DE29908469U1

DE29908469U1 - Thermische Batterie

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Publication number: DE29908469U1
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Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-12
Filing date: 1999-05-12
Publication date: 1999-08-12
Anticipated expiration: 2009-05-13

Description

Sih-Li CHEN 15980

Ming-Jer HSIAO
Taipei, Taiwan

Thermische Batterie

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Batterie mit einem rohrförmigen Kreislauf zur Aufnahme, zur Speicherung und zur Abgabe von Wärme- oder Kälteenergie.

Wärmeenergie oder Kälteenergie kann mit einer derartigen thermischen Batterie aufgenommen und gespeichert werden, um sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Derartige thermische Batterien nehmen also bei der Erzeugung von Energie deren überschüssigen Anteil auf, im Fall seiner zu hohen Produktion von Energie, diese über einen längeren Zeitraum zu speichern, um so die vorhandene Energie optimal auszunutzen.

Es ist bekannt, dass während der Erzeugung und des Verbrauches von kalorischer Energie diese nicht immer in wirtschaftlicher Weise verwendet wird, sondern dass ein Grossteil einer derartigen Energie in die Atmosphäre abgegeben wird, wodurch schädliche Umwelteinflüsse hervorgerufen werden und der Wirkungsgrad der Anlage für die oder durch die diese Energie erzeugt wird, verschlechtert ist. Die Aufnahme, das Speichern und die spätere bedarfsgerechte Abgabe von Energie verringert nicht nur die schädliche Umweltbeeinträchtigung, sondern verringert auch den Energieverbrauch und spart damit Energiekosten ein.

Zum Speichern und zur späteren Verwendung von kalorischer Energie ist im allgemeinen eine aktive Steuerung erforderlich. Dies bedeutet, dass in ein derartiges Speichersystem eine Pumpe einzuschalten ist, welche die Wärmeenergie von einer Hochtemperaturquelle zur Energiespeicherquelle mittels eines Arbeitsfluids überträgt. Zur Abgabe der gespeicherten Wärmeenergie wird üblicherweise ein elektromagnetisches Ventil verwendet, welches derart ansteuerbar ist, dass der Fliessweg des Arbeitsfluids geändert wird, um in der Speicherzelle gespeicherte Energie einer Niedertemperatur-Wärmesenke zuzuführen. Dies bedeutet, dass eine derartige Anlage noch mit zwei Nachteilen versehen ist. Zum einen ist dies das Erfordernis einer angetriebenen Pumpe zur Bewegung des Arbeitsfluids sowie eines ansteuerbaren elektromagnetischen Ventils zum Umschalten zwischen den Speicherzustand und dem Abgabezustand mit den damit verbundenen hohen Betriebskosten und der hohen Energiezufuhr; wird diese unterbrochen, so ist der Betrieb der thermischen Batterie beendet. Zum anderen sind die bekannten Anlagen zur Speicherung von kalorischer Energie dahingehend ausgelegt, dass der darin enthaltene rohrförmige Kreislauf nur zwei Funktionen ausüben kann, nämlich die Energiespeicherung und die Energieabgabe. Es ist nicht möglich, dass zur gleichen Zeit auf der einen Seite Wärmeenergie zugeführt und dass auf der anderen Seite zeitgleich Wärme abgegeben wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine passive thermische Batterie zu schaffen, welche die oben aufgezählten Nachteile vermeidet, welche also weder eine Pumpe noch ein elektromagnetisches Ventil aufweist und welche neben der Speicherfunktion und der Abgabefunktion für Energie die Möglichkeit bietet, dass auf der einen Seite der thermischen

Batterie Wärmeenergie zugeführt wird und auf der anderen Seite der thermischen Batterie zeitgleich Wärmeenergie abgegeben wird.

Damit wird der Vorteil erzielt, dass in dem Fall, in dem der thermischen Batterie mehr Energie zugeführt wird als auf der Abgabeseite abgegeben wird, diese Energie in der thermischen Batterie gespeichert wird, wohingegen, wenn weniger Energie der thermischen Batterie zugeführt wird als auf der anderen Seite abgegeben wird, eine zusätzliche Energiemenge aus der in der thermischen Batterie gespeicherten kalorischen Energie zur Verfügung steht. Dabei sei betont, dass unter kalorischer Energie sowohl Wärmeenergie als auch Kälteenergie verstanden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt ist. Es zeigen

Figur 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Batterie,

Figur 2 diesen Querschnitt mit Fliessrichtung der Fluide während der Wärmeaufnahme,

Figur 3 diesen Querschnitt mit Fliessrichtung der Fluide während der Wärmeabgabe,

Figur 4 diesen Querschnitt mit Fliessrichtung der Fluide einer Energiezufuhr, die grosser ist als erforderlich,

• ·

Figur 5 diesen Querschnitt mit Fliessrichtung der Fluide für den Zustand in dem die abgegebene Energie grosser als die zugeführte Energie ist,

Figur 6 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Klimaanlage,

Figur 7 die Anwendung der erfindungsgemässen thermischen Batterie im Zusammenhang mit der Abgasleitung einer Wärmewiedergewinnung,

Figur 8 die Anwendung der erfindungsgemässen thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie mit Wasser als Arbeitsfluid,

