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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der
Temperatur eines zu behandelnden Fluids.
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Genauer
fällt die
Erfindung in den Bereich der Regelung der Temperatur eines Fluids
auf Basis eines in einem Behälter
enthaltenen Materials mit Phasenumwandlung.
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Die
Vorrichtung ist unterschiedslos für Anwendungen, bei denen das
zu behandelnde Fluid gekühlt
oder erwärmt
werden muß,
einsetzbar.
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Im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung ist eine Ausführungsart detailliert beschrieben,
bei der das Fluid gekühlt
werden soll; allerdings handelt es sich nur um eine Anwendung, die
als Beispiel dargestellt ist, und für den Fachmann ist offensichtlich,
Fluide und Fluidtemperaturen zu wählen, die es ermöglichen,
eine Erwärmung
des zu behandelnden Fluids zu erzielen.
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Es
gibt zwei Typen von statischen Vorrichtungen, die zur Kühlung eines
Fluids die von einem PCM bei seiner Umwandlung von der festen in
die flüssige
Phase gespeicherte Energie verwenden.
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Ein
erster Vorrichtungstyp umfaßt
geschlossene Hüllen,
im allgemeinen Rohre, die das Material mit Phasenumwandlung enthalten.
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Ein
zweiter Vorrichtungstyp, auf dem die erfindungsgemäße Vorrichtung
basiert, umfaßt
einen Behälter,
der das Material mit Phasenumwandlung enthält, umfassend eine Verteilerschaltung,
die folgendes ermöglicht:
- – entweder
die Zirkulation eines Kühlfluids
- – oder
die alternative Zirkulation des Kühlfluids und des zu behandelnden
Fluids in der Verteilerschaltung.
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Bei
dieser Vorrichtung ermöglicht
das zirkulierende Kühlfluid
im ersten Schritt, der die Ladephase der Vorrichtung darstellt,
die Bildung von mehr oder weniger unregelmäßigen Eisstücken an der Oberfläche der
Rohre.
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Im
zweiten Schritt, der die Verwendungs- oder Entladephase der Vorrichtung
darstellt, wird das Wasser aus dem Behälter, das mit den Eisstücken in Kontakt
ist, gekühlt
und entweder direkt oder über
einen Wärmetauscher
zur Kühlung
des zu behandelnden Fluids verwendet.
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Dieser
Vorrichtungstyp kann nur auf diskontinuierliche Weise verwendet
werden, d.h. mit Batterie, wobei gewisse Module in Ladephase sind,
während andere
in Verwendungsphase sind.
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Ein
weiterer Nachteil dieses Vorrichtungstyps ist, daß, da das
Kühlfluid
niemals mit dem zu behandelnden Fluid in Kontakt ist, die Wärmeübertragung
nur durch das Material mit Phasenumwandlung erfolgen kann, wodurch
es nicht möglich ist,
die Temperatur des zu behandelnden Fluids rasch zu regulieren, wenn
nicht eine große
Anzahl von Modulen vorhanden ist.
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Ferner
stellt sich bei dem zweiten beschriebenen Vorrichtungstyp das Problem
der Wärmediffusion
des Kühlfluids,
wobei der Wärmeaustausch
tatsächlich
zwischen dem das Kühlfluid
enthaltenden Rohr und dem Material mit Phasenumwandlung sehr schlecht
ist, wenn ein Teil dieses letztgenannten in der Nähe des Rohrs
in Eis umgewandelt wird.
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Über mehrere
Zentimeter Eis hinaus ist nämlich
die Wärmeübertragung
verringert, was die Umwandlung von der flüssigen Phase in die feste Phase des
PCM über
eine gewisse Dicke hinaus verhindert.
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In
der Praxis sind die Konstrukteure somit gezwungen, die Rohre der
Verteilerschaltung nahe beieinander anzuordnen, wodurch es möglich ist,
die Temperatur des Materials mit Phasenumwandlung optimal zu homogenisieren,
wodurch der Zugang zu den inneren Zonen des Rohrbündels am
flüssigen Abschnitt
des PCM, der die Aufgabe der Energieweiterleitung hat, verhindert
wird.
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Das
Dokument
DE-A-19907250 zeigt
eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur eines Fluids, in der
die drei Fluide gleichzeitig vorhanden sein können, was eine große Reaktivität der Vorrichtung ermöglicht.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist, eine Regelungsvorrichtung vorzuschlagen,
die in Abhängigkeit
vom Betriebsmodus der Vorrichtung angepaßt werden kann.
