DE3031947A1

DE3031947A1 - Waermespeicher

Info

Publication number: DE3031947A1
Application number: DE19803031947
Authority: DE
Inventors: Walter 3549 Wolfhagen Kuntschar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-08-25
Filing date: 1980-08-25
Publication date: 1982-04-08

Description

DI PL-CHEM;--dQAOtUhVLDR-ESSJLER PATENTANWALT

TALSTRASSE 28, 3520 HOFGEISMAR 4

19. August 1980 1532/80 Dr/kU

Walter Kuntschar, Blumenstraße 7, 3549 Wolfhagen 6

"Wärmespei eher"

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Vorrichtungen zum Speichern von Wärme, aus denen die Wärme zu Heizzwecken wieder entnommen werden kann, sind bekannt.

Solche Wärmespeicher können mit Feststoffen, bei beispielsweise Schamottsteinen ausgekleidet oder als Kammersysteme ausgebildet sein. Aber auch mit flüssigen Speichermedien, wie beispielsweise Wasser gefüllte Wärmespeicher sind bekannt.

Für die Speicherung der von einer Wärmepumpe gelieferten Wärmeenergie sind diese Wärmespeicher wenig geeignet, da die genannten Speichermedien Wärme lediglich durch Erhöhung ihrer Temperatur speichern. Aus diesem Grund wird zur Entnahme der Nutzwärme aus den Kondensatoren von Wärmepumpen noch heute ein System verwendet, in der ein das Brauchwasser führende Kupferrohr von einem größer dimensionierten Kupferrohr umgeben ist, in dem das auf eine Temperatur von etwa 100⁰C erwärmte Medium aus dem Kreislauf der Wärmepumpe strömt, wobei die Richtung des Brauchwasserstromes der Richtung des Medienstromes entgegenläuft. Hierbei wird jedoch eine Brauchwassertemperatur von höchstens 55 bis 60°C erreicht.

Weiter ist es bekannt, als Speichermedien für Wärmespeicher Substanzen einzusetzen, die sich durch eine hohe Schmelzwärme und einen Schmelzpunkt von 25 bis 100⁰C auszeichnen. Diese Speichermedien haben den Vorteil, daß bei Entnahme von Wärme aus dem Speichermedium dessen Temperatur konstant bleibt, bis die gesamte Menge des durch vorherige Wärmezufuhr verflüssigten Speichermediums sich wieder verfestigt hat. Die Speichermedien

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mit einem Schmelzpunkt von unter 50°C sind dabei im wesentlichen für die Speicherung der aus den Umlaufflüssigkeiten von Sonnenkollektoren entnehmbaren Wärme geeignet. Als Speichermedium mit einem Schmelzpunkt zwischen 50 und 100¹⁵C wird besonders Stearinsäure (CH₃-(CH₂), g-COOi) empfohlen, die bei einer Temperatur von etwa 69 bis 71°C unter Aufwendung einer Schmelzwärme von 198,8 J/g schmilzt. Der Kochpunkt der Stearinsäure liegt bei 383^eC und somit verhältnismäßig hoch. Aufgrund dieser thermischen Werte erscheint Stearinsäure als besonders geeignetes Speichermedium für die aus dem Kondensator einer Wärmepumpe entnehmbare Wärme, da diese bei einer Temperatur von .7.0... bis 130"C anfällt.

Hierzu ist in der DBGM-Schrift eine

Vorrichtung zum Speichern von Abwärme zur bedarfsweisen Entnahme durch den Verbraucher bekannt, wobei der an seiner Außenseite mit einer wärmeisolierenden Verkleidung versehene Speicherbehälter mit Stearinsäure als Speichermedium gefüllt ist. Der Speicherbehälter ist mit einem dichten schließenden Deckel versehen, der außer je einem über- und Unterdruckventil auch je eine in den Innenraum des Speicherbehälters hineinragende Wärmetauschereinrichtung für die Zufuhr und die Entnahme von Wärme aufweist. Als Wärmetauschereinrichtungen werden einfache Rohrschlangen verwendet, die keinerlei oberflächenvergrößernde Ansätze oder Rippen aufweisen. Beim Einsatz dieser Vorrichtung im Verbund mit einer Wärmepumpe hat sich jedoch gezeigt, daß die Viskosität der geschmolzenen Stearinsäure zu hoch ist, um den sicheren Wärmetransport von der wärmezuführenden Wärmetauschereinrichtung zu der noch nicht geschmolzenen Stearinsäure

