DE4190616C2 - Wärmespeichernder Körper aus Metall und Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen wärmespeichernden Körper aus Metall. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Wärmespeicher mit einem wärmespeichernden Körper, dessen eine Fläche mit einem Wärmeträger eine Kontaktfläche bildet.

Wärmespeichernde Körper werden zu verschieden­ sten Zwecken zur Übertragung von im Körper auf genom­ mener und darin gespeicherter Wärme zu einer Ver­ brauchsstelle verwendet. Dabei ist der Wärmeträger oft eine Flüssigkeit, normalerweise Wasser, aber es ist auch möglich, ein Gas zu verwenden. Die vorlie­ gende Erfindung eignet sich für Fälle, in denen ent­ weder eine Flüssigkeit oder ein Gas als Wärmeträger dient.

Wärmespeichernde Körper werden natürlich aus Materialien hergestellt, die eine große Wärmeaufnah­ mekapazität aufweisen. Es ist oft auch wünschenswert, daß die Wärmeaufnahmekapazität pro Volumeneinheit groß ist. Es ist wohlbekannt, Seifenstein als wärme­ speicherndes Material zu verwenden, weil er im Ver­ gleich zu anderen Steinmaterialien eine große Wärme­ aufnahmekapazität aufweist. Keramische und feuerfeste Materialien sowie Mineralmaterialien, wie Ferrosili­ kat, werden im allgemeinen in den Kernen von Wärme­ speichern verwendet. Im Vergleich zu diesen Materi­ alien weisen Metalle jedoch sogar eine vielfache Wär­ meaufnahmekapazität pro Volumeneinheit auf. Aus die­ sem Grund wird Metall oft in Wärmespeichern verwen­ det. Es ist bekannt, in Wärmespeichern, in denen Wär­ me in einer großen Masse gespeichert wird, d. h. in sog. Massenwärmespeichern, zum Beispiel Gußeisen zu verwenden. Die Verwendung von Gußeisen ist jedoch begrenzt, weil seine chemische Beständigkeit bei ho­ hen Temperaturen ziemlich begrenzt ist. Außerdem wächst es bei hohen Temperaturen, wenn es periodisch aufgeheizt wird. Legierte Gußeisen sind nicht proble­ matisch in dieser Hinsicht, aber sie sind sehr teuer für die Verwendung als wärmespeichernde Masse, weil das Gewicht von Massenwärmespeichern normalerweise groß ist. Ein weiteres Problem besteht darin, daß es schwierig oder sogar unmöglich ist, aus Gußeisen po­ renfreie Körper zu fertigen. Außerdem ist es nicht leicht, sie zu schweißen.

Wegen der großen Wärmeaufnahmekapazität von Stahl pro Volumeneinheit sowie der vielen Vorteile gegenüber Gußeisen (Schweißbarkeit, Freiheit von Po­ ren usw.) hat man Versuche gemacht, Wärmespeicherker­ ne aus Stahl herzustellen. Ein Problem hierbei stellt die geringe Zunderbeständigkeit von Stahl dar: die Oberfläche von Stahl verzundert bei hohen Tempera­ turen zwischen etwa 600 bis etwa 800 °C, d. h. sie reagiert mit umgebendem Sauerstoff so stark, daß man auf die Verwendung von Stahl verzichtet hat. Durch die Verwendung von hochlegierten Stählen könnte eine gute Zunderbeständigkeit erhalten werden, aber der hohe Preis von hochlegierten Stählen verhindert die Verwendung dieser Materialien in Wärmespeichern. Außerdem ist die Schweißbarkeit von hochlegierten Stählen allgemein genommen problematisch im Vergleich zu konventionellen Stählen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Probleme zu beseitigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der wärmespeichernde Körper aus Metall dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kern aus Stahl aufweist, auf dessen Oberfläche eine zunderbe­ ständige Legierung aufgespritzt ist. Vorzugsweise besteht der Kern aus allgemeinem Baustahl. Die Zu­ sammensetzung der als Überzug verwendeten Legierung entspricht vorzugsweise im wesentlichen der Zusammen­ setzung von nichtrostendem, kohlenstoffarmem, auste­ nitischem Stahl. Bei großen wärmespeichernden Kör­ pern, die in Massenwärmespeichern verwendet werden, ist es im allgemeinen sehr vorteilhaft, den Kern von Stahlkörpern auszubilden, die durch Schweißen mit­ einander verbunden sind, weil die Herstellung des Kerns dadurch einfach ist und in situ erfolgen kann.

