DE3045622A1

DE3045622A1 - Waermespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE3045622A1
Application number: DE19803045622
Authority: DE
Inventors: Yoritsune Tochigi Abe; Kohji Kamejima; Minoru Ibaraki Kano; Hideki Tanaka; Motokazu Tokyo Uchida; Michio Hachioji Yanadori
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-12-05
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1981-06-25
Also published as: DE3045622C2; JPS6145159B2; JPS5680695A; US4366856A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Warme speichervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmespeichervorrichtung mit einem Kühl-Wärmespeicher, der in einem Wärmespeicherbehälter in ein gebundene Wärme speicherndes Wärme speichermaterial eintaucht; die Wärmespeichervorrichtung ist in Wärmepumpen-Klimaanlagen, wärmespeichernden Kühl-Heiz-Vorrichtungen usw. verwendbar.

Eine gebundene Wärme speichernde Wärmespeichervorrichtung weist normalerweise einen Wärmespeicherbehälter auf, der mit einem gebundene Wärme speichernden Wärmespeichermaterial, z. B. Calciumchloridhexahydrat (CaClp'oH-O, Schmelzpunkt 28 ⁰C), gefüllt ist und einen Wärmetauscher für die Rückgewinnung oder die Speicherung von Wärme enthält. Wenn z. B. die in einem Wärmespeichermaterial enthaltene Wärme zum Heizen von Räumen rückgewonnen wird, erreicht das flüssige Wärmespeichermaterial den Erstarrungspunkt, und Kristalle des Wärmespeichermaterials lagern sich auf der Außenseite des Wärmetauschers ab. Mit zunehmender Dicke der niedergeschlagenen Kristallschicht

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steigt der Wärmeübertragungs-Widerstand, und die Wärmeübertragungsleistung wird stark vermindert.

Um diese Verminderung zu verhindern, wird der Wärmeübertragungsmittelstrom durch den Wärmetauscher hin und wieder unterbrochen, oder es wird hin und wieder ein Wärmeübertragungsmittel mit höherer Temperatur durch den Wärmetauscher geschickt, um die niedergeschlagenen Kristalle des Wärmespeichermaterials abzulösen. Die niedergeschlagenen Kristalle des Wärmespeichermaterials schmelzen jedoch auch bei dem genannten Verfahren konzentrisch um den Wärmetauscher und sind somit nur sehr schwer vom Äußeren des Wärmetauschers abzulösen.

Zur Lösung dieses Problems sind flanschartige Trennplatten an geeigneten Stellen über die Gesamtlänge des Wärmetauscherrohrs vorgesehen, um das Rohr in Längsrichtung zu unterteilen, und radial verlaufende rippenähnliche Trennplatten sind über die Gesamtlänge des Wärmetauscherrohrs vorgesehen, um das Rohr in Umfangsrichtung zu unterteilen, so daß die abgeschiedenen Kristalle des Wärmespeichermaterials ohne Schwierigkeiten unterteilt von dem Rohr ablösbar sind. Bei einem solchen Aufbau benötigen jedoch die von dem Wärmetauscher abgelösten Kristalle des Wärmespeichermaterials viel Raum im Wärmespeicherbehälter, und dadurch wird der Raumfaktor der abgelösten Kristalle des Wärmespeichermaterials verschlechtert, wodurch zwangsläufig ein effektiv weniger brauchbares flüssiges Wärmespeichermaterial verbleibt; dies erfordert also den Einsatz einer Vorrichtung mit größeren Abmessungen. Da die Trennplatten über die Gesamtlänge des Rohrs vorgesehen sein müssen, sind für das Ablösen viele Trennplatten, insbesondere viele rippenartige Trennplatten, erforderlich. Wenn ein Wärmespeichermaterial mit einer relativ geringen Wärmeleitfähigkeit

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wie Calciumchloridhexahydrat eingesetzt wird, d. h., wenn ein Wärmespeichermaterial mit einem höheren Rippen-Wirkungsgrad verwendet wird, lagern sich die Kristalle des Wärmespeichermaterials auf den Gesamtflächen der Rohre und der Trennplatten ab, aber die abgelagerten Kristalle schmelzen nur um den Wärmetauscher herum und sind von diesem nicht unterteilt ablösbar, auch wenn versucht wird, die abgeschiedenen Kristalle des Wärmespeichermaterials abzulösen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Wärmespeichervorrichtung, mit der Kristalle eines Wärmespeichermaterials, die auf den Außenflächen eines Wärmetauschers in einem Wärmespeicherbehälter abgeschieden sind, in unterteilter Form in einfacher Weise ablösbar sind.

Mit der Wärmespeichervorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, Kristalle eines Wärmespeichermaterials, die auf den Außenflächen eines Wärmetauschers niedergeschlagen sind, regelmäßig in Form viereckiger Blöcke im Wärmespeicherbehälter anzusammeln.

