DE4036035A1 - Modularer latentwaermespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher in spezieller Modulbauweise.

Derartige Speicher für die Speicherung von Wärme oder Kälte sind für die verschiedensten Anwendungsbereiche, z. B. im Haushalt, in der Industrie, oder auch in Fernwärmeübergabestationen vorgese­ hen, um thermische Zyklen in Heiz- oder Kühlsystemen zu glätten, bzw. thermische Energie in Zeiten des Energieüberangebots zu speichern und in Zeiten des Energiedefizits zeitlich versetzt zur Verfügung zu stellen. Dazu macht man sich den physikalischen Ef­ fekt des Phasenübergangs einer Substanz vom festen in den flüssi­ gen Zustand und umgekehrt zu Nutze, weil bei einem solchen Pha­ senübergang innerhalb eines sehr kleinen Temperaturhubs ver­ gleichsweise hohe Energiemengen aufgenommen und wieder freige­ setzt werden.

Dem heutigen Stand der Technik entsprechende Latentwärmespeicher bestehen aus einem äußeren Gehäuse (Kessel) mit einer thermischen Isolierung, und dem eigentlichen Latentwärmespeichermittel. Ge­ wöhnlich sind die Kessel aus Gründen der Festigkeit, hauptsäch­ lich um ein Ausbeulen unter Druck zu vermeiden, als im wesentli­ chen zylindrische Hohlkörper mit sogenannten Klöpperböden an den Enden ausgebildet. Für die Einbringung des Latentwärmespeicher­ mittels haben sich zur Zeit zwei wesentliche Gruppen von techni­ schen Möglichkeiten herauskristallisiert. Davon ist die erste die Direkteinbringung (Schüttung) des Latentwärmespeichermittels, und die zweite die Einbringung von mit dem Latentwärmespeichermittel befüllten Behältern in den Kessel. Es ist bekannt, daß derartige Behälter in Plattenform die besten Voraussetzungen für die Schaf­ fung großer Oberflächen und kurzer Fließwege des Wärmestroms in­ nerhalb des eingefüllten Latentwärmespeichermittels zu diesen Oberflächen bieten. Dadurch ist eine hohe Dynamik des Wärmeaus­ tausches erzielbar.

Die bekannten Bauformen besitzen jedoch den Nachteil, daß sie in einer Vielzahl unterschiedlicher Baugrößen zur Verfügung stehen müssen, um jeweils dem individuellen Speicherbedarf zu entspre­ chen. Diese unterschiedlichen Baugrößen führen zu kleinen Los­ größen in der Fertigung und können schon deshalb nicht sehr eng gestaffelt werden, um die Lagerhaltung nicht unnötig aufzublähen. Auch ist ein einmal installierter Latentwärmespeicher nach diesem Konzept nachträglich in seiner Speicherkapazität nicht mehr an­ paßbar. Ein weiterer Nachteil besteht sowohl in der Größe als auch in dem Gewicht derartiger Speicher, wodurch die Installation vor allem bei ungünstigen Einbauverhältnissen erschwert ist.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Latentwärmespei­ chers, welcher in seiner Speicherkapazität sehr gut an den Be­ darf, möglichst auch nachträglich, anpaßbar sein sollte, und gleichzeitig bei der Fertigung hohe Losgrößen möglichst gleich­ artiger Elemente und eine geringe Lagerhaltung erlauben sollte. Ein weiterer Teil der Aufgabe bestand darin, den Latentwärmespei­ cher auch unter den ungünstigsten Verhältnissen am Einbauort (z. B. in einem Keller) installieren zu können.

Die beschriebene Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Latentwärmespeicher in spezieller Modulbauweise vorge­ schlagen wird. Danach besteht der erfindungsgemäße Latentwärme­ speicher aus einzelnen dicht abgeschlossenen flachen Speichermo­ dulen, welche mit dem Latentwärmespeichermittel befüllt sind, ei­ ner außenliegenden thermischen Isolierung und Anschlüssen für den Zu- und Ablauf des flüssigen Wärmetauschermittels, wobei die Oberflächen der Speichermodule die Tauscherflächen für die Ein- bzw. Auskopplung thermischer Energie zum bzw. vom Latentwärme­ speichermittel bilden und die einzelnen Speichermodule an ihrer Oberfläche so gestaltet und nach außen lateral zu ihrer Planebene abgedichtet mit ihren Planflächen so zu einer Batterie aneinander gereiht sind, daß dadurch zwischen ihnen ohne die Notwendigkeit eines Tanks ein definierter Fließweg für das flüssige Wärmetau­ schermittel gebildet ist. Die durch die einzelnen Speichermodule gebildete Batterie ist an der jeweils endseitigen Planfläche des ersten bzw. letzten Speichermoduls mit jeweils einer Stirnplatte abgeschlossen. Die Anschlüsse für den Zu- bzw. Ablauf des flüssi­ gen Wärmetauschermittels sind vorzugsweise in die Stirnplatten integriert. Die gesamte Batterie aus Speichermodulen und Stirn­ platten wird mittels axial wirkender Verbindungselemente zusam­ mengehalten.

