DE69706970T2 - Kältespeicher - Google Patents

Kältespeicher

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kältespeicher und auf ein Verfahren zum Betrieb dieses Speichers und das darin besteht, eine Kältemasse zu speichern und diese wieder abzugeben.
  • Es sind Kältespeichersysteme bekannt, die von Rohrbündelspeicher gebildet sind, deren Rohre in Klarwassertanks eingetaucht sind. Der Betrieb solcher Speicher verlangt die Verwendung wenigstens zweier dynamischer Flüssigkeiten: eine Primärflüssigkeit, die in den Rohren zirkuliert, und eine Sekundärflüssigkeit, die außerhalb der Rohre und um diese herum zirkuliert.
  • Im "Aufnehm"-Betrieb des Speichers läßt man die von einer Kühlgruppe stammende Primärflüssigkeit einer Temperatur unter 0º im Inneren der Rohre der Bündel zirkulieren, um mit Hilfe der Sekundärflüssigkeit, die außerhalb der Rohre zirkuliert, eine Eisschicht um diese Rohre zu erzeugen.
  • Im "Abgabe"-Betrieb hält man die Kühlgruppe an, und das Schmelzen der um die Rohre erzeugten Eisschicht kühlt die Sekundärflüssigkeit, die dank einer Pumpstation zu den Einsatzpunkten geleitet wird.
  • Diese sehr verbreitete Technologie hat den Nachteil, daß sie zwischen jedem "Aufnehm/Abgabe"-Zyklus die vollständige Entladung des Speichers verfangt, d. h. das Schmelzen allen Eises, das um die Rohre erzeugt worden ist. Im Falle eines unvollständigen Abschmelzens bildet eine Resteisschicht, auch wenn sie dünn ist, nämlich eine beachtliche isothermische Abschirmung, die den Wärmetausch zwischen den Primär- und Sekundärflüssigkeiten beeinträchtigt. Daher kann kein angemessener Wärmeübergang erzielt werden, und eine neue Phase der Eisbildung kann nicht beginnen. Auch ist es unmöglich, in den meisten Fällen den Wärmebedarf im voraus mit Genauigkeit anzugeben; andererseits muß das Abschmelzen des Eises vollständig sein, damit keine irreversiblen Beschädigungen an den Kühlgruppen hervorgerufen werden.
  • Der unregelmäßige Betrieb dieser Geräte macht es notwendig, einen dritten Kühlkreis hinzuzufügen, um eine gewisse Konstanz im Prozeß aufrechtzuerhalten. In dem Maße, wie das Eis schmilzt, vermindert sich der Querschnitt der Rohre des Bündels, der Durchmesser "Rohr + Eis", und beeinflußt die Ergebnisse. Die Verminderung der Aufnahme und die Wärmetauschflächen der Sekundärflüssigkeit, die das Bündel durchquert, variieren beachtlich zwischen dem Beginn und dem Ende des Kühlzyklus.
  • Darüber hinaus muß die Sekundärflüssigkeit im "Aufnehm"-Betrieb ständig sauerstoffhaltig sein, um eine homogene und regelmäßige Eisbildung um die Rohre zu ermöglichen.
  • Die Tatsache der obligatorischen Verwendung zweier dynamischer Flüssigkeiten, einer Primär- und einer Sekundärflüssigkeit, sowie eines dritten zusätzlichen Kreises, um eine gewisse Konstanz im Prozeß aufrechtzuerhalten, und schließlich eines vierten Kreises zum Anreichern der Sekundärflüssigkeit mit Sauerstoff verlangt beachtliche Aufwendungen sowie komplexe Technologien zum Steuern des Betriebs des Systems.
  • Unter Investitionsgesichtspunkten können diese notwendigen Technologien sehr oft den Nutzen beseitigen, die die Kältespeicherung durch die Speicherung von Eis darstellt.