Durch die Erfindung wird eine Wärmespeichervorrichtung angegeben, bei der ein Kühl-Wärmetauscher in einen Wärmespeicherbehälter, der mit einem gebundene Wärme speichernden Wärmespeichermaterial gefüllt ist, eintaucht. Der Kühl-Wärmetauscher ist im oberen Behälterteil angeordnet, wenn das eingesetzte Wärmespeichermaterial im Kristallzustand eine höhere Wichte als im Flüssigzustand hat, also z. B. Calciumchloridhexahydrat ist, und er ist im unteren Behälterteil angeordnet, wenn ein Wärmespeichermaterial eingesetzt wird, das im Kristallzustand eine geringere Wichte als im Flüssigzustand hat, also z. B. Wasser ist.

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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsansichten eines Ausführungsbei-

und 2 spiels der Wärmespeichervorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel eines für Kühlzwecke vorgesehenen Wärmetauschers in der Wärmespeichervorrichtung nach den Fig. 1 und 2;

Fig. 4- eine Ansicht IV-IV nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Querschnittsansicht der Vorderseite eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kühl-Wärmetauschers in der Wärmespeichervorrichtung ;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Vorrichtung von Fig. 5;

Fig. 7 eine Vorderansicht des wesentlichen Teils des Kühl-Wärmetauschers nach den Fig. 5 und 6;

Fig. 8 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühl-Wärmetauschers; eine Ansicht IX-IX nach Fig. 8; eine Querschnitts-Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Kühl-Wärmetauschers;

eine Draufsicht auf den Wärmetauscher nach Fig. 10;

eine Querschnittsansicht eines Kühl-Wärmetauschers, der in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung vorgesehen ist;

Fig. 13 eine Draufsicht auf den Wärmetauscher nach Fig. 12; und

Fig. 14· eine Querschnittsansicht XIV-XIV nach Fig. 3,

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Fig.	9
Fig.	10
Fig.	11
Fig.	12

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Unter Bezugnahme auf die Fig. 1-4- wird ein Ausführungsbeispiel der Wärmespeichervorrichtung erläutert.

Ein Wärmespeicher-Behälter 1 ist mit einem gebundene Wärme speichernden Wärmespeichermaterial 2, z. Q. Calciumchloridhexahydrat (CaCl₂^H₂O, Schmelzpunkt 28 ⁰C) gefüllt, und ein Wärmetauscher 5 für Kühlzwecke taucht ziemlich hoch im Behälter 1 in das Wärmespeichermaterial 2 ein. Der Kühl-Wärmetauscher 5 umfaßt eine Mehrzahl Rohre 5b, deren jedes an seiner Unterseite plattenförmige Rippen 5a aufweist, und die Rohre sind horizontal so angeordnet, daß ihre Seiten in Kontakt miteinander stehen; ferner umfaßt der Kühl-Wärmetauscher 5 Heizelemente 6 am Außenrand der Gruppe von Rohren 5b. Die Heizelemente dienen dem Lösen niedergeschlagener Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials.

Ein Heizzwecken dienender Wärmetauscher 7 taucht weiter unten in das gebundene Wärme speichernde Wärmespeichermaterial 2 in dem Wärmespeicherbehälter 1 ein. Der Heiz-Wärmetauscher 7 dient zum Erwärmen und Schmelzen der Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials, und als Wärmequelle für den Wärmetauscher 7 kann Solarenergie, Abwärme etc. verwendet werden.

Fig. 3 zeigt Einzelheiten des Wärmetauschers 5, und Fig. k ist eine Seitenansicht des Wärmetauschers längs der Linie IV-IV von Fig. 3. Die Einzelrohre 5b sind sämtlich mit einem Einlaßverteiler 8 und einem Auslaßverteiler 9 für ein Wärmeübertragungsmittel über kleinere Rohre 5b¹ verbunden. Heizelemente 6 sind horizontal in Kontakt mit dem Äußeren der Gruppe von Rohren 5b in Längsrichtung vorgesehen, und Heizelemente 6' sind auch horizontal an Enden der Gruppe von Rohren 5b auf beiden Seiten in einer zu den Rohren 5b senkrechten Richtung angeordnet. Als Heiz-

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elemente 6 und 6' können Heizdräte in die Rohre 5b eingesetzt sein.

Die Rückgewinnung der im Wärmespeichermaterial im Behälter 1 enthaltenen Wärme und deren Nutzung bei der Raumheizung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die so aufgebaute Vorrichtung erläutert.