Der erfindungsgemäße Wärmespeicher ist haupt­ sächlich dadurch gekennzeichnet, daß der wärmespei­ chernde Körper einen Kern aus Stahl aufweist, auf dessen der oxidierenden Atmosphäre ausgesetzten Ober­ fläche eine zunderbeständige Legierung aufgespritzt ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Wärmespeichers sind in den Ansprüchen 6 bis 10 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, den Kern des wärmespeichernden Körpers aus billigem "Standardstahl" zu fertigen, der ausgezeichnete Wär­ mespeicherungseigenschaften besitzt, wobei der Stahl mit einer Legierung, die auf die Oberfläche des Stahls aufgespritzt wird, vor Oxidation und andere chemische Reaktionen geschützt wird.

Ein großer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein kompakter wärmespeichernder Körper mit einer großen Wärmeaufnahmekapazität pro Volumeneinheit ko­ stengünstig hergestellt werden kann. Durch die Ver­ wendung von allgemeinem Baustahl als Kernmaterial ist gewährleistet, daß das Material in verschiedenen For­ men und Abmessungen zu jedem einzelnen Verwendungs­ zweck leicht erhältlich ist. Außerdem kann der Stahl­ kern durch Schweißen hergestellt oder zusammengebaut werden, was besonders vorteilhaft ist, wenn sehr große Kerne hergestellt werden. Wenn für die als Überzug verwendete Legierung eine Zusammensetzung ge­ wählt wird, die im wesentlichen derjenigen von nicht­ rostendem, kohlenstoffarmem, austenitischem Stahl entspricht, wird mit geringen Kosten eine ausreichen­ de Zunderbeständigkeit unter normalen Arbeitsbedin­ gungen erhalten, und der Überzug zeigt sehr wenig Neigung zur Empfindlichkeit.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels näher erläutert, wobei zeigen:

Fig. 1 einen Wärmespeicher in allgemeiner Über­ sicht,

Fig. 2 eine Ansicht des Wärmespeichers gemäß Fig. 1 von hinten,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. 1, und

Fig. 4 eine im Wärmespeicher gemäß Fig. 1 vor­ gesehene Kassette für Heizwiderstände.

