DE3227322A1

DE3227322A1 - Latentspeicher

Info

Publication number: DE3227322A1
Application number: DE19823227322
Authority: DE
Inventors: Inge 7148 Remseck Laing; Karsten 7148 Remseck Laing; Oliver Dipl.-Phys. 7400 Tübingen Laing
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1982-07-22
Publication date: 1984-01-26

Description

DK 1616/1 a

Latentspeicher

Die Erfindung bezieht sich auf Latentspeicher, bei denen die Speichermasse von Behältern aufgenommen wird, die von großflächigen, wärmeträgerdurchströmten Hohlkörpern durchsetzt sind.

Bekannten Latentspeichern haftet der Nachteil an, daß ihre Kapazität mit der Zahl der Ladezyklen sinkt und schließlich völlig verloren geht, da die Impfkristalle stratifizieren. Es sind deshalb Ausführungsformen geschaffen worden, bei denen die Kristallisation auf der Oberfläche von Drehrohr-Wärmeübertragern erfolgt, sodaß eine stetige Umwälzung der Schmelze sichergestellt ist, wodurch ein Stratifizieren der Impfkristalle vermieden wird.

Es sind ferner Latentspeicher bekanntgeworden, bei denen die Stratifikation durch motorisch betriebene Mischer verhindert wird. Die Einbeziehung motorisch angetriebener Umwälzeinrichtungen in den Speicheraufbau führt zum dauernden Verbrauch von Antriebsenergie.

Es sind weiterhin Verfahren bekanntgeworden, die durch eine Fixierung gleichmäßig verteilter Impfkristalle in die Schmelze durch eindickende Stoffe eine statische Ausbildung des Speichers ermöglichen. Da aber zwischen dem kristallinen und dem geschmolzenen Zustand stets Dichteunterschiede bestehen, wirken bei Volumenänderungen sowohl auf die Wandung des Behälters als insbesondere auch auf die Wärmeübertragerelemente Kräfte, die zur Verformung und auf die Dauer zu Zerstörung führen können, denn durch die Volumenzunähme beim Schmelzen der vorher kristallinen Speicherraasse entstehen Bereiche, in denen sich extrem hohe Drücke bilden können. Die so verursachten Kräfte verformen sowohl die Behälterwand als auch die Wärmeübertrager. Im Gegensatz zu Heizungssystemen kann der über das Ausgangsvolumen hinausgehende Teil der Schmelze auch nicht in Hochbehälter eingeleitet werden, da er dort gefrieren würde. Bei der Schrumpfung beim Kristallisieren durch Wärmeentzug bilden sich in der Speichermasse Hohlräume, die ihrerseits wieder zu unkontrollierbaren Spannungen durch die Einwirkung des Atmosphärendruckes führen. s

Schließlich ist noch kein Verfahren bekanntgeworden, mit dem ohne großen Aufwand der Ladezustand angezeigt werden kann. Eine Regelung der Energiequelle, z.B. der Wärmepumpe in Abhängigkeit vom Ladezustand ist aber eine entscheidende Voraussetzung zur Vermeidung schädlicher überhitzung und für jeden ökonomischen Speicherbetrieb.

Die Erfindung weist einen Weg, mit dem die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Die Erfindung sieht massegefüllte Speichertanks vor. Diese sind erfindungsgemäß als zylindrische Gefäße ausgebildet, deren Gewicht einen Einzeltransport auch in Treppenhäusern und Kellerräumen zuläßt. Diese werden am Aufstellungsort zu Speichersäulen zusammengefügt. In einem solchen Gefäß befindet sich ein großflächiger, wärmeträgerdurchströmter Hohlkörper als Wärmeübertrager, der die Speichermasse in definierten Abständen durchsetzt und in Form von Spiralen mit vertikal verlaufender Achse ausgebildet ist. Die Erfindung sieht eine geradzahlige Anzahl solcher Spiralen vor, die jeweils im Zentrum miteinander kommunizieren. Dadurch nimmt die Temperatur des Wärmeträgers bei den ungeradzahligen Spiralen von der Peripherie bis zum Zentrum hin ab, während bei den geradzahligen Spiralen die Temperaturabnahme vom Zentrum zur Peripherie hin erfolgt. Die zwischen einer ungeradzahligen und einer geradzahligen Spirale eingeschlossene Spirale aus Speichermasse erfährt also an jeder Stelle ihrer Längenerstreckung etwa die gleiche Wärmezufuhr- oder Abfuhr, sodaß jeweils die gesamte Oberfläche des Wärmeübertragers auch am Wärmetausch beteiligt wird. ,

