DE3819317A1 - Anordnung zur wirbelfreien einleitung von speichermedien in schichtenwaermespeicherbehaelter - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Kurzzeitspeicherung von Wärme­ energie in großräumigen Behältern, bei denen die Trennung zwischen dem höher temperierten Medium geringerer Dichte (geladenes Medium) und dem niedrigtemperierten Medium höherer Dichte (Entlademedium) über eine Grenzschicht mittlerer Dichte erfolgt - Schichtenspeicher­ prinzip.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Verknappung fossiler Energieträger zwingt zu einer zunehmen­ den Nutzung von Anfall-, Umwelt-, Sekundärenergiepotential, auch wenn dieses nicht kontinuierlich bzw. im Belastungsgang der Nutzung zur Verfügung steht.

Insbesondere zwingt die von den Gebrauchsgewohnheiten geprägte Spitzenlastcharakteristik der Elektroenergieabnahme dazu, die Fernwärmeauskopplung bei Kraftwerken zu unterbrechen und die Einkopplung von Alternativenergieströmen über elektrisch anzutrei­ bende Wärmepumpen auszusetzen.

Zur Anpassung des diskontinuierlich bzw. unterbrochenen Wärme­ stromes an den zeitlich anders gearteten Verbrauch von Wärmeenergie­ strömen werden zunehmend Wärmespeicher eingesetzt.

Für die kostengünstige Speicherung großer Energiemengen werden druckreduzierte bzw. drucklose Tankbehälter, als Speichermedium vorzugsweise aufbereitetes Wasser, eingesetzt.

Das bei Nutzung von Alternativwärmequellen in der Regel niedrige Temperaturniveau kommt der drucklosen Wärmespeicherung entgegen. Zur Erreichung geringer spezifischer Speicherinvestkosten werden zunehmend Anordnungen nach dem Schichtenwärmespeicherprinzip nach bekannten Lösungen genutzt.

Die Zuführung und Abführung des kalten bzw. aufgeladenen Mediums erfolgt bekanntermaßen vorzugsweise über zentrisch unten bzw. oben angeordnete Einbauten, die aufgrund der Gestaltung eine wesentliche Verminderung der Ausströmgeschwindigkeit in den mit quasi stehendem Medium angefüllten Behälter gewährleisten sollen.

Insbesondere beim Anfahren (Laden, Entladen) des Speichers kommt es, bedingt durch die großräumige Gestaltung der Anordnung mit geringen Reibungswiderständen, zur verwirbelten Einleitung des Mediums über die Einbauten und damit zum Aufbau einer größeren Grenzschicht mittleren Temperaturniveaus mit mittlerer Dichte, die eine Nutzung nicht mehr erlaubt und damit die effektive Ausnutzung der investierten Behälterkapazität einschränkt.

Die bekannten Anordnungen können aufgrund der zu erreichenden geringen Druckverluste beim Geschwindigkeitsabbau in den Zulei­ tungen und den Einbauten und aufgrund der im großräumigen Wärme­ speicherbehälter auftretenden geringen Strömungswiderstände den laminaren Ausstrom aus den Einbauten mit Reynoldszahlen Re < 2320 nicht gewährleisten.

Die Reynoldszahlen liegen im Bereich der Zuleitungen in der Größenordnung 2 · 10⁶, an der Abrißkante der vorzugsweise ein­ zusetzenden zentrisch anzuordnenden Diffusoren um Re 0,1 · 10⁶, im Wärmespeicherbehälter selbst bei Geschwindigkeiten um 10^-3 m/s um Re 6 · 10⁵.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch geeignete Anordnungen den Aus­ nutzungsgrad der zu investierenden Wärmespeicherbehälter durch Verminderung des Grenzschichtaufbaues im Betrieb zu erhöhen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bildung einer größe­ ren Grenzschicht mittlerer Temperatur und Dichte infolge turbu­ lenten Eintretens der Lade- bzw. Entlademedien über die Einbau­ ten in den großräumigen Wärmespeicherbehälter durch das Anordnen geeigneter Vorrichtungen an der Abrißkante der Einbauten zu ver­ meiden.