  • Diese bekannten Systeme können darüber hinaus wegen der unverzichtbaren Sauerstoffanreicherung während der Eiserzeugungsphase nicht direkt mit einer unter Druck stehenden Sekundärflüssigkeit verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung hat nicht nur zum Ziel, die Nachteile dieser bekannten Systeme zu beseitigen, sondern auch eine Nettoverbesserung der Kapazität (größere Eismasse pro m³ Volumen) und der Leistung (m² Wärmetauschfläche) sowie eine extreme Vereinfachung des Betriebs zu erzielen.
  • Daher hat die Erfindung als Hauptziel einen Kältespeicher des Typs mit einer Gruppe Speicherrohre, die in einem isothermen Behältnis angeordnet sind, wobei diese Rohre im Abstand angeordnet und im wesentlichen parallel zueinander gehalten sind, jedes Rohr der Gruppe an seinen Enden verschlossen ist und eine ruhende Primärflüssigkeit enthält, die in der Lage ist, sich in Eis umzuwandeln, wenn sie durch ein sekundäres Kühlfluid abgekühlt wird, und/oder eine Sekundärflüssigkeit, nämlich Gebrauchsflüssigkeit, zu kühlen, wobei das Fluid und/oder die Sekundärflüssigkeit zwischen den Rohren außerhalb derselben zirkuliert, die Zirkulation in dem Behältnis des Sekundärprodukts oder der zwei Sekundärprodukte zwischen einem Einlaß und einem Auslaß verläuft, die an zwei gegenüberliegenden Enden des Behältnisses angeordnet sind, wobei der Speicher dadurch gekennzeichnet ist, daß (a) jedes Rohr an jedem seiner zwei Enden durch eine konkave Innenwand verschlossen ist, (b) jedes Rohr einen Ausdehnungsraum zwischen der Primärflüssigkeit und seiner zylindrischen Wand freiläßt, und (c) jedes Rohr in dem Behältnis horizontal angeordnet ist.
  • Gemäß einer ersten, besonders vorteilhaften Konstruktion ist jede Endwand eines Speicherrohres halbkugelig. Immer gemäß einer vorteilhaften Konstruktion sind die Speicherrohre in dem Behältnis quer zur Zirkulationsrichtung des Sekundärprodukts oder der zwei Sekundärprodukte angeordnet.
  • Einer bevorzugten Ausführungsform sind die Speicherrohre derart angeordnet, daß sie übereinanderliegende und voneinander beabstandete Schichten bilden, wobei die Rohre einer Schicht gegenüber denen der anderen in Querreichtung derart versetzt sind, daß das Sekundärprodukt gezwungen ist, durch die Zwischenräume in einer zick-zack-förmig verlaufenden Bahn um die Rohre von einer Schicht zur anderen zu zirkulieren.
  • Die ruhende Primärflüssigkeit, die in jedem Rohr enthalten ist, kann beispielsweise Wasser, mit Kochsalz versetztes Wasser oder eine andere eutektische Lösung sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Konstruktion ist die Wand eines jeden Rohres metallisch. Gemäß einer noch weiteren Variante kann das isothermische Behältnis verschlossen sein, so daß das verwendete sekundäre Kühlfluid ein Gas ist.
  • Aus den Patenten US-A-4 388 963 und US-A-4 856 296 ist es bekannt, Wärmespeicheranlagen und Kältespeicheranlagen, insbesondere zum Zwecke der Klimatisierung, zu realisieren, die Rohrbatterien verwenden, die an jedem ihrer zwei Enden durch eine Innenwand verschlossen sind, die im wesentlichen konkav ist, wobei jedes dieser Rohre eine Flüssigkeit, wie Wasser, einschließt, das warm oder kalt sein kann, je nach Bestimmung der Anlage, sogar auch Eis sein kann.
  • Indessen besteht jedes dieser Rohre aus Kunststoff, ein Material, von dem man weiß, daß der in Kcal/m/ºK angegebene Wärmeleitkoeffizient in einer Größenordnung liegt, die 200 mal geringer als die von Metallen und insbesondere von Stahl ist.
