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Vorrichtung zum Speichern von Abwärme zur
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bedarfsweisen Entnahme von Verbrauchern Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Speichern von Abwärme zur bedarfsweisen Entnahme von Verbrauchern,
wobei der Speicher aus einem nach außen wärmeisolierten Behälter besteht.
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Nach dem Stand der Technik sind bereits Wärmespeicher bekannt, bei
denen insbesondere für Großverbraucher, diese aus mit Feststoffen, beispielsweise
Schamott-oder Kieselsteinen ausgekleidet und gegebenenfalls als Kammersysteme ausgebildet
sind. Auch werden derartige Wärmespeicher verwendet, die mit einem flüssigen Speichermedium,
beispielsweise Wasser, gefüllt sind. Derartig ausgebildete Wärmespeicher speichern
die Wärme infolge einer Temperaturerhöhung des Speichermediums, wobei wegen der
hohen spezifischen Wärme dieser Stoffe oder Medien eine relativ hohe Wärmemenge
für eine bestimmte Temperaturerhöhung des Speichermediums erforderlich ist. Bei
der Entnahme von Wärme aus einem solchen Speicher ergibt sich jedoch zwangsläufig
eine Senkung
der Speichertemperatur und unterhalb einer bestimmten
Speichertemperatur ist eine weitere Wärmeentnahme relativ wirkungslos.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmespeicher vorzuschlagen, der
baulich raumsparend anzuordnen ist, ein geringes Eigengewicht bei hoher Speicherkapazität
hat und als kompakte Baueinheit den räumlichen Gegebenheiten entsprechend einfach
herzustellen und in Wassersport- und Campingfahrzeuge wie Wohnmobile oder Wohnanhänger
oder andere ortsfeste Anlagen in einfacher Weise einzubauen ist und dabei einen
hohen Wirkungsgrad in Verbindung mit vorhandenen oder leicht installierbaren Abwärme-
oder Sekundärwärmeerzeugern aufweist.
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Der Wärmespeicher soll dem Raumbedarf angepaßt sich gut für eine Serienfertigung
eignen.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Speichern von Abwärme und
zur Entnahme von Verbrauchern vorgeschlagen, bei welcher der Speicherbehälter an
seiner Oberseite mit einem dichtend verschließbaren Deckel versehen ist und mit
dem Deckel sowohl ein aus Uberdruck- und Unterdruckventil bestehender Sicherheitssatz
als auch die in den Innenraum des Speicherbehälters eingreifenden Wärmeaustauscheraggregate
von Abwärmeerzeuger und Verbraucher den Deckel mit ihren Verbindungsanschlüssen
durchgreifend sowie ein in den Speicherbehälter eingreifender thermischer Fühler
mit einem Thermometer als Baueinheit fest verbunden sind und der Behälterkörper
und der Deckel aus einem Material von geringem spezifischen Gewicht wie Kunststoff
bestehen und an der Außenseite mit einer wärmeisolierenden Verkleidung wie Glaswolle
oder dergleichen versehen sind.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind an je einem der Verbindungsanschlüsse
der Wärmeaustauscheraggregate auf
dem Deckel je eine Umwälzpumpe
als Baueinheit direkt mit angeflanscht. Der Behälterkörper ist mit einem Speichermedium
von hoher Schmelzwärme und rel.ativ niedrigem Schmelzpunkt zwischen ca. 500 und
1000 C, beispielsweise Stearinsäure (C18 H36 02) gefüllt.
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Der Speicherbehälter bzw. die die Abwärme dem Speichermedium zuführenden
Zuleitungen der Wärmeaustauscher sind mit Solarkollektoranlagen und/oder den Abwärmeleitungen
von Wärmeaustauschern von Abgasableitungen von Verbrennungskraftmotoren oder anderen
Abwärmeerzeugern verbunden. Die Abwärmeerzeuger können auch im Parallelbetrieb miteinander
verbunden sein und die Abwärme dem Wärmespeicher zuführen.
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Bei Abgaswärmeaustauschern von Verbrennungskraftmotoren mit gekühlter
Auspuffanlage ist der mit dem Wärmespeicher verbundene Abgaswärmeaustauscher vor
der Auspuffkühlung angeordnet.
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Dazu ist in die Kühlwassereinspritzleitung des Auspuffs ein Dreiwegeventil
zur wahlweisen Umschaltung der Kühlmittelzufuhr je nach in oder außer Betrieb befindlichem
Abgaswärmeaustauscher vor oder hinter diesem eingeschaltet. In die Abwärmezuleitung
zum Speicherbehälter ist über einen Thermostaten in dem Rücklauf der Abwärmeleitung
abhängig von der Temperatur des Wärmeträgermediums im Rücklauf der Abwärmeleitung
die in die Abwärmeleitung eingeschaltete Umwälzpumpe ein-oder ausschaltbar.
