DE3016730A1

DE3016730A1 - Waermespeicher und verfahren zum herstellen desselben

Info

Publication number: DE3016730A1
Application number: DE19803016730
Authority: DE
Inventors: Steve St. Louis Mo. Campbell
Original assignee: Pipe Systems Inc
Current assignee: PSI Energy Systems Inc
Priority date: 1979-05-01
Filing date: 1980-04-30
Publication date: 1981-06-11
Also published as: JPS55146356A; SE8003312L; CA1118406A; US4299274A

Description

301673Q

Wärmespeicher und Verfahren zum Herstellen desselben.

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher für Latentwärme und ein Verfahren zum Herstellen desselben.

Latentwärmespeicher, bei denen das Wärmeplateau zwischen Phasenübergängen des Wärmespexchermediums ausgenutzt wird, sind für viele Anwendungen in Gebrauch, etwa zur Wärmespeicherung für Heißwasser, Solarwärme, in Verbindung mit Wärmepumpen und dergleichen. Dabei hat sich gezeigt, daß der Behälter für ein derartiges Wärmespeichermedium erhöhten Beanspruchungen standhalten muß, die durch die Arbeitszyklen zwischen Tauen und Gefrieren hervorgerufen werden. Außerdem muß das Material des Behälters dem umgebenden Medium standhalten.

Für den Gebrauch in der Haustechnik hat sich Kalziumchloridhexahydrat als brauchbar erwiesen, da dessen Schmelzpunkt bei etwa 27°C liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmespeicher zu schaffen, dessen Behälter den Arbeitszyklen von Wärmespeichermedien, wie etwa Kalziumchloridhexahydrat₍widersteht und der auch gegenüber dem umgebenden Medium widerstandsfest ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch einen rohrförmigen Behälter aus einem thermoplastischen Material hoher Dichte, dessen Innenraum teilweise mit einem Wärme-

130024/0653

:'₆_ 30167 3.Q-

Speichermedium gefüllt ist, das seine Phase ändern kann und der an gegenüberliegenden Enden verschlossen ist.

Der Behälter ist vorzugsweise aus einem Polyäthylen hoher Dichte hergestellt und insbesondere aus einem Polyäthylen mit dem sehr hohen Molekulargewicht von etwa 500 000 bis 700 000. Die Lebensdauer eines derartigen Behälters ist sehr groß. Ein derartiger Behälter läßt sich insbesondere in Verbindung mit Kalziumchloridhexahydrat als Wärmesoeichermedium verwenden, wobei dieses in flüssiger Form in den Behälter eingefüllt wird. Zum Herstellen des Wärmespeichermediums werden zwei Gewichtsteile festes Kalziumchloriddihydrat in einem Gewichtsteil· Wasser aufgelöst. Dabei entsteht eine Lösungswärme, die die Lösung auf eine Temperatur von etwa 55°C ansteigen läßt, die dann abkühlt. Das flüssige Wärmespeichermedium wird in einen oben offenen Behälter gegossen, so daß dessen Innenraum zu 90% gefüllt ist. Sodann wird etwa - eine Kappe aus dem gleichen Material wie der Behälter mit der Oberseite des Behälters verschweißt, indem die Oberseite und die Kappe auf Schmelztemperatur erhitzt und sodann miteinander verbunden werden, und zwar bei einer Schmelztemperatur von etwa 260 C und einen Druck von etwa 10 bar.

Das Verschließen des Bodens und des oberen Endes des Behälters kann auch durch Quetschen der geschmolzenen Bereiche erfolgen, wobei die Quetschverbindungen im Querschnitt verschiedenartig gestaltet sein können.

Anstelle von Behältern mit kreiszylindrischem Querschnitt können auch andere Querschnittsformen verwendet werden, etwa ein ovaler Querschnitt, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. -

130024/0653 BAD Original

-"7- 30167

Andere Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen ergänzend beschrieben.

