DE2916839A1

DE2916839A1 - Verfahren zum speichern von waermeenergie sowie eine vorrichtung zu dessen anwendung

Info

Publication number: DE2916839A1
Application number: DE19792916839
Authority: DE
Inventors: Stefan Gey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-26
Filing date: 1979-04-26
Publication date: 1980-11-06

Description

Stefan Gey, Tulpenhof'straße 25 6o5o Offenbach/Main Verfahren zum Speichern von Wärmeenergie sowie eine Vorrichtung zu dessen Anwendung.

Diese Erfindung hat ein Verfahren zum Speichern von Wärmeenergie in Latent-Wärmespeichern zu Gegenstand, nachdem mittels mehrerer hintereinander geschalteter Latent-Wärmespeicher, deren Speichermedien temperaturmäßig abgestufte Umwandlungstemperaturen aufweisen, der Wärmeinhalt periodisch strömender, warmer Flüssigkeiten aufgenommen und danach mit hohem Wirkungsgrad wieder auf periodisch oder gleichförmig strömende Flüssigkeiten niederen Temperaturpotentials übertragen wird.Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist eine Latent-Wärmespeichervorriehtung, nach welcher sich das Speichermedium in Rohren oder Ringräumen befindet, die von gut wärmeleitenden Einbauten iriikur ζ en Abständen durchsetzt sind.

Mit den Abwässern aus Wohnhaushalten, Küchen, Wäschereien, Badeanstalten und anderen, warmes Wasser verwendenden Einrichtungen gehen große Mengen Wärmeenrgie ungenutzt, die Umwelt be- ^ lastend, verloren. Da die Gewinnung von Energie immer kostspieliger wird und der Verbrauch stark zunimmt, muß die vorhanden· Energie optimal genutzt werden.

Im Gegensatz zur Industrie fallen in den Wohnhaushalten und handwerklichen Berieben an vielen Orten verstreut periodisch relativ kleine Mengen an warmen Abwässern an» Dieser Umstand erschwert die wirtschaftliche Gewinnung der Wärmeenergie und '-verhindert den Einsatz der ih der Industrie üblichen Gegenstrom- Wärmetauscher.

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ORIGINAL INSPECTED

Ein weiteres Problem der Nutzung der Abwärme aus Wohnhaushalten und Handwerksbetrieben besteht darin, daß dort die Abwärme zu unterschiedlichen Zeiten in unterschiedliehen Mengen, anfällt und" Hutzwärme zu anderen--Zeiten in anderen Mengen: benötigt-

In solchen Fällen werden an Stelle v-on Durchlauf-Wärmetauschern sogenannte- Wärmespeicher--verwendete Wärmespeicher sind Vorrichtungen, die die Wärmeenergie zu unters chi edii ehren Zeiten aufzunehmen und abzugeben gestatten.. Diese Speicher enthalten flüssige oder feste Substanzen, die über eine große Wärmekapazität verfügen» DIes-e Speichersubstanzen nehmen, zunächst die zugeführte Wärmeenergie unter Erwärmen auf und ge~ ben diese später unter Abkühlen wieder ab. Dieser Speieherprozess kann beliebig oft wiederholt werden*

Eine besondere Art von Wärme spei ehern sind die Latertt-Wärmespeicher. Diese gestatten das Speichern von Wärmeenrgie bei konstanter Temperatur. In diesem Fall wird die zugeführte Wärmeenergie.zum Schmelzen fester Stoffe verwendet, die Entnahme von Wärmeenergie aus dem. Speicher führt zum ErstarrBn der Speichersubstanz. Die Änderung des Aggregatzus tan.de s der Speichersubstanz läuft unter Abgabe oder Aufnahme großer Mengen an Umwandlungswärme, sogenannter latenter Wärme, ab. Außer der Änderung des Aggregatzustandes werden auch andere Umwandlungsprozesse wie Modifikationswechsel, Kristallisation von Salzen oder organischen Substanzen aus deren Lösungen oder Hydraten zum Speichern von Wärmeenergie bei konstanter Temperatur benutzt.

Es sind eine Eeihe von Latent-Wärmespeiehern beschrieben worden, insbesondere solche von großer Kapazität und großem Volumen, die bevorzugt Sonnenwärme bei Temperaturen zwischen 60 ⁰C und 3o ⁰G über längere Zeit speichern.