  • Die bekannten Rohre aus den zwei vorgenannten Druckschriften zum Stand der Technik sind daher nicht dazu geeignet, die gleiche Rolle zu übernehmen, wie das Rohr, das Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, nämlich darauf zu achten, daß sich der Zustand der ruhenden Primärflüssigkeit, die dieses Rohr enthält, sich so schnell wie möglich beim Übergang vom flüssigen Zustand in den festen Zustand beim "Aufnehm"-Betrieb zu verändern, und umgekehrt im "Abgabe"-Betrieb, um eine größtmögliche Kühlkapazität der außerhalb des Rohres nach der Erfindung befindlichen Sekundärflüssigkeit zu bieten, selbst an Punkten, die Kühlbedarf haben.
  • Um ein solches Ziel zu erreichen, ist es außerordentlich vorteilhaft, wenn das Material, aus dem jedes Rohr besteht, den Wärmeübergang begünstigt, was bei Kunststoffmaterialien nicht der Fall ist.
  • Vorzugsweise hat jedes der Rohre nach der Erfindung einen Durchmesser von etwa 10 cm und eine Länge, die zwischen etwa 1 m und etwa 6 m liegt.
  • Die vorliegende Erfindung hat als zweites Ziel ein Verfahren zum Speichern einer Kühlmenge und zur Abgabe der Kühlmenge mit Hilfe eines Speichers nach der Erfindung, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Zirkulieren eines Sekundärfluids zwischen den horizontal angeordneten Rohren außerhalb derselben, um die in jedem Rohr enthaltene primäre Kühlflüssigkeit zu kühlen, und/oder Zirkulieren einer Sekundärflüssigkeit, nämlich einer Gebrauchsflüssigkeit, zwischen den horizontalangeordneten Rohren außerhalb derselben, um die sekundäre Gebrauchsflüssigkeit durch die Wirkung der ruhenden Primärflüssigkeit zu kühlen.
  • Vorteilhafter verläuft gemäß diesem Verfahren die Zirkulation des Sekundärkühlfluids und/oder des sekundären Gebrauchsfluids zwischen den Rohren quer zur Hauptrichtung, in der sich die genannten Rohre erstrecken.
  • In einer anderen, besonders interessanten Ausführungsform dieses Verfahrens sind das Sekundärfluid und die sekundäre Gebrauchsflüssigkeit, die zwischen den Rohren zirkuliert, ein selbes und einziges Fluid, und ein Verteiler regelt die Zirkulation des einzigen Fluids in den Betriebsarten "Aufnehmen", "Abgeben" oder "Gemischt".
  • Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gegeben wird, die beispielhaft und nicht einschränkend mehrere Ausführungsformen zeigen:
  • Fig. 1 ist eine schematische Axialschnittdarstellung eines Speichenohres, das Teil des Speichers nach der Erfindung ist.
  • Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung des Speichers nach der Erfindung, der eine Gruppe von Speicherrohren der in Fig. 1 gezeigten Art verwendet, wobei diese Rohre in Draufsicht gezeigt sind.
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung in vergrößertem Maßstab des Speicherrohres von Fig. 1 beim Schmelzen der erstarrten Flüssigkeit.
  • Fig. 4 ist ein Flußschema eines Systems zum Kühlen eines Fluids mittels eines Speichers nach der Erfindung mit der Möglichkeit einer Funktion im "Aufnehm"-, "Abgabe"- oder "Gemischt"-Betrieb.
  • Jedes Speicherrohr 1 des Speichers A nach der Erfindung umfaßt gemäß Fig. 1 eine Wand 2, beispielsweise eine metallische Wand, und enthält eine ruhende Flüssigkeit 3, beispielsweise Wasser oder auch mit Kochsalz versetztes Wasser oder jeder andere eutektische Lösung, die in der Lage, zu erstarren, wenn das Speicherrohr 1 einem Kühlfluid einer Temperatur unter 0º ausgesetzt wird.
