DE3101039A1

DE3101039A1 - "waermespeicher und-austauscher"

Info

Publication number: DE3101039A1
Application number: DE3101039A
Authority: DE
Inventors: Holger 6251 Waldbrunn Brass; Dieter 6232 Bad Soden Disselbeck; Johannes 6000 Frankfurt Lüke
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1981-01-15
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1982-08-05

Description

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HOECElST AKTUiNGK₁SIiLLSCHAKT HOE Bl /F 006 Dr.v.F./mh W η r m 'j s p_e i c ^UL _li!2^ci_~ auslauBcher

Die Erfindung betrifft, einen Wärmespeicher und -austauscher, bestehend aus einem Behälter und einem darin befindlichen Wärmeaustauschereiement, sowie einer Speichermasse.

bei Systemen zur Nutzung von erneuerbaren Energiequellen, wie beispielsweise der solaren Strahlung, oder der Umgebungsluft, oder bei der Nutzung von Wärmemengen, die mit relativ niedriger Temperatur anfallen, stellt sich häufig das Problem der Wärmespeicherung, da die Verfügbarkeit dieser Energiequellen starken Schwankungen unterliegt, und auch häufig zu Zeiten hohen Bedarfes nur wenig Energie zur Verfugung steht.

Bekannte Wärrnespeichereinrichtungen bestehen im wesentlichen Tu aus einem isolierten Speicherbehälter, einem darin angeordneten Wärmeaustauscher und einer eingefüllten Speichermas.-e. Als Speichermasse für fühlbare und latente Wärme kommt bisher hauptsächlich Wasser zum Einsatz. Von Interesse sind aber auch eine Reihe anderer Stoffe, wie anorganische Salze ;?0 und organische Verbindungen, z.B. Paraffine, falls die damit im praktischen BoLr¹J eb von Wärmespeichern auftretenden Probleme gelöst werden könnten.

Bei den letztgenannten Stoffen wird die vergleichsweise ?'[■> hübe Wärmetönun/j bei der Phasenumwandlung von festen in d>;n flüssigen Zustand (Laden des Speichers) und umgekehrt (En?.-laden des Speichers) genutzt. Der Volumenschwund beim Erstarren der Speichermasse (Entladen) führt jedoch zur Bildung von Luftspalten zwischen Wärmeaustauscher und Speicher-'-jO masse, welche den Wärmeübergang nachteilig beeinflussen und die ordnungsgemäße Funktion des Wärmespeichers in Frage rsLel 1 en können .

BAD ORIGiNAL

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Für den wirtschaftlichen Betrieb von Wärmespeichern ist es weiterhin wichtig, daß mit einer möglichst geringen Temperaturdifferenz zwischen dem den Wärmeaustauscher durchströmenden Wärmeträgermedium und der Speichermasse die jeweils geforderte Wärmeleistung erbracht werden kann. Dies bedeutet, daß die Wärmeaustauscherfläche, bezogen auf das Speichervolumen, möglichst groß sein soll. Andernfalls ist die Wärmeleistung des Speichers gering oder es sind zu hohe Temperaturdifferenzen zwischen dem Wärmeträgermedium und der Speichernlasse sowohl zum Laden als auch zum Entladen des Speichers erforderlich, die sich in Hinblick auf eine rationelle Energienutzung unter Einbeziehung von Alternativ-Energien verbieten.

Eine weitere Anforderung an Wärmespeicher, insbesondere solche, die mit anorganischen Salzen arbeiten, die eine starke Korrosionswirkung haben, ist ihre Herstellung aus korrosionsfesten Materialien. Hier werden vorteilhaft Kunststoffe eingesetzt, falls deren nachteilige schlechte Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Metallen durch besondere konstruktive Maßnahmen ausgeglichen werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Wärmespeicher zur Verfugung zu stellen, der eine große Wärmeaustauscherfläche je Volumeneinheit des Speichers aufweist, korrosionsfest ist und eine hinreichende Flexibilität hat, so daß bei der Volumenänderung der Speichermasse die Funktionstüchtigkeit erhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wärmeaustauscherelement ein flächig durchströmbarer Hohlkörper spiralförmig in dem Behälter angeordnet ist, wobei die Windungen des spiralförmigen Hohlkörpers mit Abstandhaltern sowohl gegeneinander als auch gegen den umhüllenden Behälter auf Abstand gehalten werden, und daß die Speichermasse sich zwischen den spiralförmigen Windungen des Hohlkörpers befindet, während das Wärraeträgermedium durch den