Figur 9 die Anwendung der erfindungsgemässen thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie mit einem eutektischem Salz als Arbeitsfluid,

Figur 10 die Anwendung der erfindungsgemässen thermischen Batterie zum Entladen und Unterkühlen eines Kühlmittels mit Wasser als Arbeitsfluid,

Figur 11 die Anwendung der thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie, zum Entladen und Unterkühlen eines Kühlmittels mit einem eutektischem Salz als Arbeitsfluids,

Figur 12 die Anwendung der thermischen Batterie zur Speicherung von Wärmeenergie und einer thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie im Zusammenhang mit der

Wiedergewinnung von Energie aus der Abgasleitung eines Kompressors einer Klimaanlage,

Figur 13 die Anwendung der thermischen Batterie zur Speicherung von Wärmeenergie und einer mit eutektischem Salz arbeitenden thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie im Zusammenhang mit der Wärmewiedergewinnung an der Abgasleitung des Kompressors einer Klimaanlage,

Figur 14 die Anwendung der thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie zur zeitgleichen Speicherung und Abgabe von Kälte, und

Figur 15 die Anwendung der thermischen Batterie zur Speicherung von Wärmebatterie und einer mit eutektischem Salz arbeitenden thermischen Batterie zur Speicherung von Kälteenergie im Zusammenhang mit der Wärmewiedergewinnung an der Abgasleitung des Kompressors einer Klimaanlage und des Unterkühlens des zugehörigen Kühlmittels.

Figur 1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemässen thermischen Batterie. Diese weist im wesentlichen eine Speicherkammer 12 und einen rohrförmigen Kreislauf 20 auf. Die Kammer 12 ist mit einem Medium (PCM) 13 gefüllt, welches in der Lage ist, seine Phase zu ändern und dadurch Energie zu speichern oder wieder abzugeben, indem es durch einen Schmelz- bzw. Erstarrungsvorgang vom festen in den flüssigen Zustand übergeht und umgekehrt. Ein isolierendes Material 14 ist auf der Aussenseite der die Speicherkammer 12 für die Energie vorgesehen, um einen Energieverlust zu verhindern. Ein Einlass 15 ist auf der Oberseite der Kammer 12 vorgesehen, um das Medium 13 in diese einfüllen zu können und ein Auslass 16 ist auf der Unterseite der Kammer 12 vorgesehen, um das Medium 13 aus der Kammer 12 abzuführen.

Der rohrförmige Kreislauf 20 weist drei Teile auf, nämlich einmal eine Gruppe parallel zueinander und senkrecht innerhalb der Speicherkammer 12 angeordneter Röhren 21, ein senkrecht verlaufendes hochtemperaturseitiges wärmeübertragendes Rohr 22 und ein senkrechtes niedertemperaturseitiges

wärmeübertragendes Rohr 23, wobei die letzteren beiden ausserhalb der Kammer 12 angeordnet sind, ein oberes waagrechtes Rohr 24 und ein unteres waagrechtes Rohr 25, welches sich zwischen den beiden senkrechten hochtemperatur/niedertemperaturseitigen wärmeübertragenden Rohren 20, 23, die ausserhalb der Kammer 12 angeordnet sind, erstrecken um dergestalt die Gruppe senkrecht parallel zueinander innerhalb der Kammer 12 angeordneter Rohre 21 mit diesen beidseitig angeordneten wärmeübertragenden Rohren 22, 23 zu verbinden.

Die parallel zueinander angeordneten Rohre 21 sind mit äusseren kurzen Laschen 211 versehen, die dicht nebeneinander auf den Aussenflachen angeordnet sind, um so die thermische Wärmeübertragungsflächen der Rohre zu vergrössern. Diese Laschen 211 unterteilen ausserdem den Innenraum der die Energie speichernden Kammer 12 in eine Vielzahl von energiespeichernden Zellen 212, in denen das Medium 13 angeordnet ist, welches Energie speichert bzw. Energie abgibt durch entsprechende Phasenübergänge.

Die senkrechten ausserhalb der Kammer 12 angeordneten wärmeübertragenden Rohre 22, 23 bilden zusammen mit einer sie jeweils umgebenden Hülle und einem diese Hülle durchfliessenden Fluid Wärmetauscher. Auch sie können mit kurzen Laschen 211 oder spiralförmigen Verlängerungen

versehen sein, die auf der Aussenseite dieser Rohre angeordnet sind, um so einen höheren Wärmeübergang zu ermöglichen, wenn als Arbeitsfluid ein Gas wie Luft, Dämpfe oder eine Flüssigkeit (z. B. Wasser oder ein Kühlmittel) verwendet werden.

Eine geeignete Menge an einem Arbeitsfluid 26 wird in den rohrförmigen Kreislauf 20 eingefüllt. Dieses Arbeitsfluid 26 kann Wasser oder ein Kühlmittel, wie z. B. Freon sein. Mit ist ein Druckausgleichsgefäss bezeichnet, welches ausserhalb der Kammer 12 angeordnet, jedoch mit dem senkrechten wärmeübertragendem Rohr 22 verbunden ist, um so zeitweise expandierendes Arbeitsfluid 26 aufzunehmen.