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Die
Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
eines Fluid A.
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Erfindungsgemäß umfaßt die Vorrichtung:
- – einen
Behälter,
der ein Material mit Phasenumwandlung (PCM) enthält,
- – mindestens
zwei Verteilerleitungen, die in dem Behälter angeordnet sind und die
getrennte Zirkulation des Fluids A und eines Fluids B, einem Wärmeenergievektor,
ermöglichen,
- – Mittel
zum thermischen Austausch, die gleichzeitig einen direkten Energietransfer
zwischen den Fluiden A und B und einen indirekten Transfer durch
Wiederherstellung von vom Fluid B übertragener und vom Material
mit Phasenumwandlung gespeicherter Energie ermöglichen,
- – wobei
es Verteilermittel ermöglichen,
die Aufteilung der Verteilerkreise zwischen jedem Fluid (A, B) in
Abhängigkeit
vom Betriebsmodus der Vorrichtung zu verändern.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Regelungsanlage, die eine
Regelungsvorrichtung mit den vorgenannten Merkmalen umfaßt.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher
aus dem Studium der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
hervor, wobei die Beschreibung nur hinweisenden und nicht einschränkenden Charakter
hat und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, in welchen:
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1 eine
Längsschnittansicht
einer Ausführungsart
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
darstellt,
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2 eine
Querschnittansicht der in 1 dargestellten
Ausführungsart
zeigt.
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Hauptsächlich unter
Bezugnahme auf 1 ist zu sehen, daß die Regelungsvorrichtung
einen Behälter 2 umfaßt, der
ein Material mit Phasenumwandlung 3, PCM genannt, enthält.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
hat der Behälter 2 eine
im wesentlichen zylindrische Form mit durch Schweißen oder
Bolzen befestigten Böden.
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Es
handelt sich vorzugsweise um einen Behälter vom Typ Wanne oder parallelflacher
Behälter.
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Allerdings
kann für
die Verwirklichung des Behälters 2 auch
ein nach außen
hin offenes oder nicht offenes Becken verwendet werden.
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Der
Behälter 2 steht
auf Füßen 4 und
umfaßt Öffnungen 5,
die die Einführung
der Fluide A, B und des PCM in den Raum ermöglichen.
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In
diesem Zusammenhang kann das PCM in Zwangszirkulation mit Hilfe
einer Pumpe, die in den beiliegenden Zeichnungen nicht dargestellt
ist, eingeleitet werden.
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Die
Auswahl des PCM hängt
von den für
die Regelungsvorrichtung vorgesehenen Anwendungen ab.
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Es
kann sich insbesondere um ein Material mit Phasenumwandlung handeln,
das flüssig
oder fest ist, beispielsweise aufbereitetes Wasser.
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Hauptsächlich unter
Bezugnahme auf 2 ist zu sehen, daß die Regelungsvorrichtung 1 mindestens
zwei Verteilerleitungen 6, 7 umfaßt, die
in dem Behälter 2 angeordnet
sind und die getrennte und gleichzeitige Zirkulation des Fluids
A und eines Fluids B, einem Wärmeenergievektor,
ermöglichen.
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In 2 ermöglichen
die Verteilerleitungen 6 die Zirkulation eines Fluids A,
während
die Verteilerleitungen 7 die Zirkulation des Fluids B ermöglichen.
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In
dieser Figur ist zu sehen, daß die
Leitungen 6 und die Leitungen 7 alternieren.
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Es
sind Verteilermittel vorgesehen, die es ermöglichen, die Aufteilung der
Verteilerleitungen 6, 7 zwischen jedem Fluid A,
B in Abhängigkeit
vom Betriebsmodus der Regelungsvorrichtung 1 zu verändern.
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Zu
diesem Zweck kann vorgesehen sein, eine größere Anzahl von Verteilerleitungen,
die für die
Zirkulation eines Fluids A vorgesehen sind, als jene, die für die Zirkulation
des Fluids B während
der Entladephasen der Vorrichtung 1 vorgesehen sind, zu
speisen.
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Umgekehrt
ist eine größere Anzahl
von Leitungen 7 bei der Ladephase der Vorrichtung 1 vorgesehen.
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Schließlich kann
vorgesehen werden, daß die
Leitungen 6, 7 aktiv oder nicht sein können, d.h. mit
einem je nach der Verwendung der Vorrichtung 1 zirkulierenden
oder stehenden Fluid A oder B.
