DE2926960A1

DE2926960A1 - Mit waermespeicher kombinierter waermetauscher

Info

Publication number: DE2926960A1
Application number: DE19792926960
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl Ing Finger; Guenther Ing Grad Haefner; Hermann Dipl Ing Lenz
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-07-04
Filing date: 1979-07-04
Publication date: 1981-01-22
Also published as: IT1146915B; GB2058325A; FR2461220A1; SE8004932L; IT8049159A0

Description

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Daimler-Benz Aktiengesellschaft

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Mit Wärmespeicher kombinierter Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen mit Wärmespeicher kombinierten Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Wärmetauscher und Wärmespeicher dieser Gattung sind praktisch in jeder häuslichen Warmwasserversorgung und in vielen weiteren Anwendungsfällen vorgesehen. Ein gewisses in einem Behälter gespeichertes Brauchwasservolumen wird durch Heizschlangen seitens einer Wärmequelle, beispielsweise von einem Ofen, auf einer bestimmten Speichertemperatur gehalten. Bei Entnahme von erwärmtem gespeichertem Brauchwasser sinkt die Temperatur infolge des Nachströmens kalten Brauchwassers in den Speicher, so daß die Wärmequelle wieder Wärmemenge nachliefern muß. Die Wärmequellen sind - wie gesagt - normalerweise als Öfen ausgebildet_s bei denen jederzeit ein eindeutiges Temperaturgefälle für einen Wärmetransport vorausgesetzt werden kann.

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Wenn jedoch die Wärmequelle als SolarkoUekDibatterie ausgestaltet ist oder beispielsweise die Abwärme von irgendwelchen Einrichtungen, beispielsweise die Abwärme von häuslichem Abwasser, ausgenützt werden soll, so kann auf der wärmeabgebenden oder Primärseite nicht mit einem stets gleichbleibenden Temperaturniveau und auch nicht mit einem stets eindeutigen Temperaturgefälle in Richtung auf die wärmeaufnehmende oder Sekundärseite des Wärmetauschers gerechnet werden. Würde bei solchen Anwendungsfällen ein herkömmlicher Wärmetauscher und -speicher verwendet werden, so kann es u. U. zu einem Wärmerückfluß von der Sekundär- auf die Primärseite kommen, wodurch gerade zu Zeiten eines besonders geringen Wärmeangebotes ein Wärmerückfluß von der Sekundär- zur Primärseite, also eine Abkühlung auf der Brauch- oder Nutzseite verursacht werden könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Speicher-Wärmetauscher derart zu gestalten, daß bei schwankendem Temperaturniveau auf der wärmeabgebenden und/oder auf der wärmeaufnehmenden Seite auch bei einer Umkehrung des Temperaturgefälles ein Wärmerückfluß von der Sekundär- auf die Primärseite vermieden wird und daß die auf der wärmeabgebenden Seite zur Verfugung gestellte Wärme weitgehend von der wärmeaufnehmenden Seite ausgenutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch die Erfindung wird in dem Wärmespeicher und in dem Wärmetauscher eine zwangsweise Temperaturschichtung sowie eine Wärmerückflußsperre eingeführt. Die lediglich einseitig wirkende wärmetransportierende Verbindung kann jeweils durch

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ein geschlossenes Kühlschlangensystem mit Absperrventilen zwischen der wärmeaufnehmenden und der wärmeabgebenden Seite geschaffen werden, die bei Umkehr des Temperaturgefälles sich selbsttätig verschließen. Diese Ventile sprechen also nicht auf die Höhe des Temperaturniveaus, sondern auf die Richtung eines Temperaturgradienten zwischen zwei verschiedenen Punkten an. Eine gegenüber dieser Lösungsmöglichkeit einfachere Ausgestaltung besteht in der Verwendung von sogenannten Wärmerohren, die zweckmäßigerweise vertikal verlaufend angeordnet sind, wobei ihr wärmeaufnehmender Teil unten und der wärmeabgebende Teil oben angeordnet ist und bei denen der Kondensatrücktransport weitgehend durch die Schwerkraft erfolgt.