Erfindungsgemäß wird das prinzipielle Problem der günstigen Ge­ staltung des Verhältnisses von Reibungswiderständen und dynami­ scher Zähigkeit des Speichermediums dadurch gelöst, daß an den Austrittsöffnungen der Diffusoren Lochplatten geeigneter Loch­ größe und Teilung angeordnet werden, die über die auftretenden Strömungswiderstände einen Stau innerhalb der Einbauten und ein laminares, radiales Abströmen außerhalb der Einbauten der Schich­ tung nach der Dichte gewährleisten.

Das Verhältnis von Lochgröße und Teilung der Lochplatten ist so zu gestalten, daß ein effektiver Ausströmquerschnitt von ca. 50% bezogen auf die Ringfläche an der Abrißkante der Diffusoren er­ reicht wird.

Die laminare Ausströmung wird prinzipiell auch bei kleiner Lochung, mit entsprechend geringer effektiver Ausströmfläche erreicht, je­ doch steigen die Druckverluste über die Lochblenden mit den ent­ sprechenden Pumpenenergieverlusten stark an.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeich­ nung näher erläutert.

• Tankbehälterspeicher 1
  Diffusoren oben, unten 2
  Lochplattenringe 3

Ein Tankbehälterspeicher 1 wird mit zentrisch angeordneten, als Diffusoren 2 ausgebildeten oberen und unteren Einbauten ausge­ rüstet.

Der Wasserstand im Wärmespeicherbehälter wird im Bereich ober­ halb des oberen Diffusors gehalten.

Der Wärmespeicher soll aus entladenem Zustand - die Mischzone steht im Bereich des oberen Einbaues an - geladen werden. Dazu wird über die Ladeleitung aufgeheiztes Medium dem Speicher über den oberen Diffusor zugeführt. Über den unteren Diffusor wird die gleiche Menge abgeführt, so daß der Wasserspiegel kon­ stant bleibt. Entsprechend der Gestaltung der Diffusoren erfolgt ein Geschwindigkeitsabbau bis an den Rand beim Ausströmen bzw. Geschwindigkeitsaufbau beim Einströmen.

Durch die Richtungsänderungen sowie den Geschwindigkeitsabbau des beim Laden als Ausströmdiffusor wirkenden oberen Einbaues werden wirbelnde, rollende Bewegungen des Mediums verursacht, die aufgrund der geringen Strömungswiderstände in den Einbauten selbst nicht zu verhindern sind.

Durch den am Rand des Diffusors angebrachten Lochplattenring, vor­ zugsweise der Lochung 16 mm, Teilung 22,4 mm versetzt, wird ein Strömungswiderstand hervorgerufen, der innerhalb des Einbaues einen Druckstau auslöst.

Durch die Lochplattenringe strömt das Medium laminar und horizon­ tal gerichtet in den Behälter aus.

Mit dem Abstand vom Einbau reduziert sich die Geschwindigkeit radial weiter bis die Wandung des Behälters erreicht wird.

Nach Erreichen der Behälterwand erfolgt der vertikale Schichtungs­ aufbau im Behälter mit oben aufgebautem Medium niedriger Dichte, unten abströmendem kalten Medium höherer Dichte und langsam nach unten gefahrener Grenzschicht zwischen warmem und kaltem Medium. Die Ausdehnung der Grenzschicht ist durch die laminare Ausströmung aus dem oberen Diffusor bei Beginn des Ladevorganges erheblich eingeengt worden, da die rollenden Medienbewegungen keine Verwir­ belung der Grenzschicht mit Vermischung der Medienströme mehr hervorrufen können.

Beim Entladen erfolgt der Vorgang gleichartig zu Entladebeginn im Bereich des unteren Diffusors.

Claims (1)

1. Anordnung zur Sicherung der wirbelfreien Einleitung von flüs­ sigen Speichermedien in Schichtenwärmespeicherbehälter (1) über oben bzw. unten angeordnete Diffusoren, gekennzeichnet dadurch, daß an der Abrißkante der Diffusoren (2) Lochplatten­ ringe (3) vorgesehen werden, die eine laminare horizontale Ausströmung des Mediums mit daraus folgendem definiertem Auf­ bau der Temperaturschichtung entsprechend den Dichteunter­ schieden gewährleisten.