Wenn ein Wärmeübertragungsmittel niedrigerer Temperatur durch die Rohre 5b des Wärmetauschers 5 geleitet wird, gibt das flüssige Wärmespeichermaterial 2 die Erstarrungswärme frei und wird fest. Die Erstarrungswärme wird auf das Wärmeübertragungsmittel in den Rohren 5b übertragen, und die gespeicherte Wärme wird rückgewonnen; gleichzeitig werden Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials auf dem Äußeren der Rohre 5b und der Rippen 5a niedergeschlagen. Oe dicker die Schicht der niedergeschlagenen Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials ist, umso höher ist der Wärmeübertragungs-Widerstand. Wenn also die Schicht der niedergeschlagenen Kristalle 3 eine gewisse Dicke hat, wird ein Umschaltventil (nicht gezeigt) umgeschaltet, so daß der Strom des Wärmeübertragungsmittels niedrigerer Temperatur unterbrochen wird und ein Wärmeübertragungsmittel mit höherer Temperatur durch die Rohre 5b geschickt wird. Wenn z. B. der Wärmetauscher als Verdampfer für die Raumheizung in einem Kühlkreislauf eines Klimageräts eingesetzt wird, wird ein Umschaltventil des Kühlkreislaufs so umgeschaltet, daß ein Wärmeübertragungsmittel höherer Temperatur von einem Verdichter zum Wärmetauscher 5 geleitet wird. Gleichzeitig werden die Heizelemente 6 und 6' eingeschaltet. Von den auf der Außenseite der Rohre 5b und Rippen 5a des Wärmetauschers 5 niedergeschlagenen Kristallen 3 des Wärmespeichermaterials beginnen dann die Kristalle zu schmelzen, die sich in Kontakt mit dem Äußeren der Rohre 5b, der Rippen 5a sowie der Heizelemente 6 und 6¹ befinden.

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Normalerweise haben hydratisierte Salze als gebundene Wärme speicherndes Wärmespeichermaterial im Festzustand eine höhere Wichte als im Flüssigzustand. Z. B. hat Calciumchloridhexahydrat (CaCl~*6H₅0) im Festzustand eine Wich-

te von ca. 1,68 g/cm und im Flüssigzustand von ca. 1,50 g/cm . Somit setzen sich die Unterseite-Kristallmassen 4· des Wärmespeichermaterials, d. h. die Massen an der nach unten gerichteten Seite des Wärmetauschers 5, am Grund des Wärmespeicherbehälters als viereckige Masse ab und sammeln sich dort regelmäßig. Da die Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials vom Umfang der Rohre 5b und der Rippen 5a entfernt werden, wird der Wärmeübertragungs-Widerstand wieder vermindert. D. h., nach einer bestimmten Zeit vom Beginn der Rückgewinnung der Speicherwärme werden die niedergeschlagenen Kristalle des Wärmespeichermaterials vom Äußeren der Rohre 5b und Rippen 5a in der erläuterten Weise entfernt, so daß ein erheblicher Anstieg des Wärmeübertragungs-Widerstands vermieden werden kann.

Wenn sich am Boden des Wärmespeicherbehälters 1 eine geeignete Menge der Kristalle 4' des vom Wärmetauscher gelösten Wärmespeichermaterials angesammelt hat, wird ein durch Solarenergie oder Abwärme erwärmtes Fluid durch den Heiz-Wärmetauscher 7 im unteren Teil des Behälters 1 geleitet, so daß die Kristalle 4-' des Wärmespeichermaterials erwärmt und geschmolzen werden und die Wärme wieder in dem flüssigen Wärmespeichermaterial 2 gespeichert wird. Dieser Vorgang findet wiederholt statt.

Bei dem Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers nach den Fig. 5-7 sind Trennplatten 10 mit rauhem Rand an Heizelementen 6¹ befestigt, die senkrecht zu den Rohren 5b an beiden Enden derselben vorgesehen sind, so daß die Trennplatten 10 in Kontakt mit den Rohren 5b bringbar sind.

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Die übrigen Teile entsprechen denjenigen des Wärmetauschers nach den Fig. 1-4. Bei diesem Aufbau kann die Menge Kristalle 4 des Wärmespeichermaterials, die zwischen den Heizelementen 6¹ und den Rohren 5b gebildet wird, möglichst klein gemacht werden, und selbst bei zunehmendem Kristallwachstum können die Kristalle möglichst schnell geschmolzen werden.

Bei dem Wärmetauscher nach den Fig. 8 und 9 sind zwei Rohre 5b, und 5b_? zickzackartig mittels vertikaler bzw. horizontaler U-Bogen so vorgesehen, daß sie horizontal in KOntakt miteinander sind. Bei diesem Aufbau können die Verteiler 8 und 9 und die kleineren Rohre 5b⁽ des Wärmetauschers nach den Fig. 1-4 entfallen, so daß der Aufbau vereinfacht wird.