Wärmerohre sind an sich bekannt. Hierunter soll ein evakuierter hermetisch dicht verschlossener und zumindest im wärmeaufnehmenden bzw. im wärmeabgebenden Bereich aus gut wärmeleitendem Material, z. B. aus Kupfer oder aus Aluminium, gebildeter Hohlraum vorzugsweise in Rohr- oder Plattenform verstanden sein, der mit einem verdampfbaren und kondensierbaren Wärmeträgermedium gefüllt ist. Die Auswahl des Wärmeträgermediums richtet sich nach dem Temperaturniveau, bei dem Wärme übertragen werden soll. Das Wärmerohr ist normalerweise im Innern teilweise mit einer Kapillarstruktur zum Rücktransport des kondensierten Wärmeträgermediums von der wärmeabgebenden Stelle zu der wärmeaufnehmenden Stelle versehen; dies kann z. B. in Form einer Auskleidung des Rohres mit einem Siebgewebe oder durch eine Rillenstruktur der inneren Rohroberfläche geschehen. Mit dieser Kapillarstruktur kann das Kondensat über eine kleine Höhendifferenz hinweg auch entgegen der Schwerkraft zur

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wärmeaufnehmenden Stelle des Wärmerohres zurücktransportiert werden. Bei der vorliegenden Anwendung wird jedoch zur Verhinderung eines Kondensatrückflusses entgegen der Schwerkraft diese Kapillarstruktur zumindest im Übergangsbereich vom wärmeaufnehmenden zum wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre tunlichst vermieden. Das Kondensat soll bei der vorliegenden Anwendung ausschließlich fallend transportiert werden, so daß bei einer Umkehr des Temperaturgefälles zwischen den Enden des Wärmerohres eine einen aufsteigenden Kondensatfluß voraussetzende Wärmeübertragung in der umgekehrten Richtung, d. h. von der Sekundär- zur Primärseite, nicht erfolgen kann. Innerhalb des wärmeaufnehmenden Teiles des Wärmerohres, der sin selber über eine gewisse Höhendifferenz hinweg erstreckt, ist die Anwendung einer inneren Kapillarstruktur günstig, damit auch bei lediglich teilweiser Auffüllung dieses Teiles mit Kondensatflüssigkeit möglichst die ganze Innenfläche der Wandung des wärmeaufnehmenden Teiles mit Kondensat benetzbar ist; dies erhöht die mögliche Wärmeübertragungsleistung. Zweckmäßigerweise kann zwischen dem wärmeaufnehmenden und dem wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre ein etwa 15 bis 25 cm langer vertikal sich erstreckender funktionsfreier Übergangsbereich eingefügt sein; dieser Rohrabschnitt sollte gut gegen Wärmeabfluß isoliert sein. Diese Rohrzwischenstrecke stellt einen Sicherheitsabstand zwischen den beiden übertragungswirksamen Teilen des Wärmerohres dar, der in aufsteigender Richtung von dem Kondensat durch Kriechen od. dgl. nach bisherigen Erfahrungen nicht überwunden werden kann. Als Füllung für die Wärmerohre sind beispielsweise Ammoniak, Wasser oder ein Gemisch aus Alkohol und Wasser geeignet. An der heißen Stelle des Wärmerohres, an der Wärmeenergie zugeführt wird, verdampft das eingegebene Medium und breitet sich rasch im Innern des Wärmerohres

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aus. An \\rärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres schlägt sich das verdampfte Medium nieder und kondensiert unter Abgabe seiner Wärme an die Wandung des Wärmerohres. DAs Kondensat bewegt sich - vorliegend ausschließlich durch Schwerkraft zu den Wärmezufuhrstellen des Wärmerohres zurück. Die an der Kondensatseite vom Medium an die Wandung des Wärmerohres abgegebene Wärmemenge wird auf der Außenseite durch Wärmeleitung und Konvektion an das Wärmespeichermedium abgeführt. Da an den wärmeaufnehmenden bzw. wärmeabgebenden Stellen des Wärmerohres eine Zustandsänderung des Wärmeübertragungsmediums stattfindet, wird im wesentlichen die für die Zustandsänderung erforderliche Umwandlungsenergie in Wärmeform übertragen. Da die Umwandlungsenergien bezogen auf die Masse des Wärmeübertragungsmediums wesentlich größer sind als die durch die Aufheizung: eines Mediums speicherbaren Energiemengen, kann durch den Transport relativ kleiner Mengen an Wärmeübertragungsmedium eine große Wärmemenge auch über größere Entfernungen und bei relativ kleinem Temperaturgefälle übertragen werden. Durch Aufprägen eines bestimmten Druckes auf das Innere des Wärmerohres kann im übrigen auch dafür gesorgt werden, daß die Wärmeübertragung bei einem ganz bestimmten Temperaturniveau stattfindet.