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zu bewirken. In einer größer dimensionierten Vorrichtung dieser Art, deren wärmezuführende Wärmetauschereinrichtung als Kondensator in den Medienkreislauf einer herkömmlichen Wärmepumpe eingeschaltet ist, verflüssigt sich die Stearinsäure nur in einem engen Bezirk um die Rohrschlange der Austauschereinrichtung, während die weiter davon entfernte Stearinsäure ihren Aggregatzustand nicht ändert. Um die vorbekannte Vorrichtung auch für Wärmepumpen nutzbar zu machen, ist demnach eine einfache Vergrößerung der Dimensionen des Speicherbehälters nicht zweckdienlich. Lediglich mit Parallelschaltung von zahlreichen kleineren Speicherbehältern dieser Art könnte das vorstehend aufgezeigte Problem gelöst werden, wobei jedoch diese Parallelschaltung einen erheblichen technisehen Aufwand erfordert und außerdem eine wesentlich größere Außenoberfläche der Summe der Speicherbehälter bedingt, welche trotz bester Isolierung auch eine entsprechend höhere Abstrahlung von Wärme zur Folge hat, die dem Nutzungszweck verloren geht.

Damit war die Aufgabe gegeben, einen Speicher für die aus dem Kreislaufmedium einer Wärmepumpe entnehmbare Wärme zu finden, der in Konstruktion und Betriebsweise einfach ist und die technischen Mängel der bekannten Speicher vermeidet.

Es wurde ein Wärmespeicher, bestehend aus einem nach außen wärmeisolierten Behälter mit Überdruck-Sicherheitseinrichtungen und mit Wärmetauschereinrichtungen, die Außenanschlüsse aufweisen und in denen das wärmeabgebende Medium und das Brauchwasser getrennt voneinander fließen und der ein Speichermedium mit hoher Schmelzwärme

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und einem Schmelzpunkt zwischen 50 und 100"C enthalt, gefunden. Kennzeichnend ist für diesen Wärmespeicher, daß er als Wärmetauschereinrichtung ein Register aus parallel und vertikal im Abstand von etwa 4 bis 10 cm zueinander angeordneten Metallrohren aufweist, die mittels dicht übereinander und in horizontaler Richtung parallel zueinander angeordneten Lamellen miteinander zu einem Block verbunden sind, dessen außenstehende Rohre und jede 2. Rohrreihe untereinander dicht zu einer fortlaufenden Kondensatorleitung für das wärmeabgebende Medium einer Wärmepumpe und dessen "übrige Rohre untereinander dicht zu einer fortlaufenden Leitung für das im Gegenstrom zu dem wärmeabgebenden Medium geführte Brauchwasser verbunden ist, wobei die Enden der fortlaufenden Leitungen aus dem Behälter herausgeführt und mit entsprechenden Anschlüssen versehen sind.

Der den Wärmeaustauscher der Erfindung kennzeichnende Block ist vorteilhaft mit einer Bodenfreiheit von etwa 15 cm in dem Behälter so angeordnet, daß es diesen in seinem horizontalen Querschnitt nahezu ausfüllt. Besonders bewährt hat sich als Wärmetauschereinrichtung ein Block, in dem die vertikal und parallel verlaufenden Rohre einen Abstand von 4 bis 5 cm zueinander und eine lichte Weite von etwa 12 bis 15 mm haben. Die außenstehenden Rohre und die Rohre jeder - von einer Seite des Registers aus gezählten - 2. Reihe sind an Kopf- und Fußenden jeweils mit dem entsprechenden Ende des nächst!iegenden Rohres dicht so verbunden, daß die verbundenen Rohre eine Rohrschlange ergeben, die das wärmeabgebende Medium führt und sich in zahlreichen