Fig.1 ist eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Vorrichtung zum Füllen und Verschließen der Behälter;

Fig.2 zeigt in Seitenansicht teilweise in Schnittdarstellung einen fertigen Wärmespeicher;

Fig.3 ist eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht eines anderen Wärmespeichers;

Fig.4 ist eine Draufsicht auf einen durch eine Quetschverbindung verschlossenen Behälter;

Fig.5, 6 und 7 zeigen andere Querschnittsformen einer Quetschverbindung der Enden eines Behälters;

Fig.8 ist ein Querschnitt längs der Linie 8-8 von Fig.3;

Fig.9 zeigt eine abgeänderte Querschnittsform eines Behälters.

Als Wärmespeichermedium wird Kalziumchloridhexahydrat verwendet. Dies wird hergestellt durch Lösen von zwei Gewichtsteilen Kalziumchloriddihydrat in einem Gewichtsteil Wasser. Dabei steigt die Temperatur der Lösung auf 55°C an, was zum Einfüllen des Wärmespeichermediums in rohr-

130024/0653

30167

förmige Behälter günstig ist, da der Schmelzpunkt von Kalziumchloridhexahydrat höher liegt als die Raumtemperatur. Durch Mischen von Wasser mit Kalziumchloriddihydrat an Ort und Stelle wird beim Transportieren des Wärmespeichermediums Gewicht gespart, da lediglich KaIziumchloriddihydrat transportiert werden muß, nicht jedoch das Wasser.

Kalziumchloriddihydrat ist erhältlich von der Firma Dow Chemical Company unter der Bezeichnung DES, d.h. Dow Wärmespeichermedium, dem ein Keimbildner zugesetzt ist zum Herabsetzen des Schmelzpunktes und um eine Unterkühlung des flüssigen Kalziumchloridhexahydrats zu vermeiden. Der Keimbildner verringert den Schmelzpunkt von etwa 30 auf 27 , welche Temperatur für Haushaltsanwendungen günstiger ist. Durch Verhindern des Unterkühlens wird der Temperaturbereich der Wärmespeicherung genauer definiert. Bei Latentwärmespeichern ist allgemein anzustreben, einen Phasenumwandlungsverzug zu vermeiden. Die durch Schmelzen des Kalziumchloridhexahydrats aufgenommene Latentwärme beträgt 46 cal/gr.

Als Material für den Behälter des Wärmespeichermediums ist ein Polyäthylen hoher Dichte mit dem sehr hohen Molekulargewicht von etwa 500 000 bis 700 000 vorgesehen. Ein derartiges Material in Rohrform wird z.B. unter der Bezeichnung Driscopipe 7600 oder 8600 von der Firma Phillips Driscopipe, Inc., einer Tochtergesellschaft der Phillips Petroleum Company, hergestellt. Dieses Material ist thermoplastisch und läßt sich verschweißen, hat eine hohe Dehnungsfestigkeit und eine große Zähigkeit und bildet zugleich eine Dampfsperre, ist chemisch widerstandsfähig und widersteht sowohl hohen wie tiefen Temperaturen. Es ist druckmäßig ausgelegt für eine Temperatur von 23 C.

130024/06.53

Der Behälter für den Wärmespeicher besteht aus Driscopipe 7600 bis 8600 und hat einen Nenndurchmesser von 7,5 cm, einen Außendurchmesser von 8,5 cm und eine Wandstärke in der Größe von etwa 3 mm. Die Kappen zum Verschließen des Bodens und der Oberseite des Behälters sind aus dem gleichen Material hergestellt, jedoch etwa 9 mm stark.

Zum Herstellen eines derartigen Wärmespeichers wird ein Behälter 10 genommen mit einem diesen verschließenden Boden 11. Der Behälter wird in einem mit einer Bohrung versehenen Flansch 12 gehalten, wobei der Boden abgestützt ist. Zum Verschließen des Behälters dient eine Kappe 14, die an einem Stempel 16 mittels Schrauben gehalten ist.

