DE3990275C1

DE3990275C1 - Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE3990275C1
Application number: DE3990275A
Authority: DE
Inventors: Nikolaos Malatidis
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Kuhlerfabrik Langerer and Reich GmbH and Co KG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1988-03-26
Filing date: 1989-03-28
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2009-03-29
Also published as: WO1989009375A1; DE8816395U1; DE3990275D2

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für Kraftfahrzeuge, mit den Merkmalen des Oberbegriffes im Anspruch 1.

Wärmespeicher dienen dazu, entweder Wärme bis zu ihrer Verwendung zu speichern oder um Wärme aufzufangen, die ansonsten verloren gehen würde. Letzteres ist z. B. bei den Abgasen von Autos der Fall, wo bekanntlich die in den heißen Auspuffgasen enthaltene Wärme ungenutzt in die Atmosphäre abgegeben wird. Das gleiche gilt auch für das aufgeheizte Kühlwasser des Motors, wobei zwar eine Überhitzung des Motors vermieden, die durch das Kühlwasser abgeführte Motorwärme jedoch ungenutzt bleibt. Motor- und Abgaswärme betragen etwa je 1/3 der Gesamtleistung des Kraftstoffs, d. h., daß nur 1/3 der Kraftstoffenergie für den Antrieb des Kraftfahrzeuges ausgenutzt wird, während 2/3 der Energie vergeudet werden.

Es besteht daher der Bedarf, die ansonsten vergeudete Energie, d. h., die entsprechende Wärmemenge, aufzufangen und zu speichern, um sie dann später bedarfsgerecht abzugeben, z. B. um das Innere eines Kraftfahrzeuges aufzuwärmen bis die Bordheizung wirksam wird, oder den Motor des Kraftfahrzeuges beim Kaltstart schnell auf die Betriebstemperatur zu bringen.

Aus DE 32 45 027 A1 ist bereits ein Latentwärmespeicher, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen bekannt, der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entspricht und von dem die vorliegende Erfindung ausgeht.

In den Strömungskanälen, durch die ein Wärmetransportmittel fließt und den das Speichermedium enthaltenden Kammern sind dort in einem Ausführungsbeispiel sogenannte Abstandshalter (22) angeordnet. Diese dienen dazu, die als flexible Hüllen ausgebildeten Kammern (14) auf Abstand zu halten und leisten auch einen Beitrag zur Vergrößerung der wärmetauschenden Oberflächen. Das Speichermedium ist in flexible Hüllen abgefüllt, um die durch Verflüssigung und Verfestigung des Speichermediums einhergehende Volumenvergrößerung, die zu beträchtlichen Deformationen oder zur Zerstörung des Wärmespeichers führen kann, zu beherrschen.

Diese Lösung ist insofern nachteilig, als dort, eben bedingt durch die Volumenvergrößerung, die flexiblen Kammern zerstört werden könnten und das Wärmeträgermedium mit dem Speichermedium in Kontakt käme, was auf jeden Fall vermieden werden muß. Darüber hinaus ist ein solcher Latentwärmespeicher relativ aufwendig in der Herstellung, weil jede Kammer einzeln mit dem Speichermedium abgefüllt und dicht verschlossen werden muß. Ferner wird dieser Latentwärmespeicher durch die heißen Motorabgase beladen und durch das Motorkühlwasser entladen und ist insbesondere dafür konzipiert. Das Wärmetransportmittel (Abgas) strömt in der genannten Schrift durch spiralförmig angeordete Rohre, um die herum die das Speichermedium enthaltenden Kammern mit den dazwischen angeordneten Strömungskanälen für das andere Wärmetransportmittel (Motorkühlwasser) angeordnet sind.

Latentwärmespeicher, die durch Motorkühlwasser be- und entladen werden sollen unterliegen anderen Restriktionen, weil das Kühlwasser nicht so hohe Temperaturen wie das Abgas aufweist. Es sind deshalb bei durch Kühlwasser be- und entladbaren Latentwärmespeichern Maßnahmen erforderlich, die dazu führen müssen, daß die im Kühlwasser enthaltene Wärmeenergie besser ausgenutzt bzw. gespeichert werden kann.

Von den möglichen Speichersystemen hat sich als vorteilhaft herausgestellt, Speicher zu verwenden, die nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeiten und bei denen zum Speichern der Wärmeenergie Materialien verwendet werden, die die Aufnahme bzw. Abgabe der Wärme durch Änderung des Aggregatzustandes bewirken. Man kann daher auch diese Stoffe als Phasenwechselmaterialien (PWM) bezeichnen.