Die Sperrwirkung der solcherart ausgestalteten Wärmerohre für einen Wärmerückfluß in der Richtung von der Sekundärzur Primärseite des Speicherwärmetauschers wird dadurch bewirkt, daß - wie gesagt - der Kondensatfluß für die unerwünschte Wärmeübertragungsrichtung gesperrt ist. Bei Umkehr des Temperaturgefälles im Speicherwärmetauscher müßte für einen Wärmetransport innerhalb der Wärmerohre das Kondensat entgegen der Schwerkraft von der untenliegenden Primärseite

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zu der obenliegenden Sekundärseite kriechen, was ihm zumindest ohne Kapillarstruktur nicht oder nur zu einem vernachlässigbaren kleinen Anteil gelingt. Zweckmäßigerweise kann die Innenseite der Wärmerohre im Übergangsbereich mit einem flüssigkeitsabstoßenden Belag versehen sein, so daß das Kondensat dort die Innenseite möglichst wenig benetzt und dementsprechend auch keine Neigung hat, in diesem Bereich entgegen der Schwerkraftrichtung an der Innenwandung hochzukriechen. Eine geringe Netznei^ung zwischen Kondensat und Innenwandung im Übergangsbereich führt im übrigen auch zu einem besonders raschen Kondensatübertritt in den Primärteil in der gewünschten Richtung mit der Schwerkraft an der Innenwandung der Wärmerohre entlang. Dies begünstigt einen hohen Wärmetransport in der gewünshten Übertragungsrichtung trotz einer etwaigen zwischengefügten funktionsneutralen Rohrstrecke. Ein entsprechender die Benetzung durch Kondensat reduzierender Belag könnte eine Verchromung auf der Innenseite oder eine Beschichtung mit Polytetrafluoräthylen (PTFE) sein. Im wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre sollte jedoch möglichst eine solche Oberflächenbeschaffenheit vorliegen, die eine filmartige Kondensation begünstigt im Gegensatz zu einer Tropfenkondensation. Nach vorliegenden Erfahrungen bringt bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen der Innenatmosphäre des Wärmerohres und der Außenseite eine Filmkondensation einen besseren Wärmeübergang.

Als Speichermedium kann das sekundärseitig aufzuheizende Nutz- oder Brauchwasser verwendet werden, wobei die einzelnen Wärmespeicherzonen gleichzeitig den wärmeaufnehmenden Kanal des Speicherwärmetauschers bilden. Als Speichermedium kann jedoch auch ein in den Speicherzonen ständig einge-

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schlossenes Medium, insbesondere ein Latentwärmespeichermaterial, verwendet werden. Bei einer solchen Ausgestaltung ist ein Wärmeaustausch zwischen dem wärmeaufnehmenden Kanal und dem Material der Wärmespeicherzongen durch die Wandung des Kanales hindurch vorzusehen. Auch bei Latentwärmespeichermaterial wird im wesentlichen die Phasenumwandlungsenergie zwischen der flüssigen und der festen Phase oder bei chemischen Latentwärmespeichern die Reaktionsenthalpie und weniger die der grade vorliegenden Erwärmung entsprechende Wärmeenergie gespeichert. Dadurch lassen sich wesentlich höhere Speicherdichten oder bei vorgegebenem Bauvolumen höhere Speicherkapazitäten erzielen als bei einer reinen temperaturabhängigen Speicherung. Als Latentwärmespeichermaterialien kommen insbesondere verschiedene Stoffe oder Stoffkombinationen, z. B. Wachssorten mit unterschiedlich hohen Arbeitstemperaturen, insbesondere Schmelzpunkten, entsprechend den verschiedenen Temperaturniveaus der Wärmespeicherzonen in Betracht. Ein weiterer Vorteil der Latentwärmespeicher ist, daß der Wärmeaustausch im wesentlichen stets bei einer bestimmten Temperatur über die Speicherkapazität hinweg, nämlich bei der jeweiligen Arbeits- bzw. Schmelztemperatur des Speichermaterials erfolgt. Hierdurch werden auch bei Teilentleerung der Speicherkapazität noch relativ hohe Temperaturgefälle und dementsprechend hohe Wärmeflüsse erzielt. Auch dies trägt in bekannter Weise zu einer Reduzierung von Bauvolumen und Kosten bei.