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Windungen durch den Behälter des Wärmespeichers der Erfindung zieht. Die Enden dieser Rohrschlange sind mit Anschlüssen versehen, mit denen die Rohrschlange als Kondensator in den Kreislauf des Mediums einer Wärmepumpe eingeschaltet werden kann, in dem das unter hohem Druck und auf einem entsprechenden Temperaturniveau von 90 bis 130⁰C stehende Kreislaufmedium der Wärmepumpe sich unter Wärmeabgabe verflüssigt. Diese Wärme wird durch die Metal 1rohrwandung hindurch direkt und über die mit der äußeren Oberfläche der Metallrohre fest verbundenen Lamellen an das Speichermedium abgegeben, das sich unter zunehmender Wärmeaufnahme verflüssigt und das dann unter Temperatursteigerung noch weitere Wärme aufzunehmen imstande ist. über einen Temperaturfühler, der in den Innenraum des Wärmespeichers der Erfindung hineinragt, kann mittels an sich bekannter Regeleinrichtungen die Wärmepumpe bei Erreichung einer bestimmten Temperatur des Speichermediums selbsttätig abgeschaltet werden.

Die übrigen in gleicher Weise mit Bogen zu einer Schlange verbundenen Rohre, in denen das Brauchwasser, das für Heizungszwecke oder als Warmwasser eingesetzt werden soll, fließt, nehmen die Wärme über die Lamellen direkt oder über das Speichermedium sowie aus letzterem auch durch die Rohrwandung auf und geben sie an das Brauchwasser weiter.

Der Behälter des Wärmespeichers der Erfindung ist vorteilhaft zu etwa zwei Drittel bis drei Viertel seines Volumens mit Hartparaffin gefüllt, dessen Schmelzpunkt

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zwischen 69 und 71°C liegt. Dieses Füllvolumen soll von dem Hartparaffin in festem Zustand eingenommen werden, da das Hartparaffin beim Schmelzen und bei weiterer Erwärmung der Schmelze eine erhebliche Volumenvergrößerung erfährt.

Um eine maximale Wärmeleitfähigkeit des Registers und der Lamellen bei geringster Korrosion zu gewährleisten, sollen das Register und die Lamellen vorzugsweise aus Kupfer bestehen. Aber auch andere Metalle und Legierungen mit hohem Wärmedurchgangsvermögen und geringer Korrosionsanfälligkeit sind anstelle von Kupfer als Material für Register und Lamellen geeignet.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich beim Einsatz von Hartparaffin als Speichermedium dadurch, daß die thermische Isolierschicht der inneren Oberfläche des Wärmespeicherbehälters aufgelegt sein kann. Mit Vorteil wird hierzu Glas- oder Mineralwolle in einer Schicht von etwa 3 bis 5 cm Stärke verwendet.

Bewährt hat es sich, für den Behälter des Wärmespeichers der Erfindung und für das gegebenenfalls eingesetzte Isoliermaterial Materialien zu verwenden, die sich bei Temperaturen bis zu 150⁰C thermisch nicht verformen.

Eine Draufsicht auf einem waagerechten Schnitt durch den Wärmespeicher der Erfindung ist in der Figur schematisch dargestellt. Darin sind die das Medium der Wärmepumpe führenden Rohrleitungen 1 durch ausgefüllte Kreise und die das Brauchwasser leitenden Rohrleitungen 2 als nichtausgefüllte Kreise dargestellt. Diese Rohrleitungen 1 und

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sind durch die Lamelle 3 fest verbunden. Der aus den Rohrleitungen 1 und 2 sowie aus den Lamellen 3 bestehende Block ist von der Behälterwandung 4 umgeben, auf deren inneren Oberfläche eine Schicht 5 aus Isoliermaterial aufgelegt ist.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher bietet die Möglichkeit, das Speichermedium durch das vom Kompressor der Wärmepumpe mit einer Temperatur von 90 bis 130⁰C herangeführte Medium des Wärmepumpenkreislaufs bis auf eine Temperatur