Ein hochtemperaturseitiger Wärmetauscher 21 und ein niedertemperaturseitiger Wärmetauscher 32 sind beidseits der Speicherkammer 12 ausgebildet, in Form von entsprechenden die Rohre 22, 23 umgebenden Hüllen, wobei der Zwischenraum von einem geeigneten Hochtemperaturfluid oder Niedertemperaturfluid (Luft, Wasser, Freon) durchsetzt wird. Ein Wärmeübergang tritt dabei zwischen dem die beiden Rohre 22, 23 umspülenden Fluid bzw. niedriger Temperatur und den in den Rohren 22, 23 strömenden Arbeitsfluid auf. Mit 33 ist ein weiteres thermisch isolierendes Material bezeichnet, welches die Aussenfläche der Wärmetauscher 31, 32 umgibt, um Wärmeabstrahlung während des Betriebes der thermischen Batterie zu vermeiden.

Figur 2 zeigt die erfindungsgemässe thermische Batterie während der Energiespeicherung. Der Wärmetauscher 31 wird hierbei in der durch die Pfeile angegebenen Richtung von einem Fluid Fl mit hoher Temperatur durchströmt, wobei die vom Fluid Fl zugeführte Wärme dem Arbeitsfluid 26 innerhalb der wärmeübertragenden Rohrs 23 übermittelt wird. Nach der

Aufnahme von Wärme erreicht das Arbeitsfluid 26 seinen Siedepunkt und geht dadurch in den gasförmigen Zustand über, wobei aufgrund des Dichteunterschiedes das Gas in das obere waagrechte Rohr 24 einfliesst und anschliessend sich in den senkrecht und parallel zueinander angeordneten Rohren 21 in der Speicherkammer 12 ausbreitet. Mit dem Absinken des Gases innerhalb der Gruppe von Rohren 21 kondensiert dieses und gibt dadurch Wärme frei, wodurch das sich im festen Phasenzustand befindliche Medium 13 in die flüssige Phase innerhalb der Zellen 212 ausserhalb der Rohre 21 übergeht. Da das kondensierte flüssige Arbeitsfluid eine erhebliche grössere Dichte aufweist als diejenige des gasförmigen Arbeitsfluides, fliesst dieses an den Innenwänden der Rohre 21 unter dem Einfluss der Schwerkraft nach unten und danach in das untere waagrechte Rohr 25 und zum senkrechten hochtemperaturseitigen wärmeübertragenden Rohr 22, um somit einen vollständigen Zyklus des Arbeitsfluides 26 im Kreislauf 20 zu vollenden. Die vom gasförmigen Arbeitsfluid 26 in den senkrechten parallel zueinander angeordneten Rohren 21 während der Kondensation abgegebene Wärme wird von den Zellen 212 innerhalb der Speicherkammer 12 absorbiert, wodurch das Medium 13 von der festen Phase in die flüssige Phase übergeht. Nach dem vollständigen Übergang des Mediums 13 in die flüssige Phase wird die Wärme kontinuierlich vom Arbeitsfluid 26 abgegeben und in Form latenter Schmelzwärme gespeichert.

Figur 3 zeigt eine Darstellung, bei der die erfindungsgemässe thermische Batterie gerade Wärme abgibt. Zu diesem Zweck durchströmt ein Fluid F2 mit niedriger Temperatur den niedertemperaturseitigen Wärmetauscher 32 in Richtung der Pfeile in Figur 3 und absorbiert dabei Wärme des gasförmigen Arbeitsfluids 26, das innerhalb des senkrechten niedertemperaturseitigen wärmeübertragenden Rohres 23 strömt

und wird dabei aufgeheizt, um so seine Enthalpie zu vergrössern. Zugleich beginnt das vorher gasförmige Arbeitsfluid 26 in den flüssigen Zustand zu kondensieren und bildet dabei eine dünne Kondensatschicht entlang der Innenwand des Rohres 23 aus, von wo es nach unten fliesst unter dem Einfluss der Schwerkraft bis zum unteren waagrechten Rohr 25 und von da nach oben durch die senkrechten parallel zueinander angeordneten Rohre 21. Zu diesem Zeitpunkt absorbiert das flüssige Arbeitsfluids in den Rohren 21 Wärme, die vom Medium 13 in den Zellen 212 stammt, welches sich in der flüssigen Phase befindet, sodass das Arbeitsfluid den Siedepunkt erreicht und in den gasförmigen Zustand übergeht, welcher aufgrund des Dichteunterschiedes nach oben in Richtung des waagrechten Rohrs 24 strömt und danach durch das wärmeübertragende Rohr 23 erneut nach unten, um so einen vollständigen Durchflusszyklus des Arbeitsfluids 26 im Kreislauf 20 zu vollenden. Die in dem flüssigen Medium 13 in den Zellen 212 gespeicherte Wärme wird dabei an die senkrechten parallel zueinander angeordneten Rohre 21 aufgrund der Verdampfung abgegeben und überführt dadurch das Medium 13 von seiner flüssigen Phase in seine feste Phase. Das heisst, dass die im flüssigem Medium 13 der thermischen Batterie gespeicherte Energie dem Arbeitsfluid 26 mit niedriger Temperatur übertragen wird, welches durch die senkrechten Rohre 21 strömt, sodass das Arbeitsfluid 2 6 den Siedepunkt erreicht und verdampft, wodurch das Medium 13 in die feste Phase übergeht.