Die Erfindung ist anhand dreier in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen:

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Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Speicherwärmetauschers nach der Erfindung mit Brauchwasser als Speichermedium,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherwärmetauschers mit Latenwärmespeichermaterial als Speichermedium,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein Bruchstück eines Wärmerohres im Übergangsbereich, wie es in den Speicherwärmetauschern nach Fig. 1 oder nach Fig. 2 verwendet wird, und

Fig. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speicherwärmetauschers nach der Erfindung mit druckfesten Wärmezonen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Speicherwärmetauscher nach der Erfindung weisen einen Speicherbehälter 2 auf, der durch eingezogene wärmeisolierende Zwischenwände 7 bzw. 7' in mehrere Wärmespeicherzonen 11 bis 16 bzw. 11' bis 16' unterteilt ist. Der Speicherbehälter 2 ist außerdem gegen Wärmeverluste an die Umgebung außen mit einer Wärmeisolierung versehen. Unterhalb des Speicherbehälters 2 ist ein wärmeabgebender Kanal 17 angeordnet, der mit in die äußere Wärme-

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isolierung 1 einbezogen ist und der außerdem gegenüber dem Speicherbehälter 2 selber durch eine weitere wärmeisolierende Wand 18 getrennt ist. Durch diese Wärmeisolierung soll ein Wärmerückfluß von der Sekundärseite des Speicherwärmetauschers zu der Primärseite (17) im Falle der Umkehr des Temperaturgefälles vermieden werden. Der primärseitige, wärmeabgebende Kanal ist kammerartig erweitert und an seinen beiden Enden mit Anschlüssen 5 und 6 für Vorbzw. Rücklauf versehen. Über die Einbauten 21, 23 und 24 im Kanal wird noch weiter unten zu sprechen sein. Durch den Speicherbehälter 2 ist der wärmeaufnehmende - sekundärseitige - Kanal 9 (Fig. 1) bzw. 1o (Fig. 2) hindurchgeführt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Zwischenwände 7 zwischen den einzelnen Wärmezonen jeweils mit einer Durchlaßöffnung 8 für das eingeschlossene als Speichermasse dienende Brauchwasser versehen. Die Durchlaßöffnungen in zwei benachbarten Zwischenwänden sind jeweils gegeneinander versetzt angeordnet, so daß insgesamt ein durch alle Wärmespeicherzonen 11 bis 16 hindurchführender mäanderförmiger wärmeaufnehmender Kanal 9 entsteht, der an seinen Enden bzw. an den beiden außenliegenden Wärmespeicherzonen 11 und 16 mit einem Anschluß für Vorlauf (3) bzw. Rücklauf (4) versehen ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die Zwischenwände 7' geschlossen; die solcherart gebildeten völlig gegeneinander abgeteilten Wärmespeicherzonen 11' bis 16' enthalten als wärmespeichernde Masse jeweils ein Latentwärmespeichermaterial unterschiedlichen Temperaturniveaus. Der wärmeaufnehmende Kanal 1o mit Vorlauf- (3) bzw. Rücklaufanschluß 4 ist als gesonderter Kanal durch alle Wärmespeicherzonen 11' bis 16' hindurchgeführt und steht mit ih-

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nen jeweils über Wärmeaustauschrippen 19 in Verbindung.

Den einzelnen Wärmespeicherzonen 11 bis 16 bzw. 11' bis 16' ist jeweils ein unterschiedliches Temperaturniveau T₁ bis Tβ zugeordnet> wie dieses durch einen strichpunktiert in Fig. 1 eingezeichneten diagrammartigen Linienzug angedeutet ist. Die einzelnen Wärmespeicherzonen werden von dem wärmeaufnehmenden Kanal 9 bzw. 1o nacheinander in der Reihenfolge der Temperaturniveaus aufsteigend erreicht, d. h. die Wärmespeicherzone 16 bzw. 16' mit dem niedrigsten Temperaturniveau T_fi wird von dem wärmeaufnehmenden Kanal 9 bzw. 1o als erste und die Wärmespeicherzone 11 bzw. 11' mit dem höchsten Temperaturniveau T- wird als letzte erreicht. Bei dem Speicherwärmetauscher nach Fig. 1 mit Brauchwasser als wärmespeichernder Masse ergibt sich die angedeutete Temperaturschichtung beim Betrieb des Speicherwärmetauschers von ganz alleine. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit Latentwärmespeichermaterial in den einzelnen Wärmespeicherzonen ist der Schmelzpunkt der einzelnen für die Wärmespeicherzonen vorgesehenen Materialien entsprechend den gewünschten Temperaturniveaus auszuwählen, so daß hier die Temperaturschichtung durch die Auswahl der Speichermaterialien vorgegeben ist.