Da die Haftung der kristallinen Speichermasse an den Wärmetauschflächen unmittelbar nach Aufnahme der Ladung durch Bildung einer Schmelzschicht unterbrochen wird, können sich die gefürchteten Kräfte durch örtliche Volumenzunahme nicht ausbilden, denn die überschüssige Schmelze steigt an den Wärraetauschflachen nach oben und sammelt sich dort.

Erfindungsgemäß werden deshalb die Hohlkörperwandungen senkrecht verlaufend angeordnet. Der durch Volumenzunahme entstehende Schmelzen-Überschuß steigt deshalb nach oben. Dort kann ge-

maß der Erf indufrg.^ne"-Membran*-aus—elastischem Werkstoff angeordnet sein, die den speichermassegefüllten Raum von einem gasgefüllten Raum trennt.

Diese Membran kann also im Rahmen der Volumenzunahme ausweichen. Da im gleichen umfange das für das eingeschlossene Gas verfügbare Volumen abnimmt/ steigt der Gasdruck in diesem Raum mit zunehmender Ladung an. Dieser Vorgang findet bei konstanter Temperatur, nämlich der Schmelztemperatur statt, sodaß die Druckzunahme ein unmittelbares Maß für den Ladezustand bildet.

Das beschriebene System eignet sich für alle Speichermassen, die keine durch Dichteunterschiede der Komponenten der Speichermasse bedingte Entmischung erfahren. Sollen dagegen Speichermassen eingesetzt werden, die eine Tendenz zu Separation zeigen, so tritt die weitere Aufgabe hinzu, die schwereren Schichten der Schmelze in die höchsten, leichtesten Schichten der separierten Schmelze zu fördern, wodurch die gewünschte Rückvermischung erfolgt.

Die Erfindung bedient sich dazu des Dichteunterschiedes zwischen der Schmelze und der kristallinen Phase. Bei.Speichermassen mit niederviskosen Schmelzen bildet sich in allen Bereichen des Behälters nach Aufschmelzung der Speichermasse durch die unterschiedliche Temperatur zwischen den ungeradzahligen und den kühleren geradzahligen Spiralen eine Torusströmung aus, die zu einer innigen Rückmischung der gesamten Schmelze führt.

Bei Speichermassen, deren Schmelze eine hohe Viskosität aufweist, wird gemäß der Erfindung den wärmeübertragenden spiralförmigen Hohlkörpern ein zweiter, horizontal verlaufender Wärmeübertrager am Boden des Behälters vorgeschaltet, der also bei Ladung vom heißesten Wärmeträger durchströmt wird. Diese beiden Wärmeübertrager werden dadurch vom Wärmeträger in solcher Weise durchströmt, daß die Aufschmelzung im höchsten Bereich der kristallinen Masse erst dann erfolgt, wenn im unteren Bereich

bereits ein erheblicher Anteil der Speichermasse aufgeschmolzen ist. Durch diese Anordunung bildet sich während der Aufladung des Speichers eine relativ dicke Schmelzzone unterhalb