Die DT OS 25 17 92o beschreibt eine Vorrichtung zum Speichern von Sonnenwärme bei Temperaturen von etwa 2o ⁰C, wobei vorteilhaft eutektische Salzmischungen verwendet werden. Ferner wer-

den technische Details von Latent-Wärmespeichern und deren Anwendung in einer Reihe von Schriften beschrieben. Die DT OS 25 52 698 und die DT OS 25 23 234- befassen sich mit Maßnahmen zuf Verbesserung des Wirkungsgrades von Latent-Wärmespeichern,

Die DT OS 24. 25 589 hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gegenstand, mit deren Hilfe ein Behälter abwechselnd erwärmt und gekühlt wird, indem abwechselnd warmes undkaltes Wasser durch den Behälter transportiert wird. Beide Portionen von Fässer werden getrennt aufbewahrt und beim folgenden Arbeitsgang erneut zum Erwärmen bzw. zum Kühlen des Behälters ver« wendet.

Die Latent-Wärmespeieher speichern Wärmeenergie bei einer durch die..Wahl des Speichermediums festgelegten Temperatur. Dem Speichermedium kann nur die Wärmeenergie zugeführt werden, deren Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur des Speichermediums liegt. Andererseits kann dem. Speicher die Wärmeenrgie nur bei einer Temperatur entnommen werden, die unterhalb der Umwandlungstemperatur des Speichermediums liegt. Hieraus folgt, daß die Latent-Wärmespeieher bekannter Bauart die Wärmeenergie nur auf einem niedrigen Temperaturniveau nutzen können. Der Speichervorgang erhöht die Entropie des Systems derart, daß der ökonomische Nutzen dieser bekannten Verfahren gering ist.

So ist es wenig sinnvoll, die im Abwasser eines Waschautomaten enthaltene Wärmeenergie, die auf einem Temperaturniveau von 95 ⁰G anfällt, auf einem Temperaturniveau von 4-o ⁰C zu speicern und erneut zu nutzen. Wärmeenergie auf diesem Temperaturniveau ist minderwertig und wird von der Sonne tagsüber in unbegrenzten Mengen geliefert. Die bislang bekannt gewordenen Latent-Wärmespeieher sind für die Anwendung im Wohnhaushalt und der Kleinindustrie ungeeignet, weil die Wärmeenergie nur auf niederem Temperaturniveau nutzbar ist. Um auf niederem Temperaturniveau gespeicherte Wärmeenergie auf ein höheres, wertvolleres Temperaturniveau zu bringen, sind zusätzliche Einrichtungen wie Wärmepumpen erforderlich.

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Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu finden, welches es gestattet, Wärmeenergie auf möglichst hohem Temperaturniveau zu speichern und mit hohem Wirkungsgrad wieder auf kalte Flüssigkeiten zu übertragen. Der Zeitpunkt der Auf nähme:, der Wärmeenergie in den Speicher und der Abgabe aus dem Speicher können beliebig weit auseinander liegen. Darüberhinaus gehört zur Aufgabe dieser Erfindung die Konstruktion eines Latent-Wärmetauschers bzw. eines Elementes, das die Anwendung dieses Verfahrens für kleine Wärmemengen mit guter Energieausbeute gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Latent-Wärmespeicher, die auf mehreren, kaskadenartig abgestuften Temperaturniveaus speichern, hintereinander geschaltet werden und sowohl von der Wärme abgebenden als auch von der Wärme aufnehmenden Flüssigkeit nacheinander im Gegenstrom in jeweils entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Die einzelnen Wärmespeicher-Elemente sind so gebaut, daß die Flüssigkeiten während des Durchströmens optimal Wärmeenergie abgeben und aus dem Speicher aufnehmen.

Die für diesen Zweck verwendbaren Latent-Wärmespeicher können als Speichermedium Salze, eutektische Salzmischungen Salzlösungen, Salzhydrate, Metall-Legierungen,Kohlenwasserstoffe und andere organische Substanzen, die sich durch große Umwandlungsenergien auszeichnen, enthalten. Die Wärmekapazität der einzelnen Speicherstufen wird derart aufeinder abgestimmt, daß entsprechend dem Wärmeangebot und des Wärmebedarfs optimale Energieausbeute sichergestellt ist.

Die Speichermedien der einzelnen Speieherstufen werden so ausgewählt, daß deren Umwandlungstemperaturen möglichst gleichen Abstand voneinander haben, damit die Stufen etwa gleiche Wärmekapazität erhalten. Da jedoch nicht für jede beliebige Temperatur ein geeignetes Speichermedium zur Verfügung steht, kann es notwendig.werden, die Umwandlungstemperaturen von Speichersubstanzen zu korrigieren. Dies geschieht durch Zugabe von löslichen Fremdstoffen zu den in Aussicht genommenen

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substanzen in einer vorher ermittelten Konzentration.