Um die Wärme vom wärmeabgebenden Kanal 17 temperaturgeschichtet in die einzelnen Wärmespeicherzonen der Sekundärseite des Speicherwärmetauschers übertragen zu können, ist für jede Wärmespeicherzone wenigstens jeweils ein dem zugehörigen Temperaturniveau T. - T₆ entsprechendes Wärmerohr 2oa bis 2of vorgesehen. Jedes der verschiedenen Wärmerohre erstreckt sich mit seinem wärmeaufnehmenden Teil 21 in den

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wärmeabgebenden Kanal 17 hinein und reicht mit einem wärmeabgebenden Teil 22 bis tief in die entsprechende Wärmespeicherzone hinein. Zur Begünstigung des Wärmeüberganges innerhalb des primärseitigen Kanales 17 auf den relativ kurzen wärmeaufnehmenden Teil 21 der Wärmerohres sind diese jeweils mit mehreren Wärmeaustauschrippen 23 versehen. Außerdem sind in dem primärseitigen Kanal zur Verentsprechend meidung von Strömungskurzschlüssen od. dgl. -/der Lage der Zwischenwände 7 bzw. 7* im sekundärseitigen Teil des Speicherwärmetauschers - Strömungsleitbleche 24 vorgesehen, die für eine mäanderförmige Strömung des wärmeabgebenden Trägermediums durch den primärseitigen Kanal sorgen. Auf die geschilderte Weise steht der wärmeabgebende Kanal 17 über eine einseitig in Richtung zur Sekundärseite des Speicherwärmetauschers hin wirksame wärmetransportierende Verbindung mit den einzelnen Wärmespeicherzonen unterschiedlichen Temperaturniveaus in Verbindung, wobei die einzelnen Wärmespeicherzonen vom wärmeabgebenden Kanal - mittelbar - in einer den Temperaturniveaus entsprechenden fallenden Reihenfolge erreicht werden. Das wärmeabgebende Wärmeträgermedium erreicht also das zur Wärmespeicherzone 11 bzw. 11' mit dem höchsten Temperaturniveau T^ gehörende Wärmerohr 2oa als erstes und das Wärmerohr 2of der Wärmespeicherzone 16 bzw. 16' mit dem niedrigstens Temperaturniveau T^ als letztes.

Die Wirkungsweise des Wärmespeicheis nach Fig. 1 ist nun folgende: Das wärmeabgebende Trägermedium und das wärmeaufnehmende Trägermedium gelangen nach dem Prinzip des Gegenstroms miteinander in wärmeaustauschenden Kontakt, wobei jedoch durch die Wärmerohre und durch die wärme-