Mit der Erfindung werden neuartige Speichermodule zur Verfügung gestellt, welche durch eine entsprechende Formgebung sowohl der planflächigen Seiten als auch der Berandung beim Aneinanderreihen der Speichermodule einen gegen ungewollten Austritt von flüssigem Wärmetauschermittel abdichtbaren Strömungsweg über die Oberflä­ che der Speichermodule bilden. Die Gehäuse der Speichermodule sind umlaufend wahlweise entweder mit Dichtflächen und einlegba­ ren Dichtungen, oder mit einem integrierten Dichtsystem, z. B. be­ stehend aus Dichtflächen und angespritzten Dichtkanten, versehen. Die planflächigen Seiten der Speichermodule sind vorzugsweise an ihrer Oberfläche strukturiert (z. B. mit Noppen, Sicken, Fisch­ grätmuster, oder dergleichen), um sowohl eine Beabstandung der Planflächen der Speichermodule, als auch eine kontrollierte Ver­ teilung der Strömung und deren Turbulenz sicherzustellen. Dabei ist die effektive Höhe der einzelnen Speichermodule im Tauscher­ flächenbereich einschließlich der Strukturierung der Oberfläche nicht größer als die effektive Höhe der Berandung einschließlich der Dichtung. In dem erfindungsgemäßen Speichermodul ist minde­ stens ein axialer Durchbruch für den Durchtritt von flüssigem Wärmetauschermittel vorhanden. Im Gegensatz zu den flexiblen als Tauscherflächen arbeitenden planflächigen Seiten des Speichermo­ duls ist die Berandung verstärkt ausgeführt. Die erfindungsgemäß­ en Speichermodule sind sowohl in Metall als auch in Kunststoff herstellbar. Nach weiterer Erfindung wird vorgeschlagen, bei ei­ nem aus Kunststoff hergestellten Gehäuse des Speichermoduls auß­ erhalb der umlaufenden Abdichtung einen thermisch isolierenden Kragen direkt anzuspritzen, wobei dieser vorzugsweise mit einer thermisch isolierenden Füllung z. B. aus Schaum versehen ist.

Damit ist nach der Erfindung ein modularer Latentwärmespeicher verfügbar, welcher durch das Aneinanderreihen einzelner Speicher­ module sehr feinstufig und nahezu unbegrenzt in seiner Kapazität anpaßbar ist. Selbst eine nachträgliche Erweiterung der Speicher­ kapazität ist durch Hinzufügen zusätzlicher Speichermodule pro­ blemlos durchführbar. Die spezielle Konstruktion erübrigt den üblicherweise benötigten Tank (Kessel). Auch ist die Durchströ­ mung des Latentwärmespeichers wahlweise je nach Anordnung der Durchbrüche in den einzelnen Speichermodulen in Reihen- oder Pa­ rallelschaltung realisierbar. Durch die Aufgliederung in Spei­ chermodule entstehen kleine Einheiten, welche vorzugsweise in ihrem Maximalgewicht so ausgelegt sind, daß sie ohne weiteres von einer einzelnen Person getragen werden können. Die flache Form der Speichermodule erlaubt den problemlosen Transport auch an schwer zugängliche Aufstellplätze (z. B. im Keller), wenn Eng­ stellen z. B. im Treppenhaus oder durch enge Türen zu überwinden sind. Durch sehr wenige Baugrößen der Speichermodule kann prak­ tisch der gesamte Markt abgedeckt werden, wobei große Stückzahlen eine preiswerte Herstellung erlauben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der fünf Zeichnungsfiguren näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt eine geschnitten und unter­ brochen gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen modularen Latentwärmespeichers. In Fig. 2 ist das Ausführungsbeispiel eines einzelnen Speichermoduls in Form einer unvollständigen Skizze gezeigt, von welchem in Fig. 3 ein Teilschnitt herausgezeichnet ist. In Fig. 4 ist mittels einer ebenfalls vereinfachten Skizze ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Speichermoduls dargestellt, wovon in Fig. 5 ein Teilschnitt gezeigt wird.