  • Das Speicherrohr 1 ist zylindrisch und ist an jedem Ende 4, 5 durch eine innen konkave, beispielsweise halbkugelige, Wand verschlossen. Zwischen der ruhenden Flüssigkeit 3 und der zylindrischen Wand des Speicherrohrs 1 ist ein Ausdehnungsraum 1a freigelassen. In horizontaler Lage des Speicherrohrs 1 bilden der genannte Ausdehnungsraum 1a und die im Inneren konkaven (beispielsweise halbkugeligen) Wände 4, 5 eine Einrichtung zur Kompensation des Ausdehnungeffekts der ruhenden Flüssigkeit 3 bei der Erstarrung.
  • Der Speicher A nach der Erfindung, der in Fig. 2 dargestellt ist, enthält eine kompakte Gruppe 6 aus Speicherrohren 1, die in Querrichtung auf gegenseitigen Abstand und im wesentlichen parallel zueinander gehalten sind, und sie bilden so Rohrschichten 7, 8 und 9. Diese Schichten sind ihrerseits derart angeordnet, daß die Rohre von einer Schicht zur anderen gegeneinander versetzt sind, wie dargestellt. Die Rohre 1 erstrecken sich senkrecht zur Zeichnungsebene.
  • Diese Gruppe 6 aus Speicherrohren 1 ist in einem isothermen Behältnis 10 angeordnet, das ein Kühlfluid 11 mit einer negativen Temperatur enthält, in das die Rohre eingetaucht sind. Ein Eingang 12 und ein Ausgang 13 sind oberhalb bzw. unterhalb des Behältnisses 10 vorgesehen, um das Kühlfluid 11 vom Eingang 12 zum Ausgang 13 zwischen den Zwischenräumen zwischen den Speicherrohren 1 der Gruppe 6 und um diese Rohre 1 herum zirkulieren zu lassen, die in dem Behältnis durch geeignete Einrichtungen gehalten sind. Man erkennt, daß wenn das Fluid 11 ein Gas ist, das Behältnis verschlossen sein muß. Wenn dieses Fluid 11 eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser ist, muß diesem selbstverständlich ein Gefrierschutzmittel hinzugefügt sein. Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung der Rohre zwingt das Fluid 11, zwischen den Rohrschichten 1 zick-zack-förmig zuströmen, wie durch die Pfeile angedeutet ist, in direkter Berührung mit diesen Rohren 1, was den Wärmetausch merklich verbessert.
  • Der soeben beschriebene Speicher A funktioniert wie folgt.
  • Im "Aufnehm"-Betrieb sind der Eingang 12 und der Ausgang 13 mit einer Kühlgruppe verbunden, und man läßt im Behältnis das Fluid 11 negativer Temperatur zirkulieren. Die ruhende Flüssigkeit 3 kühlt sich ab, sie geht vom flüssigen Zustand in den festen Zustand über und verwandelt sich in Eis, vom Rand des Rohres ausgehend bis zum Kern. Der Speicher A ist dann dazu bereit, eine Gebrauchsflüssigkeit zu kühlen, die man zwischen den Zwischenräumen zwischen den Rohren 1 und um die Rohre herum zirkulieren läßt, wobei die Kühlung des Gebrauchsfluides durch die dem Eis innewohnende Schmelzwärme erzielt wird.
  • Im "Abgabe"-Betrieb sind der Eingang 12 und der Ausgang 13 mit einer äußeren Anlage zur Verwendung des Fluides 11 verbunden, um diese Anlage zu kühlen. Das Schmelzen des Eises im Inneren der Speicherrohre 1 liefert die zu diesem Zweck notwendige Kühlleistung. Dieses Schmelzen beginnt am Rand des Speicherrohres und setzt sich in Richtung auf die Mitte fort.
  • Im "Gemischt"-Betrieb sind der Eingang 12 und der Ausgang 13 gleichzeitig mit der Kühlgruppe und der äußeren Gebrauchsanlage verbunden. Die Kälteerzeugung fügt sich somit der "Abgabe" der Rohrgruppe hinzu, was die verfügbare Gesamtkühlleistung beachtlich steigert. Diese Simultanfunktion ist nur aufgrund der Tatsache möglich, daß das Schmelzen und das Erstarren im Inneren des Speicherrohres parallel erfolgen, d. h. von außen am Rohr nach innen in den Kern des Rohres.