des im oberen Bereich der spiralförmigen Wärmeübertrager noch festhängenden kristallinen Spiralkörpers aus Speichermasse von unten nach oben dünner werdende Schmelzzonen längs der vertikalen spiraligen Wärmeübertragerwandungen aus, bis schließlich auch die über das Wärmeträgerniveau hinausragende Speichermassen-Schicht schmilzt. Erst wenn die Aufschmelzung dieses höchste Niveau erreicht hat, wird die Fixierung des spiraligen Festkörpers aus Speichermasse an den Wärmeübertragerflächen vollends aufgehoben. Der spezifisch schwerere kristalline Kern stürzt daraufhin nach unten und verdrängt die dort befindliche Schmelze über das Niveau des kristallinen Restes. Die sich bei längerwährenden Ladezuständen einstellende Entmischung durch Anreicherung der bodennahen Schmelze mit den schwereren Anteilen wird durch die Förderung von Schmelze vom tiefsten Niveau zum höchsten Niveau wieder aufgehoben. Der Vorgang führt also zur Wiederherstellung der gleichmäßigen Konzentration der Schmelze und zu einer homogenen Wiederverteilung vorher abgesunkener oder aufgestiegener Impfkristalle. Das Verfahren ist umso wirksamer, je größer die geodätische Höhenerstreckung der Speichermassensäule ist.

Die Aufheizung des Bodens kann auch dadurch erfolgen, daß mehrere Speicher von unterschiedlicher Temperatur so aufeinander geschichtet werden, daß der Speicher mit der höchsten Arbeitstemperatur am tiefsten steht und daß der Boden des jeweils höher leigenden Behälters durch den darunter liegenden Behälter auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die oberhalb der Schmelztemperatur der im höherliegenden Behälter befindlichen Speichermasse liegt.

Die Entladung der erfindungsgemäßen Speicher erfolgt vorteilhaft mit gegensinniger Durchströmung des Wärmeübertragers. Ist aber gleichzeitige Ladung und Entladung vorgesehen, so sieht die Erfindung bevorzugt zwei Wärmeträgerkreisläufe vor. Bei entsprechend druckfester Ausbildung ist dann der Speicher gleichzeitig als Verdampfer oder Verflüssiger einer Wärmepumpe einsetzbar.

Eine weitere Möglichkeit zur Rückmischung von separierter Schmelze besteht erfindungsgemäß in der Anordnung einer kleinen Pumpe in den Speicherbehälter.

Die Erfindung soll anhand von konstruktiven Lösungen, die ihrerseits teilweise wieder Erfindungen bilden, beschrieben werden.

Figur 1 zeigt einen Latentspeicher im vertikalen und horizon talen Schnitt.

Figur 2 zeigt ein Speichermodul dieses Latentspeichers im Schnitt.

Figur 3 zeigt die Ausbildung der spiraligen Wärmeübertrager.

Figur 4 zeigt eine Pumpe.

Figur 5 zeigt die Schritte des Verschließens des Behälters.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein extrudierbares Wärmeübertragerelement *

Figur 7 zeigt ein gleichartiges Element in Blechausführung.

Figur- 8 zeigt einen Latentspeicher, der gleichzeitig den Verflüssiger einer Wärmepumpe bildet.

Figur 1 zeigt einen Latentspeicher mit Isolation. Der Latentspeicher besteht aus mehreren Modulen, die aufeinander gestapelt sind. Wenn unterschiedliche Temperaturen gefordert werden und die Schmelze zähflüssig ist, wird der Modul l'mit der höchsten Arbeitstemperatur zuunterst angeordnet, es folgen die mit niedrigeren Temperaturen. Bei niederviskosen Schmelzen werden die Modulen mit der geringeren Arbeitstemperatur unter die mit höherer installiert. Vorteilhaft wird bei größeren Temperaturunterschieden die Gruppe 1', 1, 1, durch eine Isolierschicht von einer weiteren Gruppe von Modulen 3, 3 getrennt, die Speichermassen mit einer höheren Schmelztemperatur als die tieferliegenden enthalten. Die Modulen 1 sind auf einer Glasschaumplatte 4 aufgestellt, die so gebildete Säule ist von einer Isolierschicht umgeben. Die Eintrittsstutzen 6 sind durch die Rohrleitungen

und die Austrittsstutzen 8 durch Rohrleitungen 9 miteinander verbunden, sodaß die in den Speichern befindlichen Wärmeübertrager der einzelnen Moduls parallel zueinander durchströmt werden.

