DE69928036T2

DE69928036T2 - Klimaanlage mit Eisspeicherung und Eisbehälter

Info

Publication number: DE69928036T2
Application number: DE69928036T
Authority: DE
Inventors: Masao Niihari-gun Imanari; Toshihiko Fukushima; Toshio Hatada; Katsumi Matsubara; Naoto Katsumata
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1999-02-17
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2019-02-18
Also published as: EP0942239B1; ES2248934T3; EP0942239A2; JPH11257692A; CN1229898A; US6101837A; CN1174193C; DE69928036D1; EP0942239A3; JP3353692B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Eis-Thermospeicherbehälter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eisherstellungsverfahren in Klimaanlagen in Eis-Thermospeicherbauweise umfassen zwei Arten, ein statisches und ein dynamisches Verfahren. Bei dem statischen Verfahren bildet sich eine Vereisung und wächst Eis auf der Oberfläche einer Wärmeübertragungseinheit oder -einheiten, die in einem Thermospeicherbehälter so vorgesehen sind, dass ein Problem verursacht wird, nämlich dass der Wärmeübertragungswiderstand mit zunehmender Dicke des Eises zunimmt und so der Wirkungsgrad der Eisherstellung abnimmt. Bei dem dynamischen Verfahren wird ein Kühlmedium mit niedriger Temperatur und geringem Druck in den Innenraum einer Wärmeübertragungseinheit oder von Wärmeübertragungseinheiten strömen gelassen, die am Boden eines Eis-Thermospeicherbehälters zur Herstellung von Eis vorgesehen sind, wonach ein Kühlmedium mit hoher Temperatur und hohem Druck strömen gelassen wird, um das gebildete Eis von der Oberfläche der Wärmeübertragungseinheit abzuschälen, so dass Eisstücke zum oberen Teil des Thermospeicherbehälters aufgrund ihres Auftriebs hochkommen können und Kälte in Form von Eis in dem Thermospeicherbehälter gespeichert wird. Ein Beispiel des bekannten dynamischen Verfahrens ist in der japanischen offen gelegten Patentveröffentlichung 42878/1996 offenbart.
Der Stand der Technik der vorstehenden Veröffentlichung präsentiert eine Lösung im Hinblick auf eine Unterdrückung einer Zunahme des thermischen Widerstands, die von der Eisbildung begleitet wird, und auf die Vergrößerung der Eisfüllungsrate für ein Wasservolumen in dem Behälter. Da als Wärmeübertragungseinheit am Boden des Eis-Thermospeicherbehälters ein Plattenverdampfer vorgesehen ist, ergibt sich das Problem, dass die Eisfüllungsrate pro Behälterraum in dem Eis-Thermospeicherbehälter (der Wert der Besetzung) abnimmt. Außerdem ergibt sich aufgrund der Abschälung des Eises von der Wärmeübertragungseinheit, die zu bestimmten Betriebsperioden ein Verdampfer wird, das Problem, dass sich das umgebende Wasser erwärmt.
Die US-A-3 766 752 beschreibt eine Kälteerzeugungsvorrichtung mit einer Kältespeichereinrichtung, welche eine Speichermasse enthält, die bei einer Temperatur über 0°C und unter 8°C kristallisiert. Die Speichermasse steht in guter Wärmeleitungsverbindung mit dem Verdampfer der Kälteerzeugungsvorrichtung. Mit der Speichermasse steht Wasser aus dem Kaltwasserkreislauf einer Klimaanlage in thermischem Kontakt, so dass Wärme von dem Wasser auf die Speichermasse übertragen werden kann. Die Speichermasse bildet ein Hydrat eines ionogenen Materials. Die Speichermasse ist in dünnwandigen, sich vertikal erstreckenden Behältern angeordnet, die aus dünnen, flexiblen Rohren bestehen und eine Einheit mit den Kanälen des Verdampfers bilden, die von einer doppelwandigen Platte aus Metallblech gebildet werden. Die Platten aus Metallblech sind in einem Behältnis nebeneinander und in der Höhe relativ versetzt angeordnet, so dass über und unter den Platten Kanäle gebildet werden, die sich gesehen im rechten Winkel zu den Platten aus Metallblech verjüngen.