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isolierende Wand 18 lediglich für einen einseitigen Wärmetransport von der Primär- zur Sekundärseite gesorgt ist. Aufgrund der Unterteilung des Speicherbehälters in mehrere Wärmespeicherzonen, die untereinander wärmeisoliert sind, kommt es in dem Trägermedium auf der Sekundärseite unter der Voraussetzung einer quasistagnierenden Durchströmung des Speicherbehälters zu einer Temperaturschichtung in dem Speicherbehälter, derart, daß jeder Wärmespeicherzone ein unterschiedliches Temperaturniveau zugeordnet ist. Dabei liegt das höchste Temperaturniveau T.. geringfügig unterhalb der Zulauftemperatur des wärmeabgebenden Trägermediums während der Zeit, als sich das höchste Temperaturniveau ausbilden konnte. Sinkt nun aus irgendeinem Grunde die Zulauftemperatur des wärmegebenden Trägermediums unter das Temperaturniveau T₁ in der Wärmespeicherzone 11 ab und stabilisiert sich beispielsweise auf einem Niveau kurz oberhalb des Temperaturniveaus T„ der Wärmespeicherzone 13, so hat sich bezüglich der ersten beiden Wärmespeicherzonen 11 und 12 das Temperaturgefälle in Richtung von der Sekundär- auf die Primärseite des Speicherwärmetauschers umgekehrt. Die Wärmerohre 2oa und 2ob sind in ihrem oberen Teil stärker erwärmt als in dem unteren Teil. Außerdem ist die Wandung des Speicherbehälters 2 im Bereich der ersten beiden Wärmespeicherzonen wärmer als das wärmeabgebende Trägermedium im Kanal 17. Ein Wärmerückfluß von der Sekundär- auf die Primärseite durch die Behälterwand hindurch verhindert die wärmeisolierende Wand 18. Da die Wärmerohre auf ihrer im Übergangsbereich glattflächig gestalteten Innenseite 25 mit einem nichtnetzenden Chrombelag 26 oder PTFE-Belag 27 versehen sind, könnte etwaiges Kondensat nur in Schwerkrftrichtung nach unten ablaufen. Ein Hochkriechen des Kondensates in die

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oberen Partien 22 der Wärmerohre hinein ist mangels einer Kapillarstruktur verhindert. Aus diesem Grunde sammelt sich bei umgekehrten Temperaturgefalle das Kondensat vollständig im unteren wärmeaufnehmenden Teil des Wärmerohres und verbleibt dort; der einen Wärmetransport innerhalb des Wärmerohres ermöglichende Kreislauf von Wärmeträgermedium ist damit unterbrochen. Ein Wärmerückfluß aus den beiden ersten Wärmespeicherzonen 11 und 12 auf die Primärseite des Speicherwärmetauschers ist damit ausgeschlossen. Erst aufgrund eines Verbrauches des in den Wärmespeicherzonen eingeschlossenen Wassers läßt deren Temperatur allmählich absinken, bis sie auf das jeweils höchste zuletzt von der Primärseite gespeiste Temperaturniveau - im gewählten Beispiel das Temperaturniveau T, abgesunken sind. Erst wenn auch in den Wärmespeicherzonen 11 und 12 eine niedrigere Temperatur als im Zulauf des wärmeabgebenden Kanales 17 herrscht, kann es wieder im Bereich der wärmeabgebenden Partien der Wärmerohre 2oa und 2ob zu einem Kondensieren von dampfförmigem Wärmeübertragungsmedium innerhalb der Wärmerohre und somit zu einem Wärmetransport von der Primär- auf.die Sekundärseite des Speicherwärmetauschers kommen. Bei einem weiteren Absinken der Zulauftemperatur im wärmeabgebenden Trägermedium auf der Primärseite des Speicherwärmetauschers wiederholt sich dieses Spiel entsprechend; es können dann die Wärmespeicherzonen, deren Temperatur oberhalb der primärseitigen Zulauftemperatur liegt, noch leergefahren werden, ohne daß ein Wärmerückfluß von der Sekundär- auf die Primärseite eintritt. Erst wenn die mit ihrer Betriebstemperatur oberhalb der jeweiligen primärseitigen Zulauftemperatur liegenden Wärmespeicherzonen durch entsprechenden Verbauch auf die

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jeweilige Zulauftemperatur abgesunken sind, kommt wieder ein Wärmetransport von der Primär- auf die Sekundärseite zustande. Die Wärmespeicherzonen werden also auf der jeweiligen höchsten primärseitigen Zulauftemperatur stabilisiert. Bei einem Absinken der primärseitigen Zulauftemperatur steht immer noch ein gewisses Speichervolumen auf dem zuletzt gehabten höchsten Temperaturniveau zur Verfügung .