Bei dem Wärmetauscher 5 nach den Fig. 10 und 11 sind die Rippen 5a und die Rohre 5b gesondert hergestellt, und die Rippen 5a sind an den Seiten der Rohre 5b durch Schweißen etc. befestigt. Bei diesem Aufbau können Rohre mit Rippen in einfacher Weise hergestellt werden.

Bei dem Wärmetauscher 5 nach den Fig. 12-14 sind als Elemente für das Lösen der Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials anstelle der Heizelemente 6 nach den Fig. 1-4 Ablöse-Platten 11 und II¹ aus einem schlecht wärmeleitenden Material wie Fluorkohienstoffharz etc. vorgesehen, Bei diesem Aufbau ist es nicht notwendig, elektrischen Strom durch die Heizelemente zu leiten, um die niedergeschlagenen Kristalle 3 des Wärmespeichermaterials zu lösen, so daß dadurch Strom gespart wird.

Bei sämtlichen vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen sind Rippen 5a an den Rohren 5b befestigt, die Erfindung ist jedoch auch mit rippenlosen Rohren 5b wirksam.

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Gemäß den vorstehenden Erläuterungen ist der KÜhl-Wärmetauscher in dem Wärmespeichermaterial im Behälter höher und der Heiz-Wärmetauscher tiefer angeordnet, und die vom Heiz-Wärmetauscher gespeicherte Wärme wird vom Kühl-Wärmetauscher rückgewonnen und für die Raumheizung genutzt. Es kann aber auch die vom Kühl-Wärmetauscher gespeicherte Kälte durch den Heiz-Wärmetauscher rückgewonnen und für die Raumkühlung genutzt werden. Auch im letztgenannten Fall ergibt sich keine Änderung der Ablöse-Wirkung der niedergeschlagenen Kristalle des Warme speiehermaterials.

Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen wird ein Wärmespeichermaterial, z. B. Calciumchloridhexahydrat, verwendet, das im kristallinen Zustand eine höhere Wichte als im Flüssigzustand hat; wenn aber Kälte für die Raumkühlung gespeichert wird, wird ein Wärmespeichermaterial, z. B. Wasser, verwendet, das im kristallinen Zustand eine geringere Wichte als im Flüssigzustand hat; ferner wird ein Kühl-Wärmetauscher tiefer in dem Wärmespeichermaterial und ein Heiz-Wärmetauscher höher in dem Wärmespeichermaterial verwendet. Selbst wenn ein Wärmespeichermaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Wasser eingesetzt wird, können die niedergeschlagenen Kristalle des Wärmespeichermaterials auf der Außenseite des Wärmetauschers ebenfalls leicht einzeln abgelöst werden.

Wie vorstehend erläutert, sind die Kristalle des Wärmespeichermaterials einfach und regelmäßig zu Blöcken geformt werden, und die Wärme kann in einem Wärmespeicherbehälter gemäß der Erfindung gespeichert werden; somit wird der Wärmeübertragungs-Widerstand am Wärmetauscher vermindert, und die Wärmerückgewinnung aus dem Wärmespeichermaterial ist wirksam durchführbar. Das bedeutet, daß eine Wärmespeichervorrichtung kleiner gebaut werden kann.

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Claims

Ansprüche

1.) Wärmespeichervorrichtung,
t

- einem Kühl-Wärmespeicher, der in einem Wärmespeicher· behälter in ein gebundene Wärme speicherndes Wärmespeichermaterial eintaucht,

dadurch gekennzeichnet,

- daß der Kühl-Wärmespeicher (5) umfaßt:

- eine Gruppe von mehreren Rohren (5b; 5b,, 5b₂), die horizontal seitlich miteinander in Kontakt stehen, und

- ein Element (6, 6¹) zum Ablösen von Kristallen (3) des Wärmespeichermaterials (2) von der Außenseite der Rohrgruppe (5b; 5b,, 5b»).

2. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß ein Wärmespeichermaterial (2) verwendet wird, das im Kristallzustand eine höhere Wichte als im Flüssigzustand hat, und

- daß der Kühl-Wärmetauscher (5) im oberen Teil des Wärmespeichermaterials (2) angeordnet ist.

3. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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ORIGINAL INSPECTED

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- daß ein Wärmespeichermaterial verwendet wird, das im Kristallzustand eine geringere Wichte als im Flüssigzustand hat, und

- daß der Kühl-Wärmetauscher (5) im unteren Teil des Wärmespeichermaterials angeordnet ist.

4. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Element zum Ablösen von Kristallen (3) des Wärmespeichermaterials (2) ein Heizelement (6, 6¹) ist,

5. Wärmespeichervorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Element zum Ablösen von Kristallen (3) des Wärmespeichermaterials (2) eine Ablöseplatte (11, II¹) aus einem Werkstoff mit schlechter Wärmeleitfähigkeit ist.

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