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Die
Regelungsvorrichtung 1 umfaßt auch Wärmeaustauschmittel 8,
die gleichzeitig einen direkten Energietransfer zwischen den Fluiden
A und B und einen indirekten Transfer durch Wiedergabe von vom Fluid
B übertragener
und vom Material mit Phasenumwandlung gespeicherter Energie ermöglichen.
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Auf
vorteilhafte Weise sind die Verteilerleitungen 6, 7 von
Rohren 9 und Winkelrohren 10 gebildet, um eine
Schlange zu bilden.
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Vorzugsweise
sind die diese Schlangen enthaltenden Ebenen zueinander parallel.
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Die
Wärmeaustauschmittel 8 umfassen
eine Vielzahl von Rippen 11, die Öffnungen für den Durchgang der Leitungen 6, 7 aufweisen
und an der Außenfläche der
Leitungen 6, 7 befestigt sind.
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Diese
Rippen 11 können
auf die Rohre 9 gefalzt, gelötet oder geschweißt sein,
um den Wärmewiderstand
beim Durchgang der Wärme
zwischen jeder Rippe 11 und jedem Rohr 9 zu minimieren.
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Es
sind auch Blenden 12 vorgesehen, wobei diese letztgenannten
dazu bestimmt sind, den Halt der Verteilerleitungen 6, 7 in
dem Behälter 2 zu
gewährleisten.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß diese Blenden 12,
die die Rohre 9 tragen, zwischen den Rippen 11 angeordnet
sind und die Rohre 9 tragen.
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Bei
einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann vorgesehen sein,
daß die
Innenseite der Rohre 9 Mittel zur Verstärkung des Austausches umfaßt, wobei
diese Mittel von Mikrorippen oder Einsätzen gebildet sein können.
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Die äußeren Rippen 11 sind
vorzugsweise zueinander parallel angeordnet.
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Die
Dicke der Rippen 11 wird in Abhängigkeit von der für die Vorrichtung 1 gewünschten
Reaktivität gewählt.
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So
ist die Dicke der Rippe umso größer, je stärker ein
direkter Transfer zwischen den Fluiden A, B gefördert werden soll.
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Umgekehrt
wird, wenn der indirekte Transfer zwischen den Fluiden A und B gefördert werden
soll, d.h. ein Transfer vom Fluid B zum Material mit Phasenumwandlung
und dann eine Wiedergabe der vom Material mit Phasenumwandlung zum
Fluid A übertragenen
Energie, eine weniger große
Dicke für
jede Rippe 11 verwendet.
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Vorzugsweise
beträgt
die Dicke jeder Rippe 11 zwischen 0,1 und 1 mm.
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Ebenso
kann je nach den Anwendungen ein variabler Abstand zwischen den
Rippen 11 von vorzugsweise zwischen 2 und 20 mm vorgesehen
werden.
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Bei
einer Variante der Erfindung kann vorgesehen sein, daß sich das
Ende der Rippen 11 außerhalb
des Volumens, das von den Konturen der Verteilerleitungen 6, 7 definiert
ist, verlängert.
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Diese
Anordnung ermöglicht
es, den Wärmetransfer
zwischen dem Fluid B und dem PCM, das über das von den Verteilerleitungen 6, 7 definierte Volumen
hinaus angeordnet ist, zu erhöhen.
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Zum
Beispiel sind 60 % bis 70 % des Volumens des PCM des Behälters 2 in
dem von den Konturen der Verteilerleitungen 6, 7 definierten
Volumen enthalten.
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Die
Verlängerung
der Rippen 11 ermöglicht es,
den Wärmetransfer
zu den 30 % bis 40 % des Volumens des PCM, das sich außerhalb
des von den Konturen der Verteilerleitungen 6, 7 definierten
Volumens befindet, zu verbessern.
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Es
ist wichtig, in diesem Bereich anzumerken, daß für die Verbesserung des Konvektionsphänomens in
dem Material mit Phasenumwandlung auch Rührmittel, die in den beiliegenden
Zeichnungen nicht dargestellt sind, vorgesehen werden können, wobei
diese Rührmittel
eine gewisse Zirkulation des Materials mit Phasenumwandlung im Inneren des
Behälters 2 ermöglichen.
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Eine
große
Geometrievielfalt ist für
die Verteilerleitungen 6, 7 verwendbar.