Die Wirkungsweise des Speicherwärmetauschers nach Fig. 2 mit Latentwärmespeichermaterial innerhalb der Wärmespeicherzonen verhält sich ganz analog. Die einzelnen Temperaturschichten bzw. Wärmespeicherzonen sind - von gewissen unvermeidbaren Wärmebrücken abgesehen - untereinander gegen Wärmeaustausch auch hier isoliert. Es können durch Wasserverbrauch die einzelnen Wärmespeicherzonen der Sekundärseite bei absinkender Primärtemperatur nacheinander, beginnend von dem Speicher mit der höchsten Betriebstemperatur - leergefahren werden, wobei jedoch das jeweilige Temperaturniveau solange auf dem Phasenumwandlungspunkt stehen bleibt, als noch beim Abkühlen flüssiges Speichermaterial in der Wärmespeictercone vorhanden ist. Erst nachdem das Latentwärmespeichermaterial völlig in den festen Zustand übergegangen ist, beginnt die Temperatur innerhalb einer Wärmespeicherzone abzusinken. Die durch Materialauswahl vorgegebene Temperaturschichtung bleibt also langer als beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erhalten; außerdem ist bei gleichem Bauvolumen die Speicherkapazität innerhalb einer Wärmespeicherzone größer, weil die Phasenumwandlungsenergie als wesentlicher Beitrag mit gespeichert ist.

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Der druckfeste Speicherwärmetauscher nach Fig. 4 ist nach dem Vorbild des Speicherwärmetauschers nach Fig. 1 ausgebildet, bei dem die wärmespeichernde Masse in Form einer Brauchflüssigkeit, z. B. als Wasser, vorhanden ist. Die einzelnen Wärmespeicherzonen - es sind davon in Fig. 4 lediglich zwei dargestellt - sind im Sekundärteil des Speicherwärmetauschers als flaschenförmiger Druckbehälter 3o ausgebildet, der dem Brauchwasserdruck ohne weiteres standzuhalten vermag. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die einseitig wirksame wärmeaustauschende Verbindung zitfischen dem Primär- und dem Sekundärteil des Speicherwärmetauschers in Form eines Wärmerohrbündels 31 ausgebildet, welches durch eine relativ groß bemessene Einführöffnung 32 in den Druckbehälter eingeführt werden kann. Die einzelnen Druckbehälter stehen über eine Verbindungsleitung 34 untereinander in Verbindung, die an dem Anschluß 33 oben an einem Druckbehälter angeschlossen werden kann und beim benachbarten nächsten Druckbehälter unten einmündet. Unterhalb der Einführöffnung 32 ist ein kastenförmiger Wärmetauscher als Primärteil des Speicherwärmetauschers vorgesehen, in den sich wärmeaufnahmeseitig das Wärmerohrbündel hineinerstreckt. Die einzelnen den Wärmespeicherzonen bzw. Druckbehältern zugeordneten primärseitigen Wärmetauscher 35 stehen untereinander über kurze Verbindungsleitungen 36 in Verbindung. Gegen Verlust von Wärme nach außen und gegen einen unbeabsichtigten Wärmeaustausch von der Sekundär- zur Primärseite sind die Druckbehälter 3o und die kastenförmigen Wärmetauscher 35 mit einer Wärmeisolierung 37 bzw. 38 umkleidet; die genannten Teile können beispielsweise innerhalb einer entsprechenden Einschalung wärmeisolierend umschäumt werden. Jeder einzelne der Druckbehälter kann über

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Standfüße 39 aufgestellt werden, die jedoch möglichst ohne Bildung von Wärmebrücken mechanisch mit dem Druckbehälter verbunden sein sollten. Die Aufteilung der Wärmerohre beim dritten Ausführungsbeispiel in ein Wärmerohrbündel wurde zur Vergrößerung der Oberfläche zwischen wärmespeichernder Masse und wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre im Sekundärteil des Speicherwärmetauschers vorgesehen. Im Sekundärteil kann auf der Wärmerohraußenseite nur eine geringe Konvektion und somit nur ein geringer Wärmetransport vorausgesetzt werden. Insbesondere bei Latentwärmespeichern nach dem Vorbild des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ist eine große wärmeübertragende Oberfläche in dem wärmeabgebenden Teil der Wärmerohre wichtig, weil in diesen Anwendungsfällen die Latentwärmespeichermaterialien zeit- oder teilweise fest oder zumindest sehr zähflüssig sind und sich eine freie Konvektion gar nicht ausbilden kann; hier erfolgt der Wärmeübergang fast nur durch Wärmeleitung. Die Wärmerohre sind daher hier zweckmäßig mäanderartig gewellt und/oder in Rohrbündel aufgeteilt und/oder mit Wärmeaustauschrippen oder -stacheln versehen, um den Wärmeabfluß zu erhöhen.