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flächig durchströmbaren Hohlkörper fließt. Vorzugsweise besteht der Hohlkörper aus einem allseitig flüssigkeitsdicht beschichteten Doppelgewebe mit Abstandhalterfäden mit Zu- und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium.Nach einer ande- ren Variante der Erfindung besteht der den spiralförmigen Hohlkörper umhüllende Behälter aus einem Kunststoffrohr, mit Grundplatte und Deckel, wobei Kunststoffrohr, Grundplatte und Deckel mit einer Wärmeisolierung versehen sind. Die Hohlkörper aus einem allseitig flüssigkeitsdicht beschichteten Dopelgewebe mit Abstandhalterfäden und mit Zu- und Ableitungen für das Wärmeträgermedium sind beispielsweise in der DE-AS 2 714 901 beschrieben. Sie werden flächig durchströmt, da sie keinerlei Kanäle enthalten, und da zwischen den Abstandhalterfäden nach allen Richtungen ein freier Durchfluß des Wärmeträgermediums möglich ist.

Wenn diese Hohlkörper plastisch beschichtet und somit wasser dicht gemacht worden sind, kann dieser Wärmeaustauscher problemlos spiralförmig gewickelt werden, nachdem die Abstandhalter auf den Hohlkörper aufgelegt worden sind, so daß je Volumeneinheit des Wärmespeichers ein Höchstmaß an Wärmeaustauscherfläche zur Verfügung gestellt werden kann. Als Abstandhalter können Profile, Gitternetze, Hütchen oder Distanzplatten eingesetzt werden, aber auch jede andere geeignete Vorrichtung.

Wenn das Doppelgewebe des Hohlkörpers nicht mit thermoplastischen Stoffen allseits flüssigkeitsdicht beschichtet wird, sondern mit aushärtbaren Polymeren, dann wird vorteilhaft die Oberfläche des Doppelgewebes mit oder ohne Auflegen eines Faservlieses mit der später auszuhärtenden Substanz getränkt, dann werden die Abstandhalter aufgebracht, danach wird der Hohlkörper in die gewünschte Spiralform gewickelt, in den Behälter eingebracht, und anschließend wird das Aushärten vorgenommen.

Durch die Maßnahme, als Speicherbehälter ein Rohr mit Bodenplatte und Deckel zu wählen, steht gleichzeitig ein kosten-

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günstiges und statisch vorteilhaftes Bauteil zur Verfugung. Das in der bevorzugten Ausführung verwendete Wärmeaustauscherelement ist mit korrosionsfesten Kunststoffbeschichtungen, wie z.B. PVC, Kautschuk oder Polyolefinen versehen. Als härtbare Materialien kommen die üblichen härtbaren Harze in Frage, z.B. ungesättigte Polyester-Harze, Epoxid-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze usw. Die Forderung nach einer kostengünstigen korrosionsfesten Ausführung kann damit erfüllt werden, ohne daß der Wärmeaustausch zwischen Speichermasse und Wärmeträgermedium nachteilig beeinflußt wird.

Bei den bevorzugt eingesetzten Warmeaustauscherelement handelt es sich um einen vollflächig durchströmten Hohlkörper ohne Rippen, Rohre oder Kanäle, so daß die vom Wärmeträgermedium benetzte Fläche annähernd mit der äußeren Wärmeübertragungsflache übereinstimmt. Aufgrund dieses Aufbaus und der relativ geringen Wärmestromdichten spielt die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes praktisch keine Rolle.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher kann auch als leistungsfähige korrosionsfeste Wärmeaustauschereinrichtung beispielsweise in der chemischen Industrie, der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden. Dabei wii-d dann nicht eine Speichermasse eingefüllt, sondern an ihrer Stelle wird ein zweites Wärmeträgermedium durch gesonderte Zu- und Ableitungen durch den Behälter geleitet, welches mit dem ersten Wärmeträgermedium durch die Wandungen des Wärmeaustauscherelementes hindurch in Wärmeaustausch tritt.