Diese beiden oben beschriebenen Betriebsweisen, nämlich einmal die Energiespeicherung von Energie, welche in einem Hochtemperatur-Arbeitsfluid gemäss Figur 2 enthalten ist und die Energieabgabe, bei der in der thermischen Batterie gespeicherte Energie durch ein Niedertemperatur-Arbeitsfluid gemäss Figur 3 abgegeben wird, finden zu unterschiedlichen

Zeiten und getrennt voneinander statt. Möglich ist auch eine dritte Betriebsweise, welche die beiden obigen Betriebsweisen zeitlich miteinander kombiniert, d. h. dass die thermische Batterie auch betrieben werden kann, wenn eine bestimmte Menge an Hochtemperatur-Arbeitsfluid Fl durch den hochtemperaturseitigen Wärmetauscher 31 strömt und ein bestimmtes Niedertemperatur-Arbeitsfluid F2 durch den niedertemperaturseitigen Wärmetauscher 32 zur gleichen Zeit strömt, wobei die Operationsprinzipien im folgenden im Zusammenhang mit drei verschiedenen Bedingungen erläutert werden:

l.Die durch das Hochtemperatur-Arbeitsfluid zugeführte Energiemenge ist grosser als die vom Niedertemperatur-Arbeitsf luid absorbierte Energie.

Figur 4 zeigt schematisch die Art und Weise, in die erfindungsgemässe thermische Batterie unter dieser Bedingung arbeitet.

Durchströmt das Fluid Fl mit hoher Temperatur, welches eine grosse Wärmemenge mit sich führt, den hochtemperaturseitigen Wärmetauscher 31, so erreicht das Arbeitsfluid 2 6 in dem wärmeübertragenden Rohr 22 den Siedepunkt und verdampft, wobei eine grosse Menge an gasförmigen Arbeitsfluid 26 aufgrund des Auftriebs nach oben fliesst, von dort in das obere waagrechte Rohr 24 und dann durch die senkrechten parallel zueinander angeordneten Rohre 21 innerhalb der Speicherkammer 12 und durch das senkrechte niedertemperaturseitige wärmeübertragende Rohr 23 ausserhalb der Kammer 12. Ein Teil des gasförmigen Arbeitsfluides 2 6, welches die Rohre 21 durchsetzt, kondensiert und gibt damit Wärmeenergie ab, welche in den Zellen 212 in der Speicherkammer 12 gespeichert wird. Ein anderer Teil des

gasförmigen Arbeitsfluides 26, welches das wärmeübertragende Rohr 23 durchströmt, kondensiert und gibt während dieser Kondensation Wärmeenergie ab, welche dem Fluid F2 mit niedriger Temperatur über den Niedertemperatur-Wärmetauscher 32 übermittelt wird. Das Kondensat des Arbeitsfluides 26 fliesst zurück zum hochtemperaturseitigen wärmeübertragenden Rohr 22 unter dem Einfluss der Schwerkraft und vollendet damit einen Arbeitszyklus des Arbeitsfluides 26 in der thermischen Batterie. Die thermische Batterie gemäss der vorliegenden Erfindung überträgt also Wärmeenergie vom mit hoher Temperatur fliessenden Fluid Fl über den Wärmetauscher 31 zu dem mit niederer Temperatur fliessenden Fluid F2 und speichert nicht benötigte Energie in der thermischen Batterie.

2. Die von dem mit hoher Temperatur fliessenden Fluid zugeführte Energiemenge ist geringer als diejenige, die von dem mit niederer Temperatur fliessenden Fluid absorbiert wird.

In Figur 5 ist die Art und Weise dargestellt, in der die thermischen Batterie gemäss der Erfindung unter dieser Bedingung arbeitet. Durchströmt das Fluid Fl mit hoher Temperatur und einer vorgegebenen Wärmemenge den Wärmetauscher 31, so erreicht das Arbeitsfluid 26 im wärmeübertragenden Rohr 22 den Siedepunkt und verdampft, wobei eine Menge an gasförmigem Arbeitsfluid 26 entsteht, welches nicht ausreicht, um in dem Fluid F2 mit niedriger Temperatur im anderen Wärmetauscher 32 dessen Enthalpie zu vergrössern. Dies bedeutet, dass das Medium 13 in der Speicherkammer 12 Wärme abgibt, um einen Teil des Arbeitsfluides 26 in den Rohren 21 in der Kammer 12 auf dem Siedepunkt zu halten und damit dem gasförmigen Zustand des Fluid 26, welches das niedertemperaturseitige

wärmeübertragende Rohr 23 durchströmt. Die im gasförmigen Arbeitsfluid 26 enthaltene Wärme wird durch das Fluid F2 mit niedriger Temperatur absorbiert, wodurch das gasförmige Arbeitsfluid kondensiert. Das Kondensat des Fluids 26 fliesst zurück zum hochtemperaturseitigen wärmeübertragenden Rohr aufgrund der Schwerkraft und vollendet damit einen Zyklus des Arbeitsfluides 2 6 in der thermischen Batterie. Die thermische Batterie überträgt also Wärmeenergie von dem Fluid Fl mit hoher Temperatur zum Fluid F2 mit niedriger Temperatur und liefert zugleich in der thermischen Batterie gespeicherte Energie, um das Arbeitsfluid 2 6 auf dem Siedepunkt und damit im gasförmigen Zustand zu halten, wenn die von dem Fluid Fl mit hoher Temperatur zugeführte Energie nicht ausreicht, um das Fluid F2 mit niedriger Temperatur zu speisen.