  • Das Schema der Fig. 4 zeigt sehr gut eine solche Funktion im "Gemischt"-Betrieb.
  • Das in Fig. 4 dargestellte System enthält einen Speicher A nach der Erfindung, der einerseits mit einer Kühlgruppe 15 durch die Leitungen 16 und 17 und andererseits mit einer oder mehreren äußeren Gebrauchsanlagen 22 über die Leitung 17-18 und 19-16 verbunden ist.
  • Ein Verteiler 20 regelt die Zirkulation in den verschiedenen Leitungen, und eine Pumpe 21 ermöglicht es, das Fluid 11 in die verschiedenen Leitungen zu drücken.
  • Man erkennt, daß man mit Hilfe des Verteilers 20 das System allein im "Aufnehm"-Betrieb, allein im "Abgabe"-Betrieb oder in beiden gleichzeitig, d. h. im "Gemischt"-Betrieb arbeiten lassen kann. Diese drei Betriebsarten sind durch die in dem Schema der Fig. 4 enthaltenen Pfeile angegeben.
  • Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf.
  • Die ruhende Flüssigkeit 3 ist beim dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die geschlossenen Rohre von der Kühlflüssigkeit im "Aufnehm"-Betrieb und von dem im "Abgabe"-Betrieb zu kühlendem Fluid isoliert. Daher ist die Leistung des Speichers bis zum vollständigen Schmelzen des Eises in den Rohren konstant, die Güte des Wärmetauschs bleibt konstant, solange wie Eis in diesen Rohren vorhanden ist.
  • Das Schmelzen der erstarrten Flüssigkeit vollzieht sich von außen nach innen in den Rohren, und das Erstarren der Flüssigkeit vollzieht sich in dergleichen Richtung. Aufgrund dieser Tatsache ist es tatsächlich möglich, den Speicher jederzeit auf einfache und homogene Weise "aufzuladen", selbst im Verlaufe eines "Abgabe"-Zyklus, indem man die Kühlgruppe gleichzeitig einsetzt. Dieses stellt eine sehr große Kühlleistung dar, die dem Benutzer jeder Zeit zur Verfügung steht, um Punkte mit Kühlbedarf zu versorgen.
  • Die Form der Rohre, im Querschnitt rund und langgestreckt, ergibt die größte Flüssigkeitsmasse, die für ein einem Speicher zu gewiesen ist, gegebenes Volumen gefrierbar ist. Beispielsweise können diese Rohre einen Durchmesser von etwa 10 cm und eine Länge zwischen etwa 1 m und 6 m oder mehr haben.
  • Die Form der Rohre und ihre Anordnung ergeben den besten Wärmetausch zwischen den Rohren und dem umgebenden Fluid, wobei ein minimaler Verlust an Ladung und Konstanz des Fluides hingenommen werden muß, das außerhalb der Rohre zirkuliert. Die Tatsache, daß die Rohre verschlossen sind und keinerlei Notwendigkeit besteht, sie an irgendein Netz anzuschließen, erleichtert den Entwurf und die Realisierung eines Kühlsystems mit Speicher. Der Kältebedarf bestimmt einfach die Anzahl und die Länge der zu installierenden Rohre. Die Herstellung und die Montage der Rohre sind sehr einfach und erlauben alle vorstellbaren Konfigurationen.
  • Die Erstellung eines Speichers nach der Erfindung und seine Verbindung mit einer Anlage zum Gebrauch des Fluids 11 sind sehr einfach, da ein einziger Kreislauf erforderlich ist, da das Verfahren mit einem einzigen dynamischen Fluid funktioniert.
  • Dieses Fluid 11 kann eine Flüssigkeit sein, die ein Gefrierschutzmittel enthält.