Derartige Speicherkaskaden können auch mehrere Wärme liefernde und Wärme aufnehmende Flüssigkeitsströme integrieren, deren Teiaperaturpotentiale auch unterschiedlich sein können. In die«- ses Fallewerden die einzelnen Speicherstufen mit zusätzlichen Wärme zuführenden und Wärme entnehmenden Rohrleitungen ausgestattet. Die Wärmekapazitäten dieser zusätzlichen Systeme werden in den entsprechenden Speieherstufen berücksichtigt.

Falls die einzelnen in das System einbezogenen Flüssigkeitsströme nicht miteinander vermischt werden dürfen, weil diese unterschiedlich zusammengesetzt sind oder unter verschiedenen Drücken stehen, werden die Flüssigkeiten in verschiedenen, von einander getrennten Rohrleitungen transportiert.

Manche Speiehersubstanzen haben im festen Zustand ein geringes Wärmeleitvermögen, sodaß der Abtransport der Wärme von der Rohrwandung in das Innere des Speichers oder in umgekehrter Richtung relativ langsam erfolgt. Diese Erscheinung setzt den Wirkungsgrad herab und verringert die Wärmekapazität des Speichers. Der Nachteil wird dadurch ausgeschaltet, daß die Speichersubstanz in Rohren oder Ringräumen zwischen zwei Rohren untergebracht wird , in denen sich zusätzlich schraubenförmig gewiekelte Wellrippen aus gut Wärme leitenden Metallen oder* Metall-Legierungen, die wiederum Wärme leitend mit den Rohren verbunden sind, befinden. Diese Rippen sind in kurzen Abständen radial angeordnet. Dadurch werden die Wege für den Transport der Wärme innerhalb des Speichermediums verkürzt, sodaß die Wärme trotz schlechten Leitvermögens des Speichermediums schnell an- und abfließt. . *

An Hand der Abbildung 1 wird der Aufbau eines Latent-Wärme- . Speichers näher beschrieben. . . - -

Auf einem Kernrohr 1 , das aus Kupfer besteht, ist ein schraubenförmiges Kupferband 2 wellenartig aufgewickelt und Wärme leitend mit diesem verlötet. Die in achsialer Richtung hintereinander liegenden Wellen sind gegeneinander versetz.t. Die

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Wellen weisen zueinander geringe, gleichmäßige Abstände auf. Über diese Wellen ist ein Mantelrohr 3 gezogen, das wiederum Wärme leitend mit den Wellenkämmen verbunden ist. In dem Raum zwischen dem Kernrohr 1 und dem Mantelrohr 3 befindet sielt das Speichermeclium.

Da die Umwandlung des Aggregatzustandes stets mit Volumenänderung abläuft, darf der Raum, in dem sich das Speichermedium befindet, nicht vollständig mit Speichersubstanz gefüllt sein, um zu vermeiden, daß der Speicherbehälter infolge einer Volumenvergrößerung der Spei che-r sub stanz gedehnt wird.

Die Wärme abgebende Flüssigkeit fließt durch den Innenraum des Kernrphres 1 . Zu einer anderen Zeit strömt die Wärme aufnehmende Flüssigkeit in entgegengesetzter Richtung durch das gleiche Rohr. Der Innenraum des Kernrohres 1 ist zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Flüssigkeit auf das Speichermedium und umgekehrt mit einem Sternprofil 4 aus gut Wärme leitenden Material oder auch anderen, den Wärmetransport begünstigenden und turbulente Strömung erzeugenden Einbauten ausgestattet.

Für den Fall, daß die Wärme abgebende und Wärme aufnehmende Flüssigkeit gleichzeitig strömen oder sich nicht miteinander vermischen dürfen, wird der Innenraum des Kernrohres 1 durch eine flüssigkeitsdichte Trennwand oder ein weiteres konzentrisch angeordnetes Rohr in zwei Räume unterteilt, wobei in jedem eine Flüssigkeit strömt. Um das Mantelrohr 3 kann aber auch ein weiters Außenrohr 5 in geringem Abstand angebracht werden, durch welches eine der beiden Flüssigkeiten geleitet wird. Dieses Rohr besteht vorteilhaft aus gering Wärme letenden Kunststoff.