3. Die von dem Fluid mit hoher Temperatur zugeführte Energie ist gleich der vom Fluid mit niedriger Temperatur absorbierten Energie.

Von dem im Zusammenhang mit den obigen beiden Bedingungen dargelegten Prinzipien ist klar, dass, wenn Energie durch das Fluid mit hoher Temperatur zugeführt wird, die in der Menge gleich ist der vom Fluid mit der niederen Temperatur benötigten Energie, die thermische Batterie dahingehend funktioniert, dass das Arbeitsfluid 26 ausschliesslich mit der von dem wärmeübertragenden Rohr 22 absorbierten Energie im Wärmetauscher 33 verdampft wird. Das erhaltene gasförmige Arbeitsfluid 26 tritt in das wärmeübertragende Rohr 23 über das obere waagrechte Rohr 24 ein und kondensiert. Die vom Arbeitsfluid 26 während der Kondensation abgegebene Wärme wird dem Fluid F2 mit niederer Temperatur übertragen. Zu diesem Zeitpunkt wird keine Energie im Medium 13 in der Speicherkammer 12 der thermischen Batterie gespeichert oder abgegeben. Handelt es sich bei der in der Speicherkammer 12

• ·

gespeicherten Energie um Kälteenergie, so kann die Batterie gemäss der Erfindung auch als thermische Batterie für Kältespeicherung angesehen werden, mit den gleichen Betriebsbedingungen wie sie für die thermische Batterie für die Wärmespeicherung Anwendung findet.

Die thermischen Batterie mit ihrem röhrenförmigen Kreislauf kann als wirksamer Energiespeicher verwendet werden, sodass Energie effizient genutzt und eingespart wird.

Im folgenden werden einige Anwendungen der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit Klimaanlagen erläutert.

Figur 6 zeigt das Prinzipbild einer Klimaanlage, die üblicherweise ein mechanisches Verdichtungssystem mit einem Kompressor 61, einem luftgekühlten Kondensor 62, einem Verdampfer 63 und einer Expansionsanordnung 64 ist. Wird als Kühlmittel das sogenannte R-22 mit einer Kondensationstemperatur von 50⁰C und einer Verdampfungstemperatur von 5⁰C verwendet, so weist das herkömmliche Kompressionssystem einen Leistungskoeffizienten von 4,77 auf. Bei diesem System beträgt die Temperatur des überhitzten Kühlmitteldampfes am Ausgang des Kompressors 61 70⁰C. Wird eine erfindungsgemässe thermische Batterie mit dem Ausgang des Kompressors 61 gemäss Figur 7 verbunden, so kann die im überhitzten Kühlmitteldampf mit der Temperatur von 70⁰C enthaltene Energie in der thermischen Batterie über den Hochtemperatur-Wärmetauscher 31 gespeichert werden, wobei das Kühlmittel in den Kondensator 62 mit einer Temperatur von 50⁰C eintritt und die Kondensationstemperatur auf 4O⁰C abgesenkt wird. Durch Verwendung der thermischen Batterie als Wärmewiedergewinnungsanlage am Ausgang steigt der Leistungskoeffizient auf 6,56 und liegt damit um 38 % höher, verglichen mit dem herkömmlichen Kompressionssystem. Ferner

kann die in der thermischen Batterie gespeicherte Energie über den Niedertemperatur-Wärmetauscher 32 abgegeben werden für den täglichen Gebrauch; so kann z. B. diese Energie dazu verwendet werden, um Badewasser von 25⁰C auf 45⁰C vorzuwärmen etc. Dabei kann als phasenänderndes Medium 13 in der thermischen Batterie z. B. Paraffin verwendet werden zum Speichern und zur Abgabe latenter Wärme, da das Paraffin bei 47⁰C schmilzt. Auch chemische Energie kann zu diesem Zweck alternativ eingesetzt werden.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Wärmewiedergewinnung am Ausgang kann die thermische Batterie gemäss der Erfindung auch als Kältespeicher oder Wärmeerzeuger im Zusammenhang mit einer in Figur 8 dargestellten Kühlanlage verwendet werden, die ein unterkühltes Kühlmittel aufweist. Eine derartige Kühlanlage weist eine thermische Batterie 12 auf, in der Wasser als phasenänderndes Medium 13 verwendet wird, sodass des Nachts während der ruhigen Stunden Eis erzeugt wird. Dabei wird ein erstes elektromagnetisches Ventil SVl im Kühlsystem geschlossen und ein zweites elektromagnetisches Ventil SV2 geöffnet, sodass das Kühlmittel durch ein zweites Entspannungsventil EV2 mit einer Temperatur von -2⁰C fliessen kann. Diese Kühlmittel mit niedriger Temperatur fliesst durch den Niedertemperatur-Wärmetauscher 32 der thermischen Batterie 12 und bringt das Medium (Wasser) 13 dazu, zu Eis zu gefrieren, sodass die Kälteenergie in der thermischen Batterie 12 gespeichert wird. Beträgt die Kondensationstemperatur 50⁰C, so kann z. B. des Nachts Eis hergestellt werden durch dieses Kühlsystem mit einem Leistungskoeffzienten von 3,90; sinkt die Umgebungstemperatur während der Nacht ab und reduziert dadurch die Kondensationstemperatur auf 4O⁰C, so kann die Eisherstellung mit einem höheren Leistungskoeffizienten von 5,19 erfolgen.