Als Phasenwechselmaterialien kommen insbesondere Salze in Frage. Ihre Verwendung setzt dabei voraus, daß die Wärmezufuhr bzw. Wärmeentnahme im gesamten Speicher möglichst gleichzeitig und gleichmäßig vor sich geht, damit ein schnelles und gleichmäßiges Schmelzen bzw. Erstarren des Salzes gewährleistet ist. Ferner muß der Speicher so gestaltet und aufgebaut sein, daß die Wärmeverluste des aufgeladenen Speichers möglichst gering sind. Schließlich müssen auch die Eigenschaften des Salzes und das Material des Speichergerätes so aufeinander abgestimmt sein, daß letzteres nicht von dem Salz angegriffen und zerstört wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Latentwärmespeicher für die Be- und Entladung mittels Kühlwasser zur Verfügung zu stellen, der möglichst große wärmeaustauschende Oberflächen aufweist und der raumsparend sowie kostengünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.

Gegenstand der Erfindung ist also, mit anderen Worten, ein Wärmespeicher für Umwandlungswärme, der nach dem Durchlauferhitzerprinzip arbeitet, und der insbesondere als Autoheizaggregat eingesetzt werden kann.

Der Wärmespeicher kann in vielfacher Verwendung eingesetzt werden. Ganz besonders kann er aber in Kraftfahrzeugen verwendet werden, wo erhebliche Mengen an Energie in Form von Wärme vorhanden sind, die üblicherweise vergeudet werden. Zu den Wärmeträgern mit vergeudeter Energie gehört das von dem Motor aufgeheizte Kühlwasser. Die mäanderartige Durchströmung des Wärmespeichers ist besonders für die Be- und Entladung mittels Kühlwasser von Vorteil. Unter "BELADEN" wird dabei das Zuführen der Wärme zu dem Wärmespeicher verstanden, während man analog das Abführen der Wärme aus dem Wärmespeicher als "ENTLADEN" bezeichnen kann.

Der neue Wärmespeicher stellt ein ausgezeichnetes Aggregat zur Verwendung in Kraftfahrzeugen dar, da er sehr raumsparend und damit kostengünstig ausgebildet ist. Der modulare Aufbau des Speichers aus mehreren identischen Teilspeichern ermöglicht es, den Speicher an die räumlichen Verhältnisse des Kraftfahrzeuges anzupassen. So muß der Speicher nicht gestreckt sein, er kann auch kreis- oder halbkreisförmig gebogen sein. Auch ist der neue Wärmespeicher leicht auswechselbar, so daß er z. B. im Sommer, wenn keine Heizung oder Starthilfe erforderlich ist, ganz ausgebaut werden kann.

Der modulare bzw. netzartige Aufbau gestattet es auch, Mittel zur Wärmedämmung um den Wärmespeicher anzubringen, um so die Wärmeverluste des beladenen Wärmespeichers möglichst gering zu halten.

Ein wesentlicher Vorteil des neuen Wärmespeichers besteht darin, daß man aufgrund der konstruktiven Gegebenheiten sehr große wärmeleitende Flächen hat, die eine schnelle und gleichmäßige Zu- bzw. Ableitung der Wärme gewährleisten. Dieses wird noch dadurch unterstützt, daß relativ großflächige und gut wirkende Wärmebrücken zwischen den betroffenen Kanalteilen vorhanden sind.

Die Geometrie des neuen Wärmespeichers gewährleistet nicht nur eine gleichmäßige Be- und Entladung, sondern bewirkt auch, daß keine zu starke örtliche Überhitzung beim Beladen und keine zu starke Unterkühlung der Schmelze beim Entladen auftritt.

Die thermo-physikalischen Eigenschaften, das Schmelz- und Erstarrungsverhalten sowie das Korrosionsverhalten des Phasenwechselmaterials, müssen bei der Auswahl des Werkstoffes für den Wärmespeicher und dessen Aufbau beachtet werden.

Durch seinen Schmelz- und Erstarrungspunkt bestimmt das Phasenwechselmaterial neben anderen Randbedingungen die Arbeitstemperatur des Wärmespeichers, wenn dieser als Autoheizaggregat verwendet werden soll. Ferner ist die Wärmekapazität des Speichers weitgehend von der Umwandlungsenthalpie und der Wärmekapazität des Phasenwechselmaterials beim festen und flüssigen Zustand bestimmt.

Als zweckmäßiges Phasenwechselmaterial hat sich ein Gemisch aus Magnesiumnitrathexahydrat und Lithiumnitrat, der Formel

Mg(NO₃)₂.6H₂O + LiNO₃

gezeigt.