In Fig. 1 ist ein Wärmespeicher dargestellt, der typisch an einen (nicht dargestellten) Wärmeaus­ tauscher zur Wärmerückgewinnung angeschlossen ist. Der Wärmespeicher weist einen wärmespeichernden Kör­ per auf, der generell mit 1 bezeichnet wird. Der wär­ mespeichernde Körper 1 ist dadurch gebildet, daß vier im wesentlichen rechteckige Stahlkörper 2 bis 5 ne­ beneinander gestellt sind. Die Stahlkörper 2 bis 5 bestehen aus allgemeinem Baustahl, wie z. B. Fe 52-c (St 52-3), weil dieser Stahltyp kostengünstig und leicht erhältlich und außerdem leicht schweißbar ist. Die Kontaktfläche zwischen den benachbarten Stahlkör­ pern 2 und 3 sowie 4 und 5 weist einen Raum für einen elektrischen Heizwiderstand 6, 7 auf. Der wärmespei­ chernde Körper 1 wird mit elektrischen Widerständen geheizt, mit denen die Temperatur auf etwa 550 bis 750 °C erhöht wird, wobei die typische Arbeitstempe­ ratur etwa 600 °C beträgt. Es ist zu beachten, daß die Temperatur des Körpers 1 deutlich mehr als 750 °C und weniger als 550 °C betragen kann. Über der letzt­ genannten Temperatur zeigen unlegierte Stähle viel Neigung zum Verzundern. Beide Heizwiderstände 6 und 7 sind in einer eigenen Kassette 8 bzw. 9 angeordnet, die als Träger für den Widerstand dient. Die Kasset­ ten 8, 9, deren Konstruktion nachstehend in Verbin­ dung mit Fig. 4 beschrieben wird, stehen in engem thermischem Kontakt mit den Stahlkörpern 2 und 3 so­ wie 4 und 5, und die Heizwiderstände 6, 7 stehen in engem thermischem Kontakt mit den Kassetten 8, 9. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Wärmeübertra­ gung von den Heizwiderständen 6, 7 zu den Stahlkör­ pern 2 bis 5 wirksam ist. Die Heizwiderstände 6, 7 sind mit gestrichelter Linie in dem wärmespeichernden Körper 1 dargestellt. An der Oberfläche des wärme­ speichernden Körpers 1, die mit einem Wärmeträger, in diesem Fall Wasser, in Kontakt steht, ist ein Abdeck­ blech 10 dichtend angeordnet, wobei zwischen dem Ab­ deckblech und der Kontaktfläche ein Wärmeübertra­ gungsraum gebildet ist. Das Abdeckblech 10 weist ei­ nen Einlaß 11 für Wasser und einen Auslaß 12 für Dampf auf. Da die Oberfläche des wärmespeichernden Körpers 1 und des Abdeckblechs 10 von Luft umgeben ist und die Temperatur der Oberfläche einen Wert er­ reicht, bei dem allgemeiner Baustahl oxidiert und verzundert, ist auf die Oberfläche des wärmespei­ chernden Körpers eine zunderbeständige Legierung auf­ gespritzt. Das Abdeckblech 10 muß ebenfalls überzogen werden, falls es aus Stahl besteht, der bei der Be­ triebstemperatur verzundert. Da das Abdeckblech 10 im Hinblick auf den Materialaufwand einen verhältnismäßig kleinen Teil des Wärmespeichers darstellt, könnte das Abdeckblech aus einem zunderbeständigen Material gefertigt werden, wobei es nicht überzogen zu werden braucht. Ein geeignetes Ausgangsmaterial für das Überzugsmaterial ist ein Drahtmaterial oder ein Pul­ ver, dessen Zusammensetzung im wesentlichen der Zu­ sammensetzung eines nichtrostenden, kohlenstoffarmen, austenitischen Stahls vom Typ 18-8 entspricht. Ein niedriges Kohlenstoffgehalt hat sich als ein für das Haftvermögen des Überzugs wichtiges Merkmal erwie­ sen. Der Kohlenstoffgehalt einer wirksamen Mischung beträgt etwa 0,03%. Ein noch niedriger Kohlenstoff­ gehalt wäre wahrscheinlich auch ohne Probleme mög­ lich. Dieser Stahltyp ist leicht erhältlich und sein Preis ist recht mäßig im Vergleich zu vielen anderen Typen von nichtrostendem Stahl oder Superlegierungen. Bei sehr hohen Betriebstemperaturen und/oder unter korrosiven Bedingungen wird anstelle von nichtrosten­ dem Stahl ein Kanthal-Überzug verwendet. Die durch den Wärmeübertragungsraum begrenzten Wände werden nicht überzogen, weil der Wärmeübertragungsraum sauerstofffrei ist.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Wärmespeichers gemäß Fig. 1 von hinten, d. h. von der Seite des Ab­ deckblechs 10.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt nach Linie III-III in Fig. 1. Die Bezugszeichen 13 bis 15 der Zeichnung zeigen Schweißnähte, die die Stahlkörper 2 bis 5 mit­ einander verbinden. In diesem Zusammenhang sei er­ wähnt, daß die Stahlkörper 2 bis 5 nur an der Seite der Kontaktfläche miteinander verschweißt sind, d. h. der wärmespeichernde Körper 1 ist nicht oben, unten oder vorn, d. h. an der Seite der Heizwiderstände 6, 7 geschweißt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Nähte zwischen den Stahlkörpern 2 bis 5 ein bißchen geöff­ net werden können, damit die Kassetten 8, 9 für die Heizwiderstände so eingelegt werden können, daß sie dicht an den Stahlkörpern anliegen. Das Bezugszeichen 17′ in Fig. 1 zeigt ein Verschlußorgan, das mittels Bolzen an den Stahlkörpern 2 bis 5 befestigt ist, um eine Versetzung der Körper auseinander zu verhindern.

Fig. 3 zeigt ferner im Wärmeübertragungsraum untereinander angeordnete Wasserableitbleche 17 bis 20, die dazu dienen, Wasser und Dampf über die ge­ samte Kontaktfläche des wärmespeichernden Körpers 1 auszubreiten. Daher sind die Ableitbleche 17 bis 20 abwechselnd in entgegengesetzter Richtung schräg an­ geordnet. Die Ableitbleche 17 bis 20 sind vorzugswei­ se durch Schweißen an den Stahlkörpern 2 bis 5 befe­ stigt.

