagungsbericht "2. Internationales Sonnenforum" der Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie vom 12.- 14. Juli 1978 S. 137 -148 : "Der Einfluß von Speicher-Wärmetauscher und Durchfluß auf den Kollektorwirkungsgrad Solarthermischer Anlagen", P.A. Schoeck ; S. 149 - 159 : "Direkt - Kontakt - Wärmeaustauscher -Speicher", Walter Loss.5th conference report "2nd International Sun Forum" of the German Society for solar energy from July 12-14, 1978 pp. 137-148: "The influence of storage heat exchangers and flow rate on the collector efficiency of solar thermal systems ", P.A. Schoeck ; P. 149 - 159: "Direct - Contact - Heat Exchanger - Storage", Walter Loss.
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