DE3604228C2 - Verfahren zur Verbesserung der Wärmezufuhr in Eisspeichern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmezufuhr in Eisspeichern, die durch direkte Vakuumverdampfung geladen werden.

Zur Speicherung von Kälte ist der Einsatz von Eis­ speichern bekannt. Mittels Kältemaschinen wird dabei eine Wassermenge abgekühlt und gefroren.

Die DE-OS 34 25 419 beschreibt beispielsweise kleine, tragbare Vorrichtungen zur Erzeugung und Speicherung von Kälte und Wärme. Eine Zeolithfüllung saugt hierzu von einem Wasservorrat unter Vakuum Wasserdampf ab. Der Wasservorrat kühlt sich dadurch ab und gefriert zu Eis. Bei bestimmten Anwendungen sieht die Erfindung eine gleichzeitige äußere Wärmezufuhr in den Wasser­ vorrat vor. Durch die Wärmezufuhr kann der Eisvorrat ganz oder teilweise geschmolzen werden.

Bei der Vereisung des Wasservorrates entsteht eine Vereisungsgrenzschicht, die von der Wasseroberfläche beginnend zum Boden des Vorratsgefäßes wandert.

Um eine vorgegebene Wassermenge durch Vakuumverdampfung vollständig zu gefrieren, muß etwa 13% der Wassermenge verdampfen. In der sich nach unten ausdehnenden Eis­ schicht entstehen Kanäle, durch die der Wasserdampf aus der Vereisungsgrenzschicht abgesaugt wird. Dicke Eisschichten erzeugen für die Dampfströmung erhebliche Druckverluste, die einen starken, vertikalen Tempe­ raturgradienten innerhalb der Eisschicht zur Folge haben. An der Vereisungsgrenzschicht beträgt die Temperatur Null °Cc, während an der Eisoberfläche Temperaturen unter minus 20°C gemessen wurden. Die noch nicht gefrorene Wasserschicht hat entsprechend der Dichteanomalie reinen Wassers eine homogene Tempe­ ratur von plus 4°C. Um den Druckabfall zu überwinden, muß das Vakuumsystem bei erheblich niederen Drücken saugen, um die Vereisungsgrenzschicht voranzutreiben. Niedrigere Saugdrücke führen automatisch zu schlech­ teren Wirkungsgraden der Gesamtanlage.

Weit gravierendere Folgen treten jedoch auf, wenn während des Vereisungsvorganges eine äußere Wärme­ zufuhr erfolgt. Diese Wärmezufuhr erfolgt in aller Regel über die Wände des Eisspeichers oder über spezielle Wärmetauscherflächen. Durch die Wärmezufuhr erhöhen sich die Temperaturen der Eis­ schichten, die mit den Wärmetauscherflächen in Kontakt stehen. Von diesen Schichten sublimiert verstärkt Wasserdampf. Dadurch verlieren die Eisschichten den Wärmekontakt zu den Wärmetauscherflächen. Es entstehen Spalte, die den Wärmeübergang von den Wärme­ tauscherflächen an die Eisschicht drastisch reduzieren. Da auch die Drücke im Eisspeicher sehr niedrig sind, ist eine Wärmeübertragung durch Konvektion ineffektiv.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeübergang in einen durch direkte Vakuumverdampfung erzeugten Eisspeicher zu verbessern und den bei der Vereisung auftretenden, starken Temperaturgradienten innerhalb der Eisschicht zu reduzieren.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß dem Wasser ein Stoff mit niedrigem eigenem Dampfdruck beigemischt wird. Der beigemischte Stoff soll den Gefrierpunkt des Wassers nur geringfügig absenken. Gute Ergeb­ nisse erzielt man beispielsweise mit schwachen Säuren, Laugen oder Salzlösungen.

Durch die Zugabe eines wasserlöslichen Stoffes wird zunächst die Dichteanomalie von reinem Wasser aufge­ hoben. Bei der Verdampfung kühlt sich dadurch der gesamte Wasservorrat auf die Erstarrungstemperatur gleichmäßig ab. Die Vereisungsgrenzschicht breitet sich nun nicht mehr von der Wasseroberfläche ausge­ hend nach unten in einer horizontalen Ebene aus. Die Erstarrung beginnt jetzt vielmehr innerhalb der Wasserfüllung an mehreren Stellen, die sich zu einer Zusammenhängenden, dreidimensionalen Erstarrungs­ struktur verwachsen. Diese Eisstruktur besteht somit aus einer bereits erstarrten und einer noch flüssigen Phase. Bei fortgesetzter Verdampfung wächst die feste Struktur auf Kosten der noch flüssigen Phase. Es tritt aber auch der Fall auf, daß, besonders an der Oberfläche, ehemals feste Phasen wieder fließfähig werden. Durch die Verdampfung bzw. Sublimation nimmt die Konzentration der Beimischung in diesen Phasen zu, so daß bei bestimmten Stoffen eine Wiederverflüs­ sigung einsetzen kann.