Sind mehr als zwei Flüssigkeiten, die nicht miteinander vermischt werden dürfen am Wärmetausch beteiligt, werden in das Kernrohr 1 mehrere dünne, die Wärme gut leitende Rohre eingebaut und die Zwischenräume zwischen diesen Rohren und dem Kernrohr 1 mit gut Wärme leitenden Substanzen wie Metallen, Metall-Legierungen oder Warmezement ausgefüllt.

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Die Latent-Wärmespeicher sind, nach außen extrem gut wärmeisoliert, damit auch über längere Zeiten keine nennenswerten Wärmeverluste eintretet. · Die hintereinander geschalteten Speicherelemente sind gegeneinander wärmeisoliert. Zu diesem Zweck sind die sind die Flüssigkeiten führenden Metallrohre zwischen den Speicherstufen gegeneinander mit Schlauchmuffen aus schlecht Wärme leitendem Kunststoff verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Speichern von Wärmeenergie ermöglicht die mehrmalige Nutzung vorhandener Wärmeenergie bei abfallendem Temperaturniveau. Die Anwendung dieses Ver*·' fahrens senkt den Verbrauch an Trägern von Primärsnergie, wie Kohle, Erdöl, Erdgas und Kernbrennstoffen. Es wurden Energiekosten gespart und die Umwelt weniger mit Schadstoffen, die bei der Umwandlung von Primarenergie in elektrische Energie anfallen, belastet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Anwendung des der Erfindung zu Grunde liegenden Verfahrens in Fällen geringen Wärmeenergieumsatzes, wie in Wohnhaushalten und handwerklichen Kleinbetrieben»

Die Latent-Wärmespeicher arbeiten wartungsfrei, geräuschlos und ungefährlich, beanspruchen wenig Platz und sind leicht zu transportieren und zu installieren» Bei Anwendung des Baukastenprinzips lassen sich durch Hintereinander- und Heben«=· einanderschalten große Speicherkapazitäten individuell installieren«

Der Aufbau und die Funktionsweise sowie die Anwendung einer Wärmespeicherkaskade wird an Hand des folgenden Beispiels naher beschrieben.

Ein Wohnhaushalt verfügt über einen elektrisch beheizten Waschautomaten und einen elektrisch betriebenen Geschirrspüler» Den von diesen Geräten erzeugten Abwässern wird mittels einer Latent-Wärmespeicherkaskade die Wärmeenergie entnommen und zum Aufwärmen des zulaufenden Frischwassers genutzte

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Der Waschautomat erzeugt pro Heißwaschvorgang zweimal nach-.einander je 15 1 Waschlauge mit einer Temperatur von 95 ⁰Cj der Geschirrspüler erzeugt pro Spülprozess zweimal 1o 1 Abwaschwasser von 6o ⁰C. Beide Geräte werden mit Frischwasser von 8 ⁰C versorgt»

Zur Rückgewinnug der in den Abwässern beider Geräte enthaltenen Wärmeenergie wird ein sechsstufiger Latent-Wärmespei» eher eingesetzt» bei dem jede Stufe eine Kapazität von 1 5oo kJ aufweist» Die Gesamtkapazität beträgt 9 ooo kJ» Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen^ sollen die Temperaturniveaus der einzelnen Stufen untereinander und zu den Eintrittstemperaturen von Abwasser und Frischwasser gleiche Abstände auf= weisen« In diesem Falle betragen die Abstände der einzelnen Speicherstufen: (95 - 8) s 7 = 12,4 oC.

Der sechsstufige Latent-Wärmespeicher erhält folgenden Aufbau σ

Stufe Theor. Prakt. Speichersubstanz Dichte Umwandlungs-Temp. Temp. energie

	⁰C	⁰C	Acetamid	o,98	kJ/kg	kJ/ 1
1	82,5	82,2	t-Crοtonsäure	o,97	241	236
2	. 7o,1	71,4	Tristearin	o,86	162	157
3	57,6	56,2	n-Laurinsäure	o,87	191	164
4	45,2	44,2	n-Caprinsäure	o, 89	183	159
5	32,8	31,2	Glycerin	1,26	163	145
6	2o,4	2o,o		199	25o

Die Speichersubstanzen sind preiswert, ungefährlich und nicht korrosiv gegenüber Kupfer und dessen Legierungen.