Figur 2 zeigt einen Vertikalschnitt eines Moduls bestehend aus dem wannenförmigen Behälter 10, der über einen Falz 11 durch den Deckel 12 dicht verschlossen wird. Ein Horizontalschnitt in verkleinertem Maßstab ist in Figur 3 dargestellt. Die übereinander gestapelten Moduls sind durch den Vorsprung 13 und den Einschnürungsbereich 14, die ineinander passen, gegen radiales Verschieben gesichert. Durch den kegeligen Bereich 15 des Deckels 12 wird der Boden des nächsthöheren Moduls auch in der Mitte abgestützt. Am Boden ist eine Wärmetauschplatte angeordnet. Diese Wärraetauschplatte 16.weist eine zwischen den Spirallinien 30 4- 31 verlaufende Kanalgruppe 17 und zwischen den Spirallinien 31 und 30 eine zweite Kanalgruppe 18 auf. Die '' Kanalgruppen werden gegensinnig durchströmt und kommunizieren im Zentrum miteinander durch eine nicht gezeigte Verbindungsleitung. Durch den Eintrittsstutzen 6 tritt der heiße, zur Aufladung dienende Wärmeträgerstrom in die Kanalgruppe 17 ein, tritt im Zentrum in die Kanalgruppe 18 über und gelangt an der Peripherie in den Sammler 19. Dieser kommuniziert mit dem Sammler 21, der seinerseits wiederum mit dem langgestreckten Hohlkörper 20 kommuniziert. Dieser Hohlkörper 20 verläuft ebenfalls auf Spirallinien, die sich von außen nach innen entwickeln und wird in Pfeilrichtung 22 durchströmt. Im Zentrum befindet sich ein als Hohlzylinder ausgebildeter Sammler 23, in dessen Ringraum das Innere des Hohlkörpers 20 einmündet. Ein zweiter, ebenfalls spiralig verlegter Hohlkörper 20'kommuniziert ebenfalls mit dem Ringraum des Sammlers 23 und entwickelt sich vom Zentrum zur Peripherie auf der Spirallinie 30. Er endet im vertikal verlaufenden Sammler 32, der in den wegen der Entlüftung oben angeordneten Austrittsstutzen 33 übergeht.

Der Behälter 10 ist mit Speichermasse 26 gefüllt. Beim Aufladen erfolgt die Aufschmelzung zuerst im unteren Bereich 24, in dem sich die Wärmetauschplatte 16 befindet. Gleichzeitig

schmilzt auf der Oberfläche der Hohlkörper 20 und 20'ein nach oben hin zunehmend dünner werdender Schmelzenfilm 25. Nachdem etwa die Hälfte der Speichermasse 26 geschmolzen ist, schmelzen nunmehr auch die Stege 27 zwischen den oberen Kanten der Hohlkörper 20 und 20' und dem oberen Spiegel des kristallinen Speichermassenkörpers.

Sobald diese Zone 27 völlig durchgeschmolzen ist, stürzt der verbleibende Speichermassenkern 28 aufgrund seiner höheren Dichte nach unten, sodaß die dor,t befindliche Schmelze 29 entsprechend den Pfeilen 35 und 35'nach oben verdrängt wird, wodurch eine Rückmischung der während der Speicherperiode zur Separation neigenden Schmelze eintritt. Nunmehr setzt eine Konvektionsströraung gemäß den Pfeilen 37 ein, da der Hohlkörper 20 eine höhere Temperatur als der Hohlkörper 2O'hat. Eine gummielastische Folie 36 trennt den Raum 37 vom Raum, der mit Speichermasse 26 gefüllt ist.

Die Dichteverringerung beim Aufschmelzen bewirkt, daß die Schmelze über den oberen Spiegel des Speichermassenkörpers 28 hinausdringt und einen geringen überdruck im Gas, das im Raum 37 eingeschlossen ist, erzeugt. Dieser überdruck betätigt einen Druckschalter, denn er ist ein Maß für den Ladezustand des Speichers. Erst wenn die kristallinen Reste aufgeschmolzen sind, steigt die Temperatur plötzlich an, ein Zeichen, daß der Latentspeicher voll geladen ist. Bei Speichermassen, deren feste Phase leichter ist als die Schmelze, liegt der Ausgleichsraum 37 mit der Membran 36 unten.