Wird Eis während der Nachtstunden mit einer thermischen Batterie erzeugt, die Wasser als phasenänderndes Medium gemäss obiger Beschreibung verwendet, so beträgt die Temperatur, bei der das Wasser zu Eis gefriert, 0⁰C. Das die Anlage durchfliessende Kühlmittel und damit der Niedertemperatur-Wärmetauscher 32 weist jedoch eine Temperatur von -2⁰C auf, die niedriger liegt als die Temperatur von O⁰C. Dies bedeutet, dass das Kühlmittel eine Temperatur aufweist, die um 7°C niedriger liegt als die Verdampfungstemperatur von 5⁰C, die für die Klimaanlage erforderlich ist. Wird nun als phasenänderndes Medium 13 eine andere Substanz als Wasser verwendet, mit einer Phasenänderungstemperatur von 7 oder 8⁰C, so kann der Leistungskoeffizient für die Kälteenergiespeicherung vergrössert werden. Figur 9 zeigt in diesem Zusammenhang ein Kühlsystem mit einer thermischen Batterie, welche ein eutektisches Salz als phasenänderndes Medium 13 verwendet. Dieses eutektische Salz weist eine Phasenänderungstemperatur von ungefährt 7⁰C auf. Wird das Kühlsystem gemäss Figur während des Nachts verwendet, so beträgt die Verdampfungstemperatur des phasenändernden Mediums 13 5°C, ähnlich derjenigen einer Klimaanlage. Beträgt also die Kondensationstemperatur 50⁰C, so weist das Kühlsystem gemäss Figur 9 einen Leistungskoeffizienten auf, der gleich demjenigen einer herkömmlichen Klimaanlage ist und der in der Grössenordnung von 4,77 liegt.

Figuren 10 und 11 zeigen die Verwendung von thermischen Batterien für die Speicherung von Kälteenergie, einmal mit Wasser und einmal mit eutektischem Salz als phasenänderndes Medium 13, während der Tagesstunden mit hoher Belastung. In beiden Fällen durchströmt das gesättigte Kühlmittel des Kondensators 62 den Hochtemperatur-Wärmetauscher 31 und wird

damit ein unterkühltes Kühlmittel. Dabei wird das erste elektromagnetische Ventil SVl geöffnet und das zweite elektromagnetische Ventil SV2 geschlossen, sodass das unterkühlte Kühlmittel das erste Expansionsventil EVl durchströmt (das mit den Bezugszeichen 64 versehen ist) und danach den Verdampfer 63 zur Erzielung eines verbesserten Kühleffektes. Bei dieser in Figur 10 dargestellten Anwendung beträgt die Kondensationstemperatur 40⁰C, die Verdampfungstemperatur 5⁰C und die unterkühlte Temperatur 15⁰C. Die thermische Batterie 12 mit Wasser als phasenänderndes Medium 13 kann mit einem Leistungskoeffizienten von 7,37 nach dem Schmelzen des Eises betrieben werden, wobei das Kühlmittel unterkühlt ist. Dieser Koeffizient von 7,37 liegt um 55 % höher als derjenige einer herkömmlichen Klimaanlage mit Luftkühlung. Bei der in Figur 11 dargestellten Anwendung liegen Kondensationstemperatur und Verdampfungstemperatur auf den Werten von Figur 10; die thermische Batterie bei dieser Anwendung verwendet jedoch eutektisches Salz als phasenänderndes Medium, wobei die unterkühlte Temperatur 10⁰C beträgt. Unter diesen Bedingungen gibt die thermische Batterie 12 Kälte ab, wobei das unterkühlte Kühlmittel einen Leistungskoeffizienten von 7,10 aufweist, der damit um 49 % höher liegt als derjenige einer herkömmlichen Klimaanlage mit Luftkühlung.