In der beigefügten Figur 1 ist ein Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Wärmespeicher gezeigt. Darin bedeuten:

(1) Behälter

(2) Isolierung

(3) Warmeaustauscherelement

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(4) Abstandhalter ^ö

(5) Innenrohr

(6) Zuleitung

(7) Ableitung

(8) Speichermasse

(9) Abstandhalteröffnung.
5

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt Z aus Figur 1.

Durch das Innenrohr 5 wird die Speichermasse in einen Behälter eingefüllt.
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Beispiel

In einen zylindrischen 50 1 fassenden Behälter des Durchmessers 32 cm und der Höhe 65 cm wurde ein Wärmeaustauscherelement aus einem aus Polyethylenterephthalat bestehenden Doppelgewebe mit Synthesekautschuk-Beschichtung eingebracht. Das Doppelgewebe hatte 2 mm lichte Weite, die Beschichtung auf beiden Außenseiten hatte eine Dicke von 0,9 mm. Als Abstandhalter dienten Doppel-T-Schienen aus Polypropylen, die einen Abstand von Windung zu Windung von 20 mm bewirkten. Das Element wurde zunächst ausgelegt, die Abstandhalter wurden aufgelegt und danach wurde spiralförmig gewunden und das so entstehende Gebilde anschließend in den zylinderförmigen Behälter gestellt. Zu- und Ableitungsvorrichtungen hatten den Aufbau wie er aus Figur 2 ersichtlich ist (s. deutsche Patentanmeldung P 2 923 913-2). Bei einer Länge von 3,00 m und einer Breite von 0,60 m des Elements ergab sich so eine Gesamtwärmeaustauscher-Fläche (Vorder- und Rückseite) von 3,6 m . Durch das Innenrohr (5) wurden nach dem

Einbringen des spiralförmig aufgewickelten Wärmeaustauscherelementes 62 kg (42,8 1) Na₂HPO₄'12H₂O in den Behälter als Schmelze mit einer Temperatur von 4O⁰C eingefüllt (Speichermasse).

Auf- und Entladen erfolgten auf folgende Weise:

- if -

Zum Aufladen wurden 130 l/h Wasser mit einer Einlauftemperatur von 40⁰C durch den Wärmeaustauscher geleitet. Die Auslauftemperatur betrug 36 C und die Ladedauer 6 1/2 Stunden. Beim Entladen wurde der Wärmeaustauscher mit 130 l/h Wasser von 30⁰C beschickt. Die Auslauftemperatur erreichte 34,8⁰C. Das Entladen dauerte 5 1/2 Stunden.

Es konnten 14 MJ gespeichert bzw. abgegeben werden.

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Claims

310103α

-X- HOE 81/P ???

Patentansprüche:

Wärmespeicher und -austauscher, bestehend aus einem Behälter und
einem darin befindlichen Wärmeau:;tauseherelement, sowie
einer Speichermasse,

dadurch gekennzeichnet, daß

als Wärmeaustauschere]ement ein flächig durchströmbarer Hohlkörper spiralförmig in dem Behälter angeordnet ist, wobei

die Windungen des spiralförmigen Hohlkörpers mit Abstandhaltern sowohl gegeneinander als auch gegen den umhüllenden Behälter auf Abstand gehalten werden, und daß
die Speichermasse sich zwischen den spiralförmigen Windungen des Hohlkörpers befindet, während das Wärmeträgermedium durch den flächig durchströmbaren Hohlkörper fließt.
2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper aus einem allseitig flüssigkeitsdicht beschichteten Doppelgewebe mit Abstandhalterfäden mit Zu- und Ableitungen für ein Wärmeträgermedium besteht.
3. Wärmespeicher nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den spiralförmigen Hohlkörper umhüllende Behälter aus einem Kunststoffrohr mit Grundplatte und Deckel besteht, wobei Kunststoffrohr, Grundplatte und Deckel mit einer Wärmeisolierung versehen sind.