Die Rückmischung kann erfindungsgemäß auch durch andere Vorrichtungen erfolgen. Im Zentrum der Fig.2 ist eine mechanische Anordnung zur Rückmischung gezeigt. Der Innenraum 40 des Hohlzylinders 23 1st an beiden axialen Enden verschlossen. Ein Rückschlagventil 41 im Boden erlaubt den Eintritt, ein zweites Rückschlagventil 42 im Deckel erlaubt den Austritt von Schmelze, über Distanzrohre 43 ist ein Faltenkörper 44 mit einer Druckluftleitung 45 verbunden, in die zyklisch Druckluft eintritt. Die rechte Seite zeigt den Faltenkörper 44 im kontrahierten Zustand, die linke Seite im aufgeblasenen Zustand. Durch zyklisches Einführen von Druckluft tritt während der Pausen Schmelze durch das Ventil 41 in den Innenraum 40 ein. Durch Lufteintritt wird

diese Schmelze 40 durch das Ventil 42 in das Rohr 46 gepresst; dieses endet nahe der Peripherie des Behälters 10.

Erfindungsgemäß kann also das Speichergefäß auch ohne Wärmetauschplatte 16 ausgebildet werden. Reicht die Rückmischung durch thermische Konvektion nicht aus, so sieht die Erfindung die Pumpe 41, 42, 43, 44 vor.

Figur 4 zeigt eine andere Ausbildung einer Pumpe im Hohlzylinder 23. Ein Elektromotor 47 treibt ein Zentrifugalschaufelrad 48 an, welches gemäß Pfeil 49 Schmelze ansaugt und diese durch das Rohr 46 zur Peripherie befördert.

Figur 5 zeigt die Stadien beim Verschließen der Dichtnaht 11 im ersten Stadium 50, im zweiten 51 und im dritten Stadium 52.

Figur 6 zeigt ein Extrusionsprofil aus Kupfer oder Aluminium, bei dem zwei Kanäle 60 und 61 durch eine Wandung 62 voneinander abgetrennt sind, wobei ferner die Rippen 63 und 63' zur Wärmeübertragung zur Speichermasse hin dienen. Zwischen den gestrichelten Linien 64 können die Rohre voneinander getrennt werden, die verbleibenden Wandelemente haben dann dieselbe Wandstärke wie die übrigen Wandbereiche der Rohre 60 und 61. Im Endbereich werden zusätzlich die beiden Rippen 63 und 63* abgesägt, die Rohre 60 und 61 etwas auseinandergebogen und dann so aufgedornt, daß zwei Rundrohre an den Enden gebildet werden.

Figur 7 zeigt einen Doppelwärmeübertrager, z.B. für einen Frigen (Freon)-Kreislauf und einen Wasserkreislauf. Die frigengefüllten Kanäle 72 sind aus dem Blechstreifen 70 und dem Blechstreifen 71 durch Rollformung hergestellt. Diese Streifen sind

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miteinander rollnahtverschweißt. Diese Einheit wird mit einem Deckblech 74 durch Buckelschweißen verbunden. Hierzu werden in

regelmäßigen Abständen Warzen 75 in das Deckblech eingeprägt. An der Umrandung laufen die Bereiche 70, 71 und 75 zusammen und sind längs der Ränder durch eine Rollnaht 76 miteinander verschweißt. An den axialen Enden sind Sammler angeordnet. Der Sammler 77 dient der Wasserzuführung. Das Wasser tritt durch ausgestanzte öffnungen 78 in die Wasserkanäle 79 ein. Der Sammler 80 für Frigen (Freon) ist starkwandig ausgebildet und längs des ümfanges 81 und 83 mit den Blechteilen 70, 71, 75 und 77 verschweißt. Der Bereich 82 verläuft verjüngend und folgt der Kontur des Bleches 70 und ist längs der dünnen Kante mit diesem verschweißt.