Diese Mischung erfüllt für den Einsatz des Wärmespeichers als Autoheizaggregat die Forderung, daß die Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur bei etwa 70°C liegt und daß das Phasenwechselmaterial bis auf 125°C erhitzt werden kann. Gegebenenfalls muß dem Gemisch noch ein Stabilisator zugeführt werden, um die Beständigkeit der chemischen Substanzen gegen Störeinwirkungen zu sichern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-6 beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch, den neuen Wärmespeicher;

Fig. 2 den neuen Wärmespeicher mit Blick auf die Kanäle für die Wärmeträgerflüssigkeit;

Fig. 3 den neuen Wärmespeicher mit Blick auf die Kammern für das Phasenwechselmaterial;

Fig. 4 drei nebeneinander angeordnete, zu einer Einheit verbundene Wärmespeicher;

Fig. 5 einen Blick von oben auf den Wärmespeicher gemäß Fig. 4;

Bei der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels ist daran gedacht, den Wärmespeicher als Autoheizgerät zu verwenden. Es werden daher, auch zur Erleichterung des Verständnisses, die Ausdrücke aus der Autotechnik, wie z. B. Kühlwasser verwendet, ohne daß damit eine Einschränkung des Schutzbegehrens verbunden sein soll.

Fig. 1 zeigt schematisch den Wärmespeicher 1 gemäß der Erfindung. Er besteht aus den vier zu einem Block zusammengefaßten Strömungskanälen 2, die durch die in Längsrichtung verlaufenden Stege oder Lamellen 3 in die rohrförmigen Teilkanäle 4 unterteilt sind. Die Strömungskanäle 2 und die Teilkanäle 4 haben im vorliegenden Beispiel rechteckigen Querschnitt.

Zwischen den Strömungskanälen 2 befinden sich die geschlossenen Kammern 5. In der Fig. 1 ist die oberste Seite offen gezeigt, um die Stege bzw. Lamellen 6 durch die die Kammern 5 in die Teilkanäle 7 unterteilt werden, sichtbar zu machen.

Fig. 2 zeigt den Wärmespeicher 1 in Richtung des Pfeiles 8. Hierbei ist anstelle der Lamellen 3 ein mäanderförmig ausgebildetes Blech vorgesehen. Das Blech 9 besteht aus dem selben metallischen Material wie die Strömungskanäle, vorzugsweise aus Aluminium. Die Mäanderform hat einmal den Vorteil der einfachen Fertigung; wesentlicher ist jedoch, daß sich hierdurch eine sehr große wärmeleitende Fläche ergibt und daß gute Wärmebrücken zwischen den Wandungen der Strömungskanäle 2 und dem Mäanderblech 9 hergestellt werden können, indem das Blech mit den Wandungen der Strömungskanäle 2 z. B. verlötet oder verschweißt wird, wie durch die Punkte 10 angedeutet ist.

Fig. 3 zeigt den Wärmespeicher 1 in Richtung des Pfeiles 11. Wie in den Strömungskanälen 2 sind auch hier die Kammern 5 durch ein mäanderförmig ausgebildetes Blech 12 in die Teilkanäle 7 unterteilt. Das Mäanderblech 12 besteht ebenfalls aus Metall, z. B. Aluminium, und bringt die selben Vorteile bezüglich Konstruktion und Wärmeleitung wie das Mäanderblech 9, da die Mäanderbleche 12 ebenfalls mit den Wandungen der Strömungskanäle 2 verlötet oder verschweißt sind, wie durch die Punkte 13 angedeutet ist. Die Teilkanäle 4 dienen zur Durchleitung des Wärmetransportmittels, hier des Kühlwassers des Motorkühlsystems eines Personenkraftwagens, während in die Teilkanäle 7 das Phasenwechselmaterial eingefüllt wird.

Fig. 4 zeigt den gesamten Wärmespeicher, bei dem drei der beschriebenen Wärmespeicher 1 nebeneinander in direktem körperlichen Kontakt angeordnet und ringsum in der Oberfläche zusammengeschweißt sind, so daß man einen Speicherblock 14 erhält, der nach außen hermetisch dicht ist. Vor dem Verschließen der Teilkanäle 7 wird das Phasenwechselmaterial in flüssigem Zustand eingefüllt. Die Abschlußdeckel sind der Übersichtlichkeit wegen in den Figuren nicht dargestellt.