Fig. 4 stellt die Kassette 8 dar, die zwischen die Stahlkörper 2 und 3 eingelegt wird. Die Kassette 8 weist zwei plattenförmige Teile 21 und 22 auf, die so geformt sind, daß man nur den inneren Teil 22 zu entfernen braucht, wenn der Heizwiderstand 6 aus dem wärmespeichernden Körper 1 herausgenommen werden soll. Der äußere Teil 21 verbleibt im Körper 1. Die zweiteilige Kassette 8 ist wartungsfreundlich.

Die Erfindung ist vorstehend anhand nur einer bevorzugten Ausführungsform erläutert worden. Es ist zu beachten, daß die Einzelheiten der Erfindung im Rahmen der nachstehenden Patentansprüche in vielen Weisen variiert werden können. Somit ist es möglich, den wärmespeichernden Körper als einen ingot- oder ziegelförmigen Körper auszubilden, der z. B. durch Wärme eines wärmespeichernden Kamins geheizt wird, wobei der wärmespeichernde Körper im Kamin eingebaut ist. In diesem Fall wird der wärmespeichernde Körper gar nicht elektrisch geheizt und der Wärmeträger ist nicht Wasser, sondern Luft oder Gas. Anstelle einer elektrischen Heizung kann eine Öl- oder Gasflamme verwendet werden. Es ist klar, daß man den Kern nicht aus allgemeinem Baustahl zu fertigen braucht, sondern es ist möglich, verschiedene niedriglegierte Stähle und Vergütungsstähle zu verwenden, die überzogen wer­ den. Diese sind aber teurer als allgemeine Baustähle, so daß deren Verwendung eigentlich nicht sinnvoll ist, besonders wenn das Ziel der Erfindung darin be­ steht, einen billigen Körper zu schaffen, der eine große Wärmeaufnahmekapazität aufweist und für hohe Temperaturen geeignet ist. Anstelle des vorgeschla­ genen nichtrostenden, austenitischen Stahls und der Kanthal-Legierung kann der Überzug aus einem anderen zunderbeständigen Material bestehen. Eine geeignete Alternative könnte austenitisch-ferritischer Stahl sein. Ein Kriterium für die Materialauswahl besteht darin, daß die Zunderbeständigkeit und das Haftvermö­ gen des Materials ausreichend sind.

Claims (10)

1. Wärmespeichernder Körper (1) aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kern (2 bis 5) aus Stahl aufweist, auf dessen Oberfläche eine zun­ derbeständige Legierung aufgespritzt ist.

2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern aus allgemeinem Baustahl be­ steht.

3. Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zusammensetzung der als Überzug verwendeten Legierung im wesentlichen der Zusammen­ setzung von nichtrostendem, kohlenstoffarmem, auste­ nitischem Stahl entspricht.

4. Körper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von Stahlkörpern (2 bis 5) ausgebildet ist, die durch Schweißen miteinander verbunden sind.

5. Wärmespeicher mit einem wärmespeichernden Körper (1), dessen eine Fläche mit einem Wärmeträger eine Kontaktfläche bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmespeichernde Körper einen Kern (2 bis 5) aus Stahl aufweist, auf dessen der oxidierenden Atmo­ sphäre ausgesetzten Oberfläche eine zunderbeständige Legierung aufgespritzt ist.

6. Wärmespeicher nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kontaktfläche mit einem Abdeck­ blech (10) bedeckt ist, so daß zwischen dem Abdeck­ blech und der Kontaktfläche ein Wärmeübertragungsraum gebildet ist, der einen Einlaß (11) und einen Auslaß (12) zum Zuführen und Entfernen des Wärmeträgers auf­ weist.

7. Wärmespeicher nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die durch den Wärmeübertragungsraum begrenzten Wände nicht überzogen sind.

8. Wärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmeübertragungsraum unterein­ ander angeordnete Wasserableitbleche (17 bis 20) auf­ weist, die abwechselnd in entgegengesetzter Richtung schräg angeordnet sind.

9. Wärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern von recht­ eckigen Stahlkörpern (2 bis 5) ausgebildet ist, die durch Schweißen miteinander verbunden sind, wobei die Kontaktfläche zwischen zwei benachbarten Stahlkörpern (2, 3 und 4, 5) einen Raum für einen elektrischen Heizwiderstand (6, 7) aufweist.

10. Wärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der an der Kontaktfläche zwischen den Stahlkörpern (2, 3 und 4, 5) gebildete Raum dazu dient, eine Kassette (8, 9) aufzunehmen, die mit den Stahlkörpern und dem elektrischen Heizwiderstand (6, 7) in engem thermischem Kontakt steht und für den Heizwiderstand als Träger dient.