Eine thermische Batterie zur Wärmespeicherung und thermische Batterie zur Kältespeicherung gemäss der vorliegenden Erfindung

können auch gemeinsam zugleich verwendet werden, wobei die thermische Batterie für die Wärmespeicherung Wärmeenergie am Ausgang des Kompressors 61 abnimmt und speichert, um Warmwasser zu liefern und wobei die thermische Batterie für

die Kältespeicherung elektrische Energie während der Nacht aufnimmt, um das phasenänderende Medium 13, d. h. Wasser (Figur 12), oder eutektisches Salz (Figur 13) abzukühlen und dadurch Kälte zu speichern, welche wieder abgegeben werden kann, wenn das phasenänderende Medium 13 vom festen Zustand in den flüssigen Zustand übergeht, d. h. schmilzt, während der Spitzenbelastungen zur Tageszeit. Das Kühlmittel wird unterkühlte mittels des das Eis schmelzenden Unterkühlers, d. h. des Hochtemperatur-Wärmetauschers 31, sodass das unterkühlte Kühlmittel mit Hilfe des Verdampfers 63 Kälte erzeugt, die für die Klimaanlage benötigt wird. Bei dieser Anwendung verringern die thermischen Batterien die Kondensationstemperatur bei hohem Druck, wobei das unterkühlte Kühlmittel einen verstärkten Kühleffekt für die Klimaanlage liefert, welche dadurch mit einem höheren Leistungskoeffizienten während der Spitzenbelastungen am Tage arbeiten kann. Bei der in Figur 12 dargestellten Anwendung wird Wasser als phasenänderendes Medium 13 verwendet, welches eine unterkühlte Temperatur von 15⁰C aufweist, eine Kondensationstemperatur von 35°C und einen Leistungskoeffizienten von 8,81, der 85 % höher liegt als derjenige einer konventionellen Klimaanlage. Bei der in Figur 13 dargestellten Anwendung wird ein eutektisches Salz als phasenänderndes Medium 13 verwendet, um eine Unterkühlungstemperatur von 10⁰C zu liefern und einen Leistungskoeffizienten von 8,51, der 78 % höher liegt als derjenige einer konventionellen Klimaanlage.

Figur 14 zeigt eine weitere Anwendung gemäss der vorliegenden Erfindung, wobei eutektisches Salz als phasenänderndes Medium 13 verwendet wird, sodass das Fluid F2, welches den Niedertemperatur-Wärmetauscher 32 durchströmt, eine

M. ·

Arbeitstemperatur von 5°C aufweist, d. h. die gleiche Temperatur wie die Verdampfungstemperatur, die für eine Klimaanlage erforderlich ist, wobei ein T-förmiges Proportionalventil PV verwendet wird, um die beiden oben beschriebenen elektromagnetischen Ventile zu ersetzen. Das in Figur 14 dargestellte System kann ausserhalb der Spitzenbelastungen liegende Leistung verwendet, sowie eine niedrige Umgebungstemperatur während der Nacht, um Kälte zu speichern. Während des Tages gibt die thermische Batterie Kälte ab und unterkühlt damit das Kühlmittel, so dass eine verbesserte Klimaanlagenleistung erhalten werden kann bei einem geringeren Energieverbrauch ausserhalb der Spitzenbelastungszeiten. Mit dem T-förmigen Proportionalventil PV wird es der thermischen Batterie ermöglicht, Wärme zur gleichen Zeit zu speichern und abzugeben in einem Verhältnis, welches durch die von der Klimaanlage geforderte Last bestimmt wird. Figur 15 zeigt eine Anwendung, bei der die thermische Batterie die Energie verringert, die von der Klimaanlage zu Spitzenbelastungszeiten benötigt wird, um so die Betriebseffizienz der Klimaanlage zur vergrössern, da die thermische Batterie Wärme von der Abgasleitung abnimmt und speichert, um so warmes Wasser zu erzeugen.

Nachstehend ist eine Tabelle dargestellt, in der die Leistungskoeffizienten der verschiedenen erfindungsgemässen Anwendungen aufgezählt sind:

Zirkulierendes Kühlmittel	Fig. Nr.	Kondens. -tem -peratur (°C)	Verdamp fungs- temper. ("C)	Unter kühlung stemp. ("C)	Kompres -sions -verh.	Leistg. -koeff -izient	Wirkungs grad (%)
1)herkömmliche luftge kühlte direkt expan dierende Klimananlage	6	50⁰C	5°C	o°c	3,33	4,77	100 %
2) Wärmeaufnehmende thermische Batterie mit luftgekühlter Direktexpansion	7	40°C	5°C	o°c	2,63	6,56	138 %
3) mit Wasser gefüllte thermische Batterie zur Kältespeicherung, Eis herstellung in der Nacht außerhalb der Spitzenbelastung	8	50⁰C	-2°C	o°c	4,17	3,90	82 %
4) mit eutektischem Salz gefüllte thermische Batterie zur Kälte speicherung, Eisher stellung in der Nacht außerhalb der Spitzenbelastungen	9	40⁰C	-2°C	o°c	3,29	5,19	109 %
5) mit Wasser gefüllte thermische Batterie zur Kältespeicherung, Eisherstellung während des Tages zur Unterkühlung des Kühlmittels	10	5O⁰C	5°C	0⁰C	3,33	4,77	100 %
40⁰C	5°C	o°c	2,63	6,56	138 %
40°C	5°C	15°C	2,63	7,37	155 %