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Rein
exemplarisch können
z.B. Rohre 9 aus Stahl oder aus Kupfer mit Außendurchmessern
von 6,35 bis 25,4 mm bei einer Dicke von 0,3 bis 3 mm verwendet
werden.
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Die
Rippen 11 können
aus Stahl, Kupfer oder Aluminium hergestellt sein, mit einem Lochabstand der
Löcher
für das
Rohr von 16 bis 80 mm.
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Die
Verteilerleitungen 6, 7 sind derart angeordnet,
daß die
Wärmeübertragungen
zwischen den Fluiden A und B und dem Material mit Phasenumwandlung
optimiert werden.
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Bei
einer besonderen Ausführungsart
umfaßt
die Regelungsvorrichtung 1 Mittel 13 zum Messen
der Menge an Material mit Phasenumwandlung in mindestens einer dieser
Phasen.
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Die
Meßhilfsmittel 13 umfassen
einen Druckfühler 14 für ein Gas 15,
das in dem Behälter 2 enthalten
ist, wobei der Druck des Gases 15 in Abhängigkeit
von der Menge an PCM in jeder dieser Phasen variiert.
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Diese
Meßvorrichtung
ermöglicht
es, präzise das
Volumen des Materials mit Phasenumwandlung und folglich seinen Festphasenanteil
zu bewerten.
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Der
Gasbeutel 15 ist am oberen Teil des Behälters 2 angeordnet
und ermöglicht
die Volumenänderung
des Materials mit Phasenumwandlung ohne Schaden für den Behälter 2.
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Die
Meßvorrichtung 13 kann
auch mit einer ergänzenden
Vorrichtung (nicht dargestellt) verbunden werden, die die Temperaturnahme
des Materials mit Phasenumwandlung zwischen den Rippen 11 und
den Erhalt der für
die Berechnung der gespeicherten Energie erforderlichen Informationen
ermöglicht.
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Auf
Grund der Struktur der Regelungsvorrichtung 1 ist der Ladeschritt
einfach im Einsatz.
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Er
beginnt damit, das Kühlfluid
B in den Leitungen 6 in Zirkulation zu bringen, wobei das
Fluid A, dessen Temperatur zu regeln ist, entweder statisch ist
oder mit geringer Geschwindigkeit in den anderen Leitungen 7 zirkuliert.
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Das
Material mit Phasenumwandlung gibt nun seine Wärme durch die Einheit, die
von den Verteilerleitungen 6 und den Rippen 11 gebildet
ist, an das Fluid B ab, um vom flüssigen in den festen Zustand überzugehen.
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Die
Entladephase erfolgt symmetrisch.
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Die
Regelungsvorrichtung ermöglicht
somit ein kontinuierliches Laden dank des gleichzeitigen Vorhandenseins
der Fluide A, B in demselben Wärmetauscher.
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Zahlreiche
Regelungsmöglichkeiten
können somit
kontinuierlich oder diskontinuierlich vorgesehen werden, wobei insbesondere
folgende Parameter geregelt werden:
- – Menge
der Fluide A, B,
- – Anzahl
von A oder B zugeordneten Leitungen,
- – Temperatur
und Beschaffenheit der Fluide A und B.
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Die
Gesamtheit dieser Parameter ermöglicht es,
insbesondere die Menge jeder der Phasen des in dem Behälter 2 vorhandenen
PCM zu verändern,
wodurch die Menge der verfügbaren
Kilokalorien kontinuierlich geregelt werden kann.
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Die
Regelungsvorrichtung 1 ermöglicht es somit, die Variationen
bei der Temperaturregelung des zu behandelnden Fluids A auszugleichen.
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Es
wird nun im Detail ein Funktionsbeispiel der Vorrichtung beschrieben,
bei der am Anfang das gesamte Material mit Phasenumwandlung in seiner flüssigen Form
mit einer Phase des Nullbedarfs für das zu behandelnde Fluid
A vorhanden ist.
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Das
Fluid B ist beispielsweise glykolhaltiges Wasser, das bei –7 °C in den
Wärmetauscher
eingeleitet wird und vom Verdampfer einer Kälteeinheit stammt.
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Das
PCM ist beispielsweise Wasser, dem Anitkorrosionssalze hinzugefügt wurden
und das bei 0 °C
seinen Zustand ändert.
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Das
Fluid A ist beispielsweise rückgeführtes glykolhaltiges
Wasser mit +11 °C
aus einer Klimaschaltung, das auf +6 °C zu bringen ist.