1Q von 90 bis 100°C aufzuheizen und die zugeführte Wärme auf diese Weise ohne wesentliche Verluste zu speichern. Die Wärmekapazität des Speichermediums entspricht dabei etwa dem 5-fachen der Wärmeaufnahmefähigkeit von Wasser. Bei Wärmeentnahme aus dem Wärmespeicher der Erfindung wird das durch die Rohrleitung für Brauchwasser geleitete Wasser auf eine Temperatur von 70 bis 80⁰C gleichbleibend erwärmt, bis das Speichermedium sich verfestigt hat. Mit dem Wärmespeicher der Erfindung ist es möglich, die Wärmepumpe in Zeiten geringer Stromentnahme aus dem Versorgungsnetz für elektrische Energie zu betreiben und die gewonnene Wärme für die Zeiten der Spitzenentnahme an elektrischer Energie zu speichern, um sie dann zur Erwärmung von Brauchwasser einzusetzen, das als Heißwasser oder für Heizzwecke verwendet wird. Das aus dem Wärmespeicher der Erfindung mit gleichbleibender Temperatur von 70 bis 80⁰C entnehmbare Heißwasser kann ohne weiteres zum Betrieb von herkömmlichen Heizungsanlagen mit Vorlauftemperaturen von 90 bis 70⁰C eingesetzt werden. Diese Möglichkeit war bei den herkömmlichen Kondensatoren von Wärmepumpen nicht gegeben. Als Sicherheitseinrichtungen braucht der Wärmespeicher der Erfindung auch nur mit einem

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überdruckventil und einem Druckwächter ausgerüstet zu sein, da alle anderen Sicherheitseinrichtungen in dem Wärmepumpenkreislauf sowie in den Heizungs- bzw. Warmwasseranlagen bereits vorhanden sind. Der Wärmetauscher der Erfindung stellt somit eine in seiner technischen Konstruktion und Wirkungsweise äußerst einfache Wärmespeichereinrichtung dar, mit der es erstmals möglich ist, sowohl die Schmelzwärme als auch die zur Temperaturerhöhung zugeführte Wärme eines Speichermediums zur Erwärmung von Brauchwasser auf eine gleichbleibende Temperatur von 70 bis 80⁰C einzusetzen.

Leerseite

COPY

Claims

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Patentansprüche

Wärmespeicher, bestehend aus einem nach außen wärmeisolierten Behälter mit Überdruck-Sicherheitseinrichtung und mit Wärmetauschereinrichtungen, die Außenanschlüsse aufweisen und in denen das wärmeabgebende Medium und das Brauchwasser getrennt voneinander fließen und der ein Speichermedium mit hoher Schmelzwärme und einem Schmelzpunkt zwischen 50 und 100⁰C enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher als Wärmetauschereinrichtung ein Register aus parallel und vertikal im Abstand von etwa 4 bis 10 cm zueinander angeordneten Metallrohren aufweist, die mittels dicht übereinander und in horizontaler Richtung zueinander parallel angeordneten Lamellen miteinander zu einem Block verbunden sind, dessen außenstehende Rohre und jede 2. Rohrreihe untereinander dicht zu einer fortlaufenden Kondensatorleitung für das wärmeabgebende Medium einer Wärmepumpe und dessen übrige Rohre untereinander dicht zu einer fortlaufenden Leitung für das im Gegenstrom zu dem wärmeabgebenden Medium geführten Brauchwasser verbunden sind, wobei die Enden der fortlaufenden Leitungen aus dem Behälter herausgeführt und mit entsprechenden Anschlüssen versehen sind.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter mit festem, bei Temperaturen von 69 bis 71°C schmelzendem Hartparaffin etwa zu zwei Drittel bis drei Viertel seines Volumens gefüllt ist.

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3. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen und das Register aus Kupfer bestehen.
4. Wärmespeicher nach Ansprüchen 2 bis 3, dadurch

gekennzeichnet, daß der Behälter des Wärmespeichers auf seiner inneren Oberfläche mit einer wärmeisolierenden Schicht belegt ist.
5. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter des Wärmespeichers und das gegebenenfalls eingesetzte Isoliermaterial bei Temperaturen bis 150^eC sich thermisch nicht verformen.

ORIGINAL INSPECTED