Im Falle der Wärmezufuhr über Wärmetauscherflächen entstehen jetzt keine Spalte wie bei reinem Wasser. Durch die Wärmezufuhr verdampft an den Wärmetauscher­ flächen verstärkt Wasser. Hierdurch erhöht sich die Konzentration der Beimischung. Die Fließfähigkeit wird erhöht. Die verdampfte Wassermenge sickert von entfernteren Bereichen nach und transportiert weitere Beimischungen heran. Durch die ständige Verdampfung und den resultierenden Zufluß wird die Konzentration an den Wärmetauscheroberflächen schnell höher. Die Folge ist ein Eisspeicher, der an den Wärme­ tauscheroberflächen fließfähig bleibt und eine gute Wärmeübertragung in das Innere gewährleistet. Im Extremfall wird die Konzentration der Beimischung so hoch, daß sie an der Wärmetauscherfläche als feste Komponente ausfällt. Dies ist immer dann der Fall, wenn der Wasservorrat völlig verdampft. Um diese Ausfällung zu verzögern, werden vorzugsweise Stoffe mit einer hohen Löslichkeit beigemischt.

Die Zeichnung dient zur Erläuterung der geschilderten Zusammenhänge in einem zylindrischen Verdampfer 1. Die Fig. 1 und 2 zeigen den Vereisungsvorgang im Falle reinen Wassers.

Bei Fig. 1 hat der Vereisungsvorgang gerade begonnen. Die poröse Eisschicht 2 wächst von der Wasserober­ fläche aus in einer horizontalen Zone nach unten. Das Wasser 3 unter der Eisschicht 2 hat aufgrund der Dichteanomalie plus 4 °C, während an der Vereisungsgrenzschicht Null °C herrschen. Die Temperatur an der Eisoberfläche ist durch den jeweils erzeugten Saugdruck der Vakuumvorrichtung bestimmt.

In Fig. 2 ist die Vereisung weiter fortgeschritten. Am Boden des Verdampfers 1 befindet sich nur noch eine kleine Wassermenge 3. Im Gegensatz zu Fig. 1 wird in diesem Fall über die Verdampferwand von außen Wärme zugeführt. Dies führt zu einer ver­ stärkten Sublimation an den Verdampferwänden und zu einem Spalt 4, der die Wärmeübertragung stark hemmt.

Der Verdampfer 1 in Fig. 3 enthält eine schwache, wäßrige Kochsalzlösung. Im Gegensatz zu Fig. 1 zeigt sich hier keine scharfe horizontale Schichtung. Die Grenzschichten zwischen erstarrten Phasen 5 und flüssigen Phasen 6 verlaufen ungeord­ net durch den gesamten Verdampfer 1. Rund um die beheizten Verdampferwände und an der Oberfläche der Lösung überwiegen flüssige Phasen 6.

Fig. 4 zeigt den Verdampfer von Fig. 3 zu einem Späteren Zeitpunkt. Durch die äußere Wärmezufuhr ist die Wasserfüllung bereits stark verdampft. Auch in der noch verbliebenen Restlösung existieren flüssige Phasen 6 und feste Phasen 5. An den Ver­ dampferwänden haften ausgefällte Kochsalzkristalle 7.

Claims (3)

1. Verfahren zur Verbesserung der Wärmezufuhr in Eis­ speichern, die durch direkte Vakuumverdampfung geladen werden, wobei die Wärmezufuhr über die Wände des Eis­ speichers oder über spezielle Wärmetauscherflächen er­ folgt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirkungsgrad des Verfahrens dadurch erhöht wird, daß dem Eisspeicher Stoffe mit hoher Löslichkeit und geringer Dampfdrucker­ niedrigung beigemischt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Stoffe mit hoher Löslichkeit und geringer Dampfdruck­ erniedrigung Säuren, Laugen oder Salze beigemischt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des beigemischten Stoffes unter 10 Ge­ wichtsprozent beträgt.