Nachdem der obere Bereich des Behälters fest eingespannt ist, wird Kalziumchloridhexahydrat hergestellt durch Auflösen von KalziumchloxLddihydrat mit einem Keimbildner in Wasser. Dieses Wärmespeichermedium bildet keinen Teil der Erfindung. Übliche Keimbildner sind beispielsweise Bariumhydroxid der Firma Dow Chemical Company. Das flüssige Kalziumchloridhexahydrat wird in den Behälter gegossen, bis es 90% des Innenraums desselben anfüllt.

Zum Verschließen des Behälters dient eine oberhalb des Behälters angeordnete Heizvorrichtung, die in einem Klotz 22 untergebracht ist, der aus einem Isoliermaterial besteht. Die Kappe 14 wird dadurch auf etwa 260°C erhitzt. Das vorherige Erhitzen der Kappe dient dazu, ein Überhitzen der dünnen Wandung des Behälters am oberen Bereich desselben zu vermeiden, da dieser wegen der geringeren Masse schneller erhitzt werden kann. Nach dem Erhitzen der Kappe wird der Klotz entfernt und die Heizvorrichtung dazu verwendet, den oberen Bereich des Behälters auf die Schmelztemperatur zu

130024/0653

erhitzen. Danach wird die Heizvorrichtung fortgenommen und der Stempel 16 mit der daran gehaltenen Kappe 14 mit einer Kraft von etwa 340 kp nach unten gegen den Behälter gedrückt. Dies entspricht einer Druckkraft von etwa 10 bar· Durch diesen Vorgang verschweißt die Kappe mit der oberen Stirnkante des Behälters.

Damit ist der Wärmespeicher fertiggestellt. Der Innenraum desselben ist zu 90% mit flüssigem Wärmespeichermedium angefüllt, während 1.0% des Volumens freigelassen sind. Beim Übergang des Wärmespeichermediums in die fest Phase nimmt das Volumen desselben bis auf 80% des Volumens des Behälters ab, so daß 20% des Volumens freibleiben. Dadurch wird verhindert, daß ein zu großes Vakuum in dem Innenraum entsteht, welches die Wände des Behälters zu sehr belasten könnte. Der freie Raum dient ferner als Sicherheitsraum, um einen zu hohen Innendruck beim Füllen und nach dem Versiegeln zu vermeiden.

Fig. 2 zeigt einen fertigen Wärmespeicher, der zu 80% mit einem Wärmespeichermedium 24 in fester Form gefüllt ist, während die Temperatur 22°C beträgt. Der Behälter widersteht selbst plötzlichen und wiederholten Arbeitszyklen sowie normaler Abnutzung und Beanspruchung beim Versenden und beim Einbauen. Die Abmessungen des Behälters können natürlich auch anders gewählt sein.

Die Figuren 3, 4 und 8 zeigen eine abgeänderte Ausführungsform eines Wärmespeichers mit einem Behälter 26, dar jedoch an seinen beiden Enden durch Quetschen der auf Sdunelzts-nperatur erhitzten Bereiche verschlossen ist, wobei zuerst aer Boden auf diese Weise verschlossen wird und sodann nach Einfüllen des Wärmespeichermediums in ähnlicher Weise wie in Fig. 1

130024/0 653

301673Q

beschrieben verschlossen wird. Der untere Quetschverschluß 28 und der obere Quetschverschluß 30 können in gleicher Art ausgeführt sein. Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen abgeänderte Quetschverschlüsse, die dazu dienen, eine geringere Materialverformung beim Quetschen zu erreichen, so daß auch die Beanspruchung durch Temperaturwechsel verringert wird.

Fig. 5 zeigt einen kreuzförmigen Quetschverschluß 34 eines Behälters 32. Fig. 6 zeigt einen Y-förmigen Quetschverschluß 38 eines Behälters 36, und Fig. 7 zeigt einen wellenlinienförmigen Quetschverschluß 42 eines Behälters 40.