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Das
Fluid B wird in dem Wärmetauscher über Mittel
zum Auslösen
der Zirkulation, wie beispielsweise eine Pumpe, in Zirkulation gebracht.
Die Pumpe, die das Fluid A antreibt, befindet sich im Stillstand.
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Der
Wärmetransfer
erfolgt zuerst zwischen dem Material mit Phasenumwandlung, das in
dem Behälter 2 enthalten
ist, und dem Fluid B durch die Einheit, die von den Verteilerleitungen 7 und
den Wärmeaustauschmitteln 8 gebildet
ist.
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Der
Wärmetransfer
führt einerseits
zur Erhöhung
der Temperatur des Fluids B und andererseits zur Kühlung und
dann zum kontinuierlichen Übergang
vom flüssigen
in den festen Zustand des Materials mit Phasenumwandlung zwischen
den und um die Rippen 11.
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Das
Fluid A kann nun in den Verteilerleitungen 6 in Zirkulation
gebracht werden.
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Der
Wärmetransfer
erfolgt zwischen dem Material mit Phasenumwandlung, das in dem Raum 2 enthalten
ist, und dem Fluid A durch Rohre 9, die den Rippen 11 zugeordnet
sind.
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Dieser
Wärmetransfer
führt einerseits
zur Kühlung
der Temperatur des Fluids A und andererseits zum kontinuierlichen Übergang
vom festen in den flüssigen
Zustand des Materials mit Phasenumwandlung zwischen den und um die
Rippen 11.
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In
Abhängigkeit
vom gewählten
Funktionspunkt wird nun die Menge des Fluids B geregelt.
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Wenn
somit die Menge verringert und die vom Fluid B zugeführte Energiemenge
geringer als die vom Fluid A mitgenommene ist, ist die Menge an festem
PCM gegenüber
der gespeicherten Energiemenge verringert.
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Im
umgekehrten Fall erhöht
sich die Menge an festem PCM.
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Es
ist somit möglich,
systematisch die gespeicherte Energiemenge zu variieren und gleichzeitig
die Kühlfunktion
des Fluids A zu erfüllen.
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Die
Reaktivität
des Systems ist dadurch gegeben, daß die flachen kontinuierlichen
Rippen 11 den Leitungen 6, 7, die die
Fluide A, B enthalten, gemeinsam sind.
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Ein
Teil der Wärme
wird somit durch Leitung über
die Rippen 11 zwischen den Rohren des Fluids A und den
Rohren des Fluids B übertragen.
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Ein
weiterer Teil der übertragenen
Wärme wird
durch die Temperatur der Rippen 11 bestimmt, die mit dem
Material mit Phasenumwandlung in Kontakt stehen.
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Da
es die Regelungsvorrichtung 1 ermöglicht, die Variationen des
Energiebedarfs des zu behandelnden Fluids A auszugleichen und die
Temperatur des Fluids B fein zu regeln, ist es für den Fachmann möglich, Leistungen
der notwendigen Kühleinheit
festzusetzen, die geringer sind als mit herkömmlichen Regelungsvorrichtungen,
bei denen Ladephasen auf Entladephasen folgen.
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Natürlich kann
der Fachmann die Vorrichtung auch in Abhängigkeit von der Größe des Speichersystems
und der Reaktivität
des Wärmetauschers
anpassen, wobei insbesondere die folgenden Parameter verändert werden:
- – Typ
der Zirkulationsleitungen,
- – Größe und Anordnung
der Leitungen 6, 7,
- – Typ
der Rippen 11,
- – Abmessungen
und Abstand der Rippen 11.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch die Anlage zur Regelung der
Temperatur eines Fluids A, umfassend eine Regelungsvorrichtung 1,
wie erwähnt,
einen Verdampfer einer Kühleinheit,
in dem ein Fluid B, das mit der Regelungsvorrichtung 1 verbunden
ist, oder direkt das zu verdampfende Kühlfluid, das mit der Regelungsvorrichtung 1 verbunden
ist, zirkuliert, ein Verteilernetz des Fluids A und Anschlußmittel
zwischen dem Netz, in dem das Fluid A zirkuliert, und der Regelungsvorrichtung 1.
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Natürlich könnten weitere
Ausführungsarten, die
in Reichweite des Fachmanns liegen, vorgesehen werden, ohne über den
durch die nachstehenden Ansprüche
definierten Rahmen der Erfindung hinauszugehen.