Figur 8 zeigt einen Speichermodul mit zwei übereinander liegenden Spiralen aus dem Wärmetauschprofil gemäß Figur 6. Eines der Rohre 60 oder 61 kann der Verflüssigung oder auch der Verdampfung von Frigen (Freon) dienen. Der Speichor wird damit zum integralen Bestandteil des Wärmepumpenkreislaufes. Die Spirale ist so gewickelt, daß der Einlauf im Bereich 90 erfolgt und in zwei Ebenen verläuft.

Erfindungsgemäß werden vorteilhaft zwei Latentspeicher in Reihe geschaltet, wobei die Speichermassen eine unterschiedliche Temperatur, z.B. 34 C und 47°C aufweisen. Bei geringem Wärmebedarf wird der Ladebegrenzer, der die Wärmepumpe abschlatet, beispielsweise durch einen Außenthermostaten so geschaltet, daß die Kondensation des Arbeitsmediums bei ca 37°C erfolgt. Steigt der Wärmebedarf, so erfolgt die Schaltung der Wärmepumpe durch den Ladebegrenzer des 47°Speichers. Es wird dann zuerst der 34 Speicher, danach der 47° Speicher aufgeladen. Bei der Entladung wird der Rücklauf des Wärmeträgers zuerst durch den 34 Speicher, danach durch den 47 Speicher geleitet. Bei geringem Wärmebedarf erfolgt die Wärmeentnahme bevorzugt aus dem 34° Speicher, während der 47 Speicher jeweils nur impulsartig mit einem vom Wärmebedarf abhängigen Impulspausenverhältnis entladen wird.

Claims

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Anspruch 1

Latentspeicher mit einem kreiszylindrischen Gehäuse und einem von Kanälen durchzogenen Wärmeübertrager, der zur Wärmeübertragung zum Laden und/oder Entladen der Speichermasse von einem fließbaren Wärmeträger durchsetzt wird und innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager aus einer geradzahligen Anzahl von spiralig verlaufenden Hohlkörpern 20 und 2O'besteht, die in der NaKe des Zentrums miteinander kommunizieren und die *an der Peripherie des Behälters 10 in Sammelkanäle 21, 32, einmünden wobei die erste Vielzahl der Spiralen 20 über den Sammelkanal 21 mit dem Vorlauf des Wärmeträgersystems und die zweite Vielzah] 20* den Sammelkanal 32 mit dem Rücklauf desselben kommuniziert.

Anspruch 2

Latentspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Behälters 10 kleiner ist, als sein Radius.

Anspruch 3

Latentspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekannzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Rückmischung von sich entmischender Speichermasse vorgesehen ist.

Anspruch 4

Latentspeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Wärmeübertrager in der Nähe des Behälterbodens angeordnet ist.

Anspruch 5

Latontspcichcr nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die Schmelze über die vertikale Erstreckung des Behälters fördert.

Anspruch 6

Latentspeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager aus einem Extrusionsprofil 20, Fig.6,
Fig. 7, mit parallelen Kanälen 60, 61, 72, 79 besteht.

Anspruch 7

Latentspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager zwei Gruppen von Kanälen.60, 61,.72, 79 aufweist.

Anspruch 8

Latentspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Kanälen 60, 61 eine Wandung 62 verbleibt, deren Wandstärke mindestens doppelt so groß ist, wie die der Kanäle.

Anspruch 9

Latentspeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von Kanälen 72 durch miteinander durch
Schweißnähte 73 verbundene Bleche und eine zweite Gruppe durch mittels Buckelschweißpunkte 75 miteinander verbundene Bleche und 74 gebildet werden.

Anspruch 10

Latentspeicher nach Anspruch 1, dadurch geken«zeichnet, daß ein gasgefüllter Raum 37 zur Ladeanzeige mit einem druckmessenden Anzeige- oder Schaltgerät verbunden wird.