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Claims

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Ansprüche

. Gegen ivärnteverluste an die Umgebung isolierter mit Wär- ^ mespeicher kombinierter Wärmetauscher mit einem wärmeaufnehmenden und mit einem davon getrennten wärmeabgebenden Kanal, welche beiden Kanäle mit wärmespeichernder Masse in wärmetauschender Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmespeichernde Masse in mehrere gegeneinander wärmeisolierte Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') unterteilt ist, denen ein jeweils unterschiedliches Temperaturniveau (T, - T,) zugeordnet ist, durch welche Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') der wärmeaufnehmende Kanal (9, 1o) nacheinander in einer der Aufeinanderfolge der unterschiedlichen Temperaturniveaus (T.. - Tg)
entsprechenden aufsteigenden Reihenfolge hindurchgeführt ist, daß der wärmeabgebende Kanal (17) von den
Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') durch eine wärmeisolierende Wand (18) getrennt ist und daß zwischen
dem wärmeabgebenden Kanal (17) und jeder einzelnen Wärmespeicherzone (11 - 1b, 11' - 16') jeweils eine ausschließlich einseitig in Richtung vom wärmeabgebenden
Kanal (17) zu jeweils der zugehörigen Wärmespeicherzone (11 - 16, 11' - 16') des Wärmespeichers wirksame wärmetransportierende Verbindung (2oa - 2of) vorgesehen ist,

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wobei die von dem wärmeabgebenden Kanal (17) beaufschlagten wärmeaufnehmenden Teile (21) der einzelnen wärmetransportierenden Verbindungen (2oa - 2of) in einer der Aufeinanderfolge der unterschiedlichen Temperaturniveaus (T- - T,) der jeweils zugeordneten Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') entsprechenden fallenden Reihenfolge nacheinander von dem wärmeaufnehmenden Kanal (17) erreicht weiden.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die wärmetransportierende Verbindung durch jeweils ein dem Temperaturniveau (T- - T,) der zugehörigen Wärmespeicherzone (11 - 1b, 11' - 16') entsprechend ausgelegtes wenigstens annähernd vertikal verlaufendes sogenanntes Wärmerohr (2oa - 2of) geschaffen ist, wobei der wärmeabgebende Kanal (17) in Schwerkraftrichtung unterhalb der Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') im Wärmetauscher angeordnet ist, welche Wärmerohre (2oa - 2of) sich wärmeabgebend (22) in die Wärmespeicherzonen (11 - 16, 11' - 16') und warneaufnehmend (21) in den wärmeabgebenden Kanal (17) hineinerstrecken.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Wärmespeicher-

-iiner Brauchflüssigkeit, insbesondere mit zone (11 - 16) mit/Wasser als wärmespeichernder Masse gefüllt ist, daß jeweils benachbarte Wärmespeicherzonen (11 und 12, 12 und 13 usw.) über eine Durchlaßöffnung (8) strömungsmäßig miteinander verbunden sind und die Reihe von Wärmespeichenonen (11 - 16) so selber zugleich den wärmeaufnehmenden Kanal (9) bildet (Fig. 1).

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4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der wärmeaufnehmende Kanal (1o) gegenüber den einzelnen Wärmespeicherzonen (11* - 16") strömungsmäßig gesondert ist und mit seiner gut wärmeleitenden Wandung (19) mit der wärmespeichernden Masse einer jeden Wärmespeicherzone (11* - 16') nacheinander in wärmeaustauschender Verbindung steht (Pig. 2).

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß jede Wärmespeicherzone (11 - 1b) mit einem Latentwärmespeichermaterial unterschiedlichen Temperaturniveaus (T.. - T_fi) als wärmespeichernder Masse gefüllt ist.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmerohre (2oa - 2of) wenigstens im Bereich des Überganges vom wärmeaufnehmenden (21) zum wärmeabgebenden Teil (22) innenseitig (25) glattflächig gestaltet und einbaufrei gehalten sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmerohre im Übergangsbereich mit einem die Kondensatflüssigkeit (28) des eingeschlossenen W^färmeübertragungsmediums abstoßenden Belag (26, 27) vorzugsweise aus Chrom (26) oder PTFE (27) versehen sind.

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Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Wärmespeicherzonen jeweils in Form von einzelnen druckfesten flaschenförmigen o. ä. Behältern ausgebildet sind. (Fig. 4).

030064/0365