6) mit eutektischem Salz gefüllte thermische Batterie für die Kältespeicherung für das Schmelzen und für die Abgabe von Kälte während des Tages, um das Kühlmittel zu unterkühlen	11	40⁰C	5°C	10°C	2,63	7,10	149 %
7) mit Wasser gefüllte thermische Batterie für die Kältespeicherung und für die Wärmeaufnahme durch die thermische Batterie, Eisherstellung während des Tages, um das Kühlmittel zu unterkühlen	12	35°C	5°C	15°C	2,32	8,81	185 %
8) mit eutektischem Salz gefüllte thermische Batterie für die Kältespeicherung und die Wärmeaufnahme durch die thermische Batterie, Schmelzen des Eises während des Tages, um das Kühlmittel zu unterkühlen	13	35°C	5°C	10⁰C	2,32	8,51	178 %

Claims

Schutzansprüche

1. Thermische Batterie zur Aufnahme, zum Speichern und zur Abgabe von Wärme- oder Kälteenergie, mit einer Speicherkammer, mit einem rohrförmigen Kreislauf, mit einem Hochtemperatur-Wärmetauscher als Wärmequelle und mit einem Niedertemperatur-Wärmetauscher als Wärmesenke;

wobei die Speicherkammer, die mit einem Medium gefüllt ist, das seine Phase ändern kann, auf ihrer Aussenwand mit einem thermisch isolierenden Material bedeckt ist und auf ihrer Oberseite einen Einlass und auf ihrer Unterseite einen Auslass aufweist;

wobei der rohrförmige Kreislauf eine Vielzahl von senkrecht und parallel zueinander verlaufenden und im Inneren der Speicherkammer angeordneten, mit einer Vielzahl von Laschen auf ihren Aussenseiten versehene Rohre aufweist, die mit zwei parallel dazu, jedoch ausserhalb der Speicherkammer senkrecht angeordneten Rohren, deren Aussen- und Innenseiten mit Laschen oder spiralförmigen Flächen versehen sind, über zwei parallel zur Oberseite und zur Unterseite der Kammer verlaufende an allen senkrechten Rohren in der Speicherkammer angeschlossene Rohre verbunden sind, sodass ein geschlossener Kreislauf für ein Arbeitsfluid wie Freon oder Wasser gebildet ist und wobei der Kreislauf ausserdem mit einer ausserhalb der Speicherkammer vorgesehenen Druckausgleichskammer verbunden ist und

wobei die beiden ausserhalb der Speicherkammer zu den

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senkrechten Rohren in der Speicherkaitimer angeordneten senkrechten Rohre von mit je einem Zufluss und einem Abfluss versehenen Rohren grösseren Durchmessers umgeben sind, sodass sie bei entsprechenden Zufluss von einem heissen bzw. kaltem Medium als Wärmetauscher zur Aufnahme bzw. Abgabe von Energie von dem bzw. in das im Kreislauf zirkulierende Arbeitsfluid wirken.

Thermische Batterie nach Anspruch 1, wobei der Hochtemperatur-Wärmetauscher, der als Wärmequelle dient, von einem Hochtemperatur-Fluid durchströmbar ist, um das durch das senkrechte wärmeübertragende Rohr fliessende Arbeitsfluid auf den Siedepunkt zu erhitzen, welches in den senkrechten parallel zueinander angeordneten Rohren kondensiert und dabei das seine Phase ändernde Medium innerhalb der Speicherkammer für die Energie schmilzt, wodurch Wärmeenergie vom mit hoher Temperatur fliessenden Fluid dem Arbeitsfluid übertragen und danach in dem phasenänderenden Medium in der thermischen Batterie gespeichert wird und wobei der Niedertemperatur-Wärmetauscher, der als Wärmesenke dient, von einem Fluid mit niedriger Temperatur durchströmbar ist, um Energie zu absorbieren, die in dem phasenändernden Medium der thermsichen Batterie gespeichert ist zur Vergrösserung des Enthalpie-Wertes mittels Abkühlung des Arbeitsfluids, welches durch das senkrechte niedertemperatur-seitige wärmeübertragende Rohr fliesst, während das abgekühlte Arbeitsfluid in den senkrechten, parallel zueinander angeordneten Rohren für eine Erstarrung des phasenänderenden Mediums in der Speicherkammer sorgt, sodass Energie, die im phasenänderenden Medium in der thermsichen Batterie gespeichert ist, freigegeben und vom Arbeitsfluid absorbiert wird.

3. Thermische Batterie nach Anspruch 2, bei der das mit hoher Temperatur fliessende Fluid und das mit niederer Temperatur fliessende Fluid gleichzeitig den Hochtemperatur-Wärmetauscher bzw. den Niedertemperatur-Wärmetauscher durchströmen, sodass Energie in mit hoher Temperatur fliessenden Fluid direkt dem mit Niedertemperatur fliessenden Fluid übertragen wird, während die thermische Batterie überschüssige Energie, die im mit hoher Temperatur fliessenden Fluid enthalten ist, in das phasenänderende Medium einleitet oder zusätzliche Energie dem mit Niedertemperatur fliessenden Fluid überträgt, sofern das mit hoher Temperatur fliessende Fluid eine zu geringe Energiemenge zuführt.

4. Thermische Batterie nach Anspruch 1, bei der die thermische Batterie als ein Energiespeicher für Kälteenergie dient, welcher nach den gleichen Prinzipien arbeitet, wie die thermsiche Batterie für die Wärmespeicherung und dadurch Kälteenergie in einer Abkühlung erfordernden Umgebung bereitstellt.