  • Die Erfindung kann in vielen Varianten ausgeführt werden, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims (11)

1. Kältespeicher, enthaltend eine Gruppe (6) Speicherröhre (1), die im Abstand angeordnet und im wesentlichen parallel zueinander gehalten sind, wobei jedes Rohr (1) der Gruppe an seinen Enden (4, 5) verschlossen ist und eine ruhende Primärflüssigkeit (3) enthält, die in der Lage ist, sich in Eis umzuwandeln, wenn es durch ein sekundäres Kühlfluid abgekühlt wird, und/oder eine Sekundärflüssigkeit, nämlich Gebrauchsflüssigkeit, zu kühlen, wobei das Fluid und/oder die Sekundärflüssigkeit zwischen den Rohren (1) außerhalb derselben zirkuliert und die Zirkulation in dem Behältnis (10) des Sekundärprodukts (11) oder der zwei Sekundärprodukte (11) zwischen einem Einlaß (12) und einem Auslaß (13) verläuft, die an zwei gegenüberliegenden Enden des Behältnisses angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) jedes Rohr an jedem seiner zwei Enden (4, 5) durch eine konkave Innenwand verschlossen ist,
(b) jedes Rohr einen Ausdehnungsraum (1a) zwischen der Primärflüssigkeit (3) und seiner zylindrischen Wand (2) freiläßt, und
(c) jedes Rohr in dem Behältnis (10) horizontal angeordnet ist.
2. Speicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Endwand (4, 5) eines Speicherrohres (1) halbkugelig ist.
3. Speicher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherrohre (1) in dem Behältnis (10) quer zur Zirkulationsrichtung des Sekundärproduktes oder der zwei Sekundärprodukte (11) angeordnet sind.
4. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherrohre (1) derart angeordnet sind, daß sie übereinanderliegende und voneinander beabstandete Schichten bilden, wobei die Rohre quer von einer Schicht gegenüber der anderen derart versetzt sind, daß das Sekundärprodukt (11) gezwungen ist, durch die Zwischenräume in einer zick-zack-förmig verlaufenden Bahn um die Rohre (1) von einer Schicht zur anderen zu zirkulieren.
5. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ruhende Primärflüssigkeit (3), die in jedem Rohr (1) enthalten ist, Wasser, mit Kochsalz versetztes Wasser oder eine andere eutektische Lösung ist.
6. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand (2) eines jeden Rohres (1) metallisch ist.
7. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das isothermische Behältnis (10) verschlossen ist, so daß das verwendete Kühlfluid (11) ein Gas ist.
8. Speicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes seiner Rohre einen Durchmesser von etwa 10 cm und eine Länge in der Größenordnung von 1 bis 6 m aufweist.
9. Verfahren zum Speichern einer Kühlmenge und zur Abgabe der Kühlmenge mit Hilfe eines Speichers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß es umfaßt:: Zirkulieren eines sekundären Kühlfluids (11) zwischen den horizontal angeordneten Rohren (1) außerhalb derselben, um die in jedem Rohr enthaltene primäre Kühlflüssigkeit (3) zu kühlen, und/oder Zirkulieren einer Sekundärflüssigkeit (11), nämlich Gebrauchsflüssigkeit, zwischen den horizontal angeordneten Rohren (1) außerhalb derselben, um die sekundäre Gebrauchsflüssigkeit durch die Wirkung der ruhenden Primärflüssigkeit zu kühlen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation des Sekundärkühlfluids (11) und/oder des sekundären Gebrauchsfluids (11) zwischen den Rohren (1) quer zur Hauptrichtung verläuft, in der sich die genannten Rohre erstrecken.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärkühlfluid (11) und die sekundäre Gebrauchsflüssigkeit (11), die zwischen den Rohren (1) zirkuliert, ein selbes und einziges Fluid sind, und daß ein Verteiler (20) die Zirkulation des einzigen Fluides in den Betriebsarten "Aufnehmen", "Abgeben" oder "Gemischt" regelt.
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