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Der Vorteil des vorgeschlagenen Speicherbehälters ist darin zu sehen,
daß dieser bei geringem Eigengewicht baulich raumsparend als kompaktes Einbauaggregat
als Baueinheit bei hoher Speicherkapazität infolge des Speichermediums von hoher
Schmelzwärme bei niedrigem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Stearinsäure, insbesondere
bei Geräten des Freizeitbedarfs wie Booten oder Wohnmobilen bzw. Wohnanhängern als
Wärmespeicher für Heiz- und Kühlaggregate eine anhaltend gleiche
Wärme
über relativ lange Zeit abgeben kann. Durch die bauliche Integrierung aller Zuführungen
zu den Wärmeaustauschern und des thermischen Fühlers sowie der Sicherheitsventile
in den Deckel des Speicherbehälters wird ein einfacher und vielseitiger Einbau in
vorhandene Räumlichkeiten wie Boote, Wohnmobile oder Wohnanhänger und ggfls. Wochenendhäuser
oder dergleichen möglich, um den Betrieb von Wärme- und Kühlaggregaten wie Absorberkühlschränke
oder Raumheizungen zu gewährleisten. Bei entsprechender Dimensionierung des Speicherbehälters
oder bei Zusammenschalten von mehreren Speicherbehältern im Parallelbetrieb und
der Vergrößerung der Abwärmeerzeuger ist die Vorrichtung auch für den Einsatz in
größeren ortsfesten Anlagen zur Wärmeversorgung verwendbar.
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Die Wärme speicher sind für eine Serienfertigung besonders gut geeignet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung stellt die Zeichnung dar. Es zeigen:
Fig. 1 den Speicherbehälter im Längsschnitt in der Seitenansicht, Fig. 2 den Speicher
mit einem Abwärmeerzeuger und Speicherwärmeverbrauchern und Fig. 3 den Speicher
mit zwei parallelgeschalteten Abwärmeerzeugern und Speicherwärmeverbrauchern.
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In der Fig. 1 ist ein Speicherbehälter 1 einer Wärmespeicheranlage
dargestellt. Der Behälterkörper 2 des Speicherbehälters 1 besteht beispielsweise
aus Kunststoff oder einem Material mit ähnlichen technischen Eigenschaften und geringem
spezifischen Gewicht. Der Behälterkörper 2 ist mit einer wärmeisolierenden Verkleidung
3, beispielsweise Glaswolle
oder anderem wärmeisolierenden Material1
nach außen gegen Wärmeverluste verkleidet. An seiner Oberseite wird der Speicherbehälter
1 von einem Deckel 2a dichtend gegenüber dem Behälterkörper 2 verschlossen. Dabei
legen sich beiderseitige Flansche 3, 3a aufeinander, welche durch Gewindeschrauben
4 oder Klemmelemente lösbar miteinander Verbunden sind.
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Der Deckel 2a dient zum Einfüllen des Speichermediums 10 in dem Behälterkörper
2. Dieses besteht beispielsweise aus Stearinsäure (C18 H36 02) mit einem Schmelzpunkt
von ca. 68,80 C und einer Schmelzwärme von 47,54 cal/g. Es ist jedoch auch ein anderer
Stoff mit einer hohen "Schmelzwärme" mit einem Schmelzpunkt zwischen ca. 500 bis
1000 C verwendbar, wobei die Wärme als "latente Wärme" gespeichert wird. Dabei erfolgt
im Speichermedium 10 keine Temperaturerhöhung bei Energiezufuhr, solange nicht das
gesamte Speichermedium 10 geschmolzen ist. Andererseits bleibt bei der Wärmeentnahme
die Speichertemperatur konstant bis das gesamte Speichermedium 10 verfestigt ist.
Der Schmelzpunkt wird infolge der relativ niedrigen spezifischen Wärme schnell erreicht.
Außerdem tritt durch Wärmeverluste während der Speicherperiode infolge der gleichbleibenden
Temperatur keine Temperatursenkung ein. Rechnerisch ergibt sich, daß der Grenznutzen
einer gegebenen Menge Stearinsäure in Bezug auf die Wärmespeicherung etwa der fünffachen
Menge von Wasser entspricht.
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Daraus resultiert auch, daß bei relativ baulich leichtem und kompakten
Speicherbehälter 1 dieser als Einbauaggregat besonders gut unter räumlich beengten
Verhältnissen verwendet werden kann.