Die Zeichnungsfigur 1 zeigt das Schema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen modularen Latentwärmespeichers in einer ge­ schnitten und abgebrochen gezeichneten Darstellung. Es wurde für das Beispiel eine Durchströmung in Reihenschaltung gewählt, wobei die Fließrichtung durch eingezeichnete Pfeile angedeutet ist. In der thermisch isolierenden und aus den vier Elementen (1, 2, 3, 4) bestehenden Hülle ist eine Batterie aus fünf Speichermodulen (5, 6, 7, 8, 9) und den beiden Stirnplatten (10, 11) angeordnet. Die ein­ zelnen Speichermodule sind mit dem Latentwärmespeichermittel (12) befüllt. Die Batterie wird durch die axial wirkenden Zuganker (13, 14) zusammengehalten. In die Stirnplatten ist der Zulauf (15) und der Ablauf (16) integriert. Zwischen den einzelnen Speicher­ modulen bzw. zwischen dem jeweils letzten Speichermodul und der angrenzenden Stirnplatte ist jeweils eine Dichtung (17) einge­ baut.

In Fig. 2 ist das Ausführungsbeispiel eines einzelnen Speicher­ moduls von der Planseite gesehen anhand einer Skizze dargestellt. Aus Gründen der Vereinfachung ist die Strukturierung der Oberflä­ che (18) nur partiell durch Striche angedeutet. Wegen der besse­ ren Übersichtlichkeit ist die Zeichnung nicht maßstäblich, son­ dern im Randbereich in der Größe verzerrt angefertigt. Für das Beispiel wurde eine Version mit einer nach dem Zusammenbau mäan­ derförmigen Durchströmung der Batterie gewählt. Eine der beiden möglichen Strömungsrichtungen des Wärmetauschermittels über die Oberfläche des Speichermoduls ist durch den großen Pfeil (19) verdeutlicht. Im Randbereich sind Vertiefungen (20A bis 20I) eingeprägt, um eine Versteifung der Berandung (21) zu bewirken. Zwei größere Vertiefungen (22, 23) an der linken Seite sind mit Durchbrüchen (24, 25) versehen, welche den Durchtritt des flüssi­ gen Wärmetauschermittels in die nächste Ebene der Batterie ge­ statten. In die Berandung ist eine umlaufende Nut (26) für eine einlegbare Dichtung eingedrückt. Die Berandung wird nach außen durch einen tiefgezogenen Saum (27) begrenzt. In der Zeichnung ist durch die mit Pfeilen ausgezogene Linie die Lage des Schnit­ tes A_I/A_I eingetragen, welcher Gegenstand der Fig. 3 ist.

Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung durch den Randbereich eines Stapels aus Speichermodulen gemäß Fig. 2, wobei die einzelnen Speichermodule jeweils um 180° verdreht aneinandergereiht wurden, um die in diesem Fall gewünschte mäanderförmige Durchströmung der Batterie mit dem flüssigen Wärmetauschermittel nach dem Prinzip der Reihenschaltung zu realisieren. Das mittlere Speichermodul entspricht dem in Fig. 2 mit A_I/A_I bezeichneten Schnitt. Das Ge­ häuse des Speichermoduls aus dünnwandigem Material besteht aus den zwei Halbschalen (28, 29). Die Strukturierung (18) der Ober­ fläche ist durch den wellenförmigen Schnitt angedeutet. In der gegenüber der Oberfläche zurückspringenden Vertiefung (22) ist ein Durchbruch (24) angebracht. In die Berandung (21) ist die Nut (26) eingeprägt, in welche eine Dichtung (30) eingelegt ist. Die Speichermodule werden außen von dem tiefgezogenen Saum (27) be­ grenzt. Aufgrund des Abstandes zwischen den Oberflächen der je­ weils benachbarten Speichermodule ist ein Fließweg (31; 32) für das flüssige Wärmetauschermittel gebildet. Eine der möglichen Fließrichtungen ist durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet.