Diese sechsstufige Latent-Wärmespeieherkaskade zeigt beim Anschluß des Waschautomaten und des Geschirrspülers folgendes Temperatürverhalten:

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Stufe	Tempo	Waschautomat	Austritt	Austritt	Geschirrspüler	Austritt	Austritt
	OC	Abv/asser Frischwasser			Abwasser Frischwasser
ι	95,o	Eintritt		Eintritt			Eintritt Eintritt
1	79,5
2	71,4.
	6o_po		Eintritt
3	56,2
	53,7
4-	U.2
5	31*2
	22,5
6	2o„o
	8_εο

Die Temperatur.des Frischwassers» das dem Waschautomaten zufließt wird von 8 ⁰C auf 79,5 ⁰C erhöht? das bedeutet, daß vom Wärmeinhalt des Abwassers 82 % zurückgewonnen werden. Auf diese Weise werden je Heißwasehprozess 8966 kJ oder 2,5 kWh elektrische Energie erhalten.

Das Frischwasser des Geschirrspülers wird auf 53,7 ⁰C aufgewärmt«, Somit werden pro SpülVorgang 382o kJ Wärmeenergie oder 1,1 kWh elektrischer Energie demProzess erhalten. Der Wärme'ibedarf für das Aufheizen der mit dem Warmwasser in Berührung kommenden Maschinenteile ist bei dieser Betrachtung nicht berücksichtigt worden.

In diese Wärmespeichersysteme lassen sich andere, Wärme abgebende oder Wärme verbrauchende Geräte einbeziehen. Der Kondensator eines Kompressor-Kühlaggregates gibt Wärmeenergie mit einer Temperatur von 5o ⁰C ab und wird zwischen der dritten und vierten Stufe in den Latent-Wärmespeicher eingeführt. Die Rohrleitung, in der das Kühlmittel verflüssigt wurde, tritt hinter der sechsten Stufe wieder aus und führt in den Verdampfer des Kühlsystems zurück. Bei Anwendung die>ser Arbeitsweise unterbleibt das besonders in der warmen Jahreszeit lästige Aufwärmen der Wohnräume durch die Abwärme der Kühl- und Gefriereinrichtungen.

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Da die Kühlaggregate dem Latentwärmespeicher nur Wärmeenergie zuführen.ohne äquivalente Wärmemengen zu entnehmen, soll eine weitere Rohrleitung parallel zu der Rohrleitung der Kälteanlage installiert werden, über die Wärmeenergie mit einer Temperatur von etwa U5 ⁰C dem Latent-Wäimespeicher entnommen werden kann. Diese Wärme wird zur Versorgung eines Handwaschbeckens genutzt.

Die elektrischen Heizungen der in das Wärmetauschsystem einbezogenen Haushaltgeräte werden noch dazu genutzt» die Temperaturdifferenz zwischen der Frisctnjassereintritts- und der Betriebstemperatur des Gerätes zu ergänzen.

Für den Fall, daß eine Stufe oder der gesamte Latent-Wärme·=
speicher nicht genügend aufgeladen ist„ können die ange»
schlossenen Geräte trotzdem normal betrieben werden^ iireil
die Heizungen der Geräte auch die gesamte für den Arbeits-Vorgang notwendige Wärmemenge liefern»

Der Wirkungsgrad der .Latentwärmespeicher steigt mit zunehmender Stufenzahl an» Der sechsstufige Wärmespeicher hat
für den Waschautomaten einen Wirkungsgrad von 82 %₉ ein
zehnstufiger Speicher weist einen Wirkungsgrad von 89 % auf_o

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Entnahme von Wärmeenergie aus warmen Flüssigkeiten und Rückführung dieser Wärmeenergie auf kalte Flüssigkeiten zu anderen Zeiten mit Hilfe von LatentWärmespeichern,.; dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Latentwärmespeicher, die auf verschiedenen Temperaturniveaus betrieben werden, nacheinander von den Flüssigkeiten durchströmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der nacheinander geschalteten Latentwärmespeicher zwei bis fünfzehn, bevorzugt fünf bis zehn ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärme abgebende und Wärme aufnehmende Flüssigkeitsströme, auch von unterschiedlicher Eintritts- und Austrittstemperatur in das Wärmespeichersystem einbezogen werden.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3 » dadurch gekennzeichnet i daß Prozesse, bei denen durch Umwandlungen latente Wärmeenergie abgegeben oder verbraucht wird, in das Wärmespeichersystem einbiegen werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 » dadurch gekennzeichnet, daß die Speichersubstanz in einem Rohr oder Ringraum untergebracht ist, dessen Volumen von gut Wärme leitenden Lamellen durchzogen ist, die wiederum Wärme leitend mit den Rohren oder Ringräumen verbunden sind, durch welche die Wärme abgebenden und Wärme aufnehmenden Flüssigkeiten strömen.

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