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Der Deckel 2a ist als Baueinheit derart ausgebildet, daß dieser alle
für den Speicherbehälter 1 bzw. den Behälterkörper 2 erforderlichen Armaturen und
Wärmeaustauscheraggregate 5, 6
für die Abwärmeerzeuger und die
Wärmeverbraucher sowie den Fühler 7a für die Temperaturüberwachung durch ein Thermometer
7 sowie je ein Uberdruck- und Unterdruckventil 8 bzw. 9 integrierend aufnimmt und
die Verbindungsanschlüsse der Zu-und Ableitungen 5a, 6a der Wärmeaustauschaggregate
5, 6 den Deckel 2a durchsetzend, an diesem befestigt sind. Dadurch kann der Speicherbehälter
1 als Baueinheit bzw. Einbauaggregat in einfacher Weise an die Zuleitungen 5b von
Abwärmeerzeugern, beispielsweise die Abgasleitung eines Verbrennungskraftmotors
15 oder einer Solarkollektoranlage 28 bzw. an die Verbindungsanschlüsse 6a über
Ableitungen 6b an die Wärmeverbraucher 25, 26 angeschlossen werden. Der Einbau und
die Ausbildung der Form des Speicherbehälters 1 ist daher sehr gut an den Verwendungszweck
bei Booten bzw. Wasserfahrzeugen oder Wohnmobilen bzw. Wohnanhängern unter großer
Platzersparnis anzupassen. Auch kann der Speicherbehälter in ortsfesten Häusern
wie Garten- oder Ferienhäusern leicht untergebracht werden, wobei der Vorteil der
Speicherung eines hohen Wärmeinhalts bei geringem Platzbedarf in der physikalisch
und thermisch günstigen Beschaffenheit des Speichermediums 10 zu sehen ist.
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Die Fig. 2 zeigt den Speicherbehälter 1 in einem prinzipmässig dargestellten
Speicherwärmekreislauf. Mit 15 ist ein Verbrennungskraftmotor bezeichnet, durch
dessen Auspuff (Abgasableitung) 15a die erhitzten Abgase abgeführt werden, der über
die Kühlwassereinspritzleitung 21a gekühlt wird.
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In der Abgasleitung 15a ist dicht hinter dem Anschluß an den Motor
15 ein Wärmeaustauscher 17 in die Abgasleitung 15a eingeschaltet bzw. wird von den
Abgasen durchströmt, so daß die Abwärme unter Erhitzung des durch eine Umwälzpumpe
18 bewegten, die Abwärme aufnehmenden Transportmediums, beispielsweise Thermoöl
oder Luft, die Abwärme in dem Wärmeaustauscher 5 über die Abwärmezuleitungen 5b
dem Speicherbehäl-
ter 1 zugeführt und damit an das Speichermedium
10 abgegeben wird, welche5 solange Abwärme aufnimmt, bis das gesamte Speichermedium
10 die Schmelztemperatur vpn 68,80 C erreicht hat. Rei weiterer Wärmezufuhr wird
das Speichermedium 10 über den Schmelzpunkt hinaus aufgeheizt. Dieses wird mittels
des Thermostaten 19 im Rücklauf der Abwärmezuleitung 5a verhindert, indem der in
der Rückleitung der Abwärmezuleitung 5b liegende Thermostat 19 die Umwälzpumpe 18
abschaltet und das in der Kühlwasserleitung 21 des Auspuffs 15a liegende Dreiwegeventil
22 derart umschaltet, daß die Wasserkühlung des Auspuffs 15a über die Kühlwassereinspritzleitung
21b motorseitig erfolgt.
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Die Wärmeentnahme aus dem Speicherbehälter 1 erfolgt nach Bedarf durch
das im Wärmeaustauscher 6 geführte Medium über die Verbraucherversorgungsleitung
6b, in welche ebenfalls eine Umwälzpumpe 24 eingeschaltet ist. Die Verbraucherversorgungsleitung
6b führt beispielsweise zu einem Heizgerät 25 bzw. zu einem Absorberkühlschrank
26. Das Speichermedium 10 gibt solange eine Wärme gleicher Temperatur ab, bis das
Speichermedium 10 wieder völlig erstarrt ist. Als Medium zum Wärmetransport für
die Wärmeentnahme kann auch Luft direkt verwendet werden.
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Die Alternative zu der Fig. 2 ist in der Fig. 3 die Abwärmegewinnung
im Parallelbetrieb von Verbrennungskraftmotor 15 und einer Solarkollektoranlage
28 über die Abwärmezuleitung 5b dargestellt. Die Zufuhr der Abwärme zu dem Wärmeaustauscher
5 in den Speicherbehälter 1 und die Wärmeentnahme über den Wärmeaustauscher 6 aus
dem Speicherbehälter 1 zu den Verbrauchern 25, 26 erfolgt in der zu Fig. 2 vorbeschriebenen
Weise. Bei einem derartigen Parallelbetrieb würde für beide Abwärmeerzeuger das
gleiche Wärmeträgermedium, beispielsweise Luft verwendet.
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In die Abwärmezuleitung 5a wird zur Vermeidung eines möglicherweise
entstehenden Überdruckes ein Überdruckventil 30 und eines gegebenenfalls entstehenden
Unterdruckes ein Unterdruckventil 31 eingeschaltet.
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