DE29908469U1 - Thermische Batterie - Google Patents
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Description
Sih-Li CHEN 15980
Ming-Jer HSIAO
Taipei, Taiwan
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 (1)
- Schutzansprüche1. 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 undwobei die beiden ausserhalb der Speicherkammer zu den• · &kgr; ·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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE29908469U DE29908469U1 (de) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | Thermische Batterie |
Applications Claiming Priority (1)
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DE29908469U DE29908469U1 (de) | 1999-05-12 | 1999-05-12 | Thermische Batterie |
Publications (1)
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ID=8073486
Family Applications (1)
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Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE29908469U1 (de) |
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- 1999-05-12 DE DE29908469U patent/DE29908469U1/de not_active Expired - Lifetime
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 19990923 |
|
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years |
Effective date: 20021014 |
|
R157 | Lapse of ip right after 6 years |
Effective date: 20051201 |