Die Durchströmung des Speicherblockes 14 mit dem Kühlwasser erfolgt nun paarweise über die Teilkanäle 4, wobei die Kanalpaare bezüglich der Durchströmungsrichtung hintereinander geschaltet sind. Hierzu sind an den beiden Kopfenden des Speicherblockes 14 Wasserkästen 15 und 16 vorgesehen, deren Ausbildung sich aus Fig. 5 ergibt.

Über die Zuleitung 17 (Einlaß) gelangt das Kühlwasser in den Wasserkasten 16 und fließt aus diesem über die Ableitung 18 (Auslaß) wieder aus dem Speicherblock 14 ab. In der Zuleitung 17 befindet sich das Umschaltventil 19, mittels dem die Zuleitung des Kühlwassers von dem Kühlsystem 20 des Motors auf das Verbrauchersystem 21, d. h. das Heizungssystem, umgeschaltet werden kann.

Analog dazu befindet sich in der Ableitung 18 das Umschaltventil 22, mittels dem der Abfluß des Kühlwassers von dem Kühlsystem 23 des Motors auf das Verbrauchersystem 24 umgeschaltet werden kann.

Wenn das Kühlsystem des Motors in den Umlauf eingeschaltet ist, d. h., wenn heißes Kühlwasser durch den Speicherblock fließt, wird Wärme an das in den Teilkanälen 7 befindliche Phasenwechselmaterial abgegeben, so daß dieses von dem festen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht und somit die abgegebene Wärme speichert.

Fig. 5 zeigt schematisch die Ausbildung der Wasserkästen 15 und 16 und die Durchströmungsrichtung des Wärmespeichers 14, und zwar wieder in einem Blick in Richtung des Pfeiles 11 (Fig. 1).

Die Speicher 1 weisen auch hier je vier Teilkanäle 2 auf. Wie bereits gesagt, erfolgt die Durchströmung des Kühlwassers durch Kanalpaare, die zu diesem Zwecke hintereinander geschaltet sind. Diese ist durch die Pfeile 25 angedeutet. Die Wasserkästen 15 und 16 sind nun durch die Trennwände 26 und 27 so unterteilt, daß die paarweise Durchströmung ermöglicht wird.

Claims

1. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher für Kraftfahrzeuge, bestehend aus mehreren Strömungskanälen (2) für die Durchleitung eines flüssigen Wärmetransportmittels und mehreren zwischen den Strömungskanälen (2) angeordneten und durch eine Wandung getrennten Kammern (5) für ein Speichermedium, wobei in den Strömungskanälen (2) metallische Stege angeordnet sind, die Teilkanäle (4) in den Strömungskanälen (2) bilden dadurch gekennzeichnet, daß
in den Kammern (5) metallische Stege oder Lamellen (6) angeordnet sind, die Teilkanäle (7) in den Kammern (5) bilden, die senkrecht zu den Teilkanälen (4) in den Strömungskanälen (2) angeordnet sind und daß
an den gegenüberliegenden Kopfenden des Wärmespeichers (14), dort wo die Strömungskanäle (2) münden, je ein Behälter (15; 16) angeordnet ist, der Trennwände (26; 27) aufweist, die eine mäanderförmige Durchströmung der Strömungskanäle (2) vom Einlaß (17) zum Auslaß (18) herbeiführen.

2. Wärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strömungskanälen (2) Lamellen (3) angeordnet sind.

3. Wärmespeicher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmetransportmittel das Kühlwasser des Fahrzeugmotors ist und die Behälter (15; 16) die Wasserkästen sind.

4. Wärmespeicher nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (26; 27) so angeordnet sind, daß die mäanderförmige Durchströmung jeweils zwei benachbarte Strömungskanäle (2) umfaßt.

5. Wärmespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kammern (5) und mehrere Strömungskanäle (2) Teilspeicher (1) bilden, die an der Wand eines Strömungskanals (2) oder an einer Kammerwand zu einem größeren Wärmespeicher verbunden, insbesondere zusammengeschweißt sind.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspeicher (1) zu einem größeren Wärmespeicher zusammengefügt sind, der kreis- oder halbkreisförmig gebogen ist.

7. Wärmespeicher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Einlaß (17) und am Auslaß (18) je ein Ventil vorgesehen ist, um den Wärmespeicher in den Kühlkreislauf bzw. das Kühlsystem (20) ein- und auszuschließen.

8. Wärmespeicher, insbesondere Latentwärmespeicher mit einem Speichermedium, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichermedium ein Phasenwechselmaterial, aus einem Gemisch von Magnesiumnitrathexahydrat und Lithiumnitrat nach der Formel Mg (NO₃)₂.6H₂O + LiNO₃ ist.