In Fig. 4 wird ein gegenüber der Fig. 2 abgewandeltes Ausfüh­ rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Speichermoduls gezeigt. Auch hier wurde die Darstellung stark vereinfacht und deshalb Details nur partiell angedeutet. Es sind in der Oberfläche sowohl zwei tiefgezogene Einprägungen (33, 34) als auch zwei runde Durchlässe (35, 36) angebracht. Die Aufkantung der Berandung (37) ist aus der Zeichnung nicht ohne weiteres zu ersehen. Die Lage des Schnittes A_I/A_II ist eingetragen.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen aus Speichermodulen gemäß der Fig. 4 gebildeten Stapel dargestellt. Auch für die gezeigte Variante wurde eine mänderförmige Durchströmung der gesamten Bat­ terie gewählt und durch in Planebene um jeweils 180° verdrehte Anordnung der einzelnen Speichermodule realisiert. Das Gehäuse der jeweiligen Speichermodule aus dünnwandigem Material ist aus den beiden Halbschalen (38, 39) hergestellt, welche außen eine Aufkantung (40, 41) besitzen und dort dicht verbunden sind. Durch eine angepaßte Formgebung mit den Rillen (42, 43) ist ein Raum für eine einlegbare Dichtung (44) gebildet. Der Durchlaß (35) ist mittels eines eingesetzten Rohrstücks (45) verwirklicht. Eine der möglichen Fließrichtungen ist durch kleine Pfeile eingetragen.

Claims (12)

1. Modularer Latentwärmespeicher für die Speicherung thermischer Energie, bestehend aus einzelnen dicht abgeschlossenen flachen Speichermodulen, welche mit dem Latentwärmespeichermittel be­ füllt sind, einer außenliegenden thermischen Isolierung und An­ schlüssen für den Zu- und Ablauf des flüssigen Wärmetauschermit­ tels, wobei die Oberflächen der Speichermodule die Tauscherflä­ chen für die Ein- bzw. Auskopplung thermischer Energie zum bzw. vom Latentwärmespeichermittel bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Speichermodule an ihrer Oberfläche so gestaltet und nach außen lateral zu ihrer Planebene abgedichtet mit ihren Planflächen so zu einer Batterie aneinander gereiht sind, daß da­ durch zwischen ihnen ohne die Notwendigkeit eines Tanks ein defi­ nierter Fließweg für das flüssige Wärmetauschermittel gebildet ist.

2. Modularer Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die aus den einzelnen Speichermodulen gebildete Batterie an der jeweils endseitigen Planfläche des ersten bzw. letzten Speichermoduls mit jeweils einer Stirnplatte abgeschlos­ sen ist.

3. Modularer Latentwärmespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anschlüsse für den Zu- bzw. Ablauf des flüssi­ gen Wärmetauschermittels in die Stirnplatten integriert sind.

4. Modularer Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie aus Speichermodulen, bzw. die Batterie aus Speichermodulen und Stirnplatten mittels axial wirkender Verbindungselemente zusammengehalten wird.

5. Modularer Latentwärmespeicher nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Speichermodule gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 12 verwendet sind.

6. Speichermodul für einen modularen Latentwärmespeicher, beste­ hend aus einem abgedichteten flachen Gehäuse z. B. aus Metall oder Kunststoff mit einer Befüllung mit einem Latentwärmespeichermit­ tei, wobei im wesentlichen die Planflächen des Speichermoduls als Tauscherflächen für die Ein- bzw. Auskopplung thermischer Energie zum bzw. vom Latentwärmespeichermittel dienen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch eine entsprechende Formgebung sowohl der planflächigen Seiten als auch der Berandung beim Aneinanderreihen der Speichermodule ein gegen ungewollten Austritt von flüssigem Wärmetauschermittel abdichtbarer Strömungsweg über die Oberfläche der Speichermodule gebildet wird.

7. Speichermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse umlaufend wahlweise entweder mit Dichtflächen und einer einlegbaren Dichtung, oder mit einem integrierten Dichtsystem, z. B. bestehend aus Dichtfläche und angespritzer Dichtkante, verse­ hen ist.

8. Speichermodul nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die planflächigen Seiten mit einer Strukturie­ rung der Oberfläche (z. B. Noppen, Sicken, Fischgrätmuster, oder dergleichen) versehen sind, um sowohl eine Beabstandung der Plan­ flächen der Speichermodule, als auch eine kontrollierte Vertei­ lung der Strömung und deren Turbulenz sicherzustellen.

9. Speichermodul nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die effektive Höhe des Speichermoduls im Tau­ scherflächenbereich einschließlich der Strukturierung der Ober­ fläche nicht größer ist als die effektive Höhe der Berandung einschließlich der Dichtung.

10. Speichermodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein axialer Durchbruch für den Durchtritt von flüssigem Wärmetauschermittel vorhanden ist.

11. Speichermodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Berandung im Gegensatz zu den flexiblen als Tauscherflächen arbeitenden planflächigen Seiten mechanisch verstärkt ausgeführt ist.

12. Speichermodul nach einem oder mehreren der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus einem Kunststoff hergestellt ist und außerhalb der umlaufenden Abdichtung ein thermisch isolierender Kragen, vorzugsweise mit einer thermisch isolierenden Füllung (z. B. Ausschäumung), direkt angespritzt ist.