Anstelle der kreiszylindrischen Querschnittsform kann der Behälter auch irgendeine andere Querschnittsform aufweisen, etwa um sich besser stapeln zu lassen oder eine größere Wärmeübertragungsfläche darzubieten, so daß ein schnellerer Wärmeaustausch möglich ist. Ein derartiger Behälter ist in Fig. 9 dargestellt und hat eine ovale Querschnittsform. Der Behälter hat zueinander parallele Seitenwände 4 6 und sowie halbzylindrische Seitenwände 50 und 52. Eine derartige, von einer Kreisform abweichende Querschnittsform hat noch den Vorteil, daß sich kein so großer Innendruck aufbauen kann, da die Querschnittsflache durch Verformung in Richtung auf eine Kreisform zunimmt. Durch die vergrößerte Oberfläche wird auch das Auftreten von kalten oder heißen Bereichen innerhalbdes Wärmespeichermediums durch eine bessere Wärmeverteilung vermieden. Außerdem ist die Raumausnutzung besser.

1 30024/0653

Claims

29-5-1

Patentansprüche

M.; Wärmespeicher, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Behälter aus einem thermoplastischen Material hoher Dichte, dessen Innenraum teilweise ir.it einem Wärmespeichermedium gefüllt ist, das seine Phase ändern kann,, und der an gegenüberliegenden Enden verschlossen ist.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Material Polyäthylen ist.
3. Wärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Wärmespeichermedium Kalziumchloridhexahydrat verwendet ist.
4. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter zylindrisch ist.
5. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter eine längliche Querschnittsform aufweist.
6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter eine ovale Querschnittsform aufweist.
7. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter zu 90% seines Volumens mit Kalziumchloridhexahydrat in flüssiger

130024/0663

-2- 301673 Q;

Form gefüllt ist.
8. Wärmespeicher nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß das Material des Behälters ein Polyäthylen mit einem Molekulargewicht von etwa 500 000 bis 700 000 ist.
9. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß dem Wärmespeichermedium ein keimbildender Stoff zugesetzt ist.
10. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter an seinen gegenüberliegenden Enden durch eine Kappe aus Polyäthylen hoher Dichte verschlossen ist.
11. Wärmespeicher nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter an seinen beiden Enden durch eine Quetschverbindung verschlossen ist.
12. Wärmespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Quetschverbindung flach ist.
13. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Quetschverbindung winkelförmig gestaltet ist.
14. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Quetschverbindung X-förmig ist.
15. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η -

13Ö024/06S3

BAD ORIGINAL

30167

zeichnet, daß die Quetschverbindung Y-förmig ist.
16. Wärmespeicher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Quetschverbindung wellenförmig ist.
17. Verfahren zum Füllen und Versiegeln eines Wärmespeichers nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet daß das Wärmespeichermediuin in flüssiger Form in den oben offenen Behälter gegeben wird und daß das offene Ende danach versiegelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter nur teilweise gefüllt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter zu 90% mit Kalziumchloridhexahydrat in flüssiger Form gefüllt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß das flüssige Wärmespeichermedium durch Auflösen von zwei Gewichtsteilen festem Kalziumchloriddihydrat in einem Gewichtsteil Wasser hergestellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet , daß der Behälter nach dem Füllen mit einer Kappe aus dem Material des Behälters verschlossen wird.

130024/0653
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet , daß eine Kappe mit einer größeren Wandstärke verwendet wird als diejenige des Behälters, daß die Kappe und das obere Ende des Behälters getrennt auf annähernd Schmelztemperatur erhitzt werden und daß die Kappe sodann gegen das offene Ende des Behälters gedrückt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Kappe und das obere Ende des Behälters auf etwa 260 C erhitzt und sodann mit einem Druck von etwa 10 bar aneinandergepresst werden.
24. Verfahren nach Anspruch 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet , daß die Kappe während des Erhitzens in einem vertikal bewegbaren Stößel gehalten ist und daß der Stößel die Kappe nach dem Schmelzen derselben und des oberen Endes des Behälters auf dasselbe drückt.
25. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Ende des Behälters auf Schmelztemperatur erhitzt und sodann durch Quetschen verschlossen wird.

130024/0653