Die US-A-2 460 623 beschreibt den Stand der Technik der gattungsgemäßen Art, der sich auf einen Behälter zur Erzeugung und zum Speichern von Eis bezieht, das die Temperatur des Kühlfluids einer Klimaanlage verringert. Eine in dem Behälter angeordnete Kühleinheit weist eine Vielzahl von beabstandeten Platten auf, die aus zwei Metallblechen hergestellt sind, zwischen denen Kühlgasschlangen angeordnet sind. Das Einlassende einer jeden Schlange ist mit einem oberen Sammler, das Auslassende mit einem unteren Sammler verbunden. Die Platten werden von Verbindungen und Federn gehalten, um eine Bewegung innerhalb eines freien Raums unter dem Druck des gebildeten Eises zu ermöglichen. Zwischen den Platten der Kühleinheit ist eine Vielzahl von Wärmestreukörpern so angeordnet, dass sie die Platten über Flansche berühren. Jeder Streukörper ist mit Schlitzen versehen, um die Wasserzirkulation zu ermöglichen. Über der Kammer sind Sprühköpfe angeordnet, die auch dazu verwendet werden können, die Kammer mit Wasser zu füllen. Das Kühlgas wird durch die Schlangen geführt und senkt die Temperatur des Wassers auf dessen Gefrierpunkt durch Wärmeübergang durch die Platten. Wenn die Eisbildung auf den Oberflächen der Platten als Isolation wirkt, da Eis ein schlechter Wärmeleiter ist, wirken die Streukörper so, dass die Wärme über das Wasser, das zwischen den Platten liegt, verteilt wird, mit dem Ergebnis, dass sich um die Kühleinheit herum eine feste Eismasse bildet. Dieses Eis steht zur Verfügung, um das Wasser aus den Sprühköpfen zu empfangen und seine Temperatur zu reduzieren, bevor es durch ein Rohr zu Wärmeaustauscheinheiten der Klimaanlage umgewälzt wird.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Eis-Thermospeicherbehälter bereitzustellen, bei dem unbenutzte Abschnitte, die nicht zur Eisbildung in dem Thermospeicherbehälter beitragen, reduziert werden, so dass die Eisfüllrate des Eis-Thermospeicherbehälters verbessert oder eine Beschädigung der Wärmeübertragungseinheit aufgrund übermäßiger Eisbildung verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, wie er im Patentanspruch 1 beschrieben ist, wobei Ausführungsformen von ihm Gegenstände der Unteransprüche 2 bis 5 sind.
Bei einer solchen Anordnung haben die Wärmeübertragungseinheiten in flacher Plattenbauweise, die als Verdampfer dienen, im Wesentlichen eine Größe, die im Wesentlichen der Höhe eines Behältnisses des Eis-Thermospeicherbehälters entspricht, und sind in Dickenrichtung in dem Eis-Thermospeicherbehälter geschichtet angeordnet, um für die Eisbildung nicht nutzbare Spalte als unbenutzte Abschnitte in dem Eis-Thermospeicherbehälter zu beseitigen, so dass die Eisfüllrate gesteigert werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, der Wasser im Wesentlichen bis zu einer Höhe seines Behältnisses und in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnete Wärmeaustauscher enthält, wobei der Behälter eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise aufweist, die in Dickenrichtung in dem Eis-Thermospeicherbehälter geschichtet angeordnet sind, um die Eisbildung zu ermöglichen, damit Eis auf den Oberflächen der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise gebildet und wachsen gelassen wird.
Somit haben die Wärmeübertragungseinheiten, die zum Zeitpunkt der Eisbildung als Verdampfer dienen, eine flache Plattenbauweise für eine geschichtete Anordnung in ihrer Dickenrichtung, wobei Eis auf den Oberflächen der jeweiligen Wärmeübertragungseinheiten so wachsen gelassen wird, dass gebildetes Eis in der Dicke trotz der Eisbildung nach dem statischen Verfahren nicht mehr als erforderlich zunimmt und der Wärmeübertragungswiderstand gering gehalten werden kann. Spalte, die für die Eisbildung als unbenutzte Abschnitte nicht nutzbar sind, sind beseitigt, so dass die Eisfüllrate erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, der Wasser im Wesentlichen bis zu einer Höhe seines Behältnisses und in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnete Wärmeaustauscher enthält, wobei der Behälter 20 bis 60 Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise mit einer Dicke von 3 bis 10 mm aufweist, die geschichtet in ihrer Dickenrichtung in Abständen von 10 bis 50 mm in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnet sind und auf den Oberflächen der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise Eis gebildet und wachsen gelassen wird.
Somit sind beispielsweise bei einem zylinderförmigen Eis-Thermospeicherbehälter Spalte, die für die Eisbildung als unbenutzte Abschnitte nicht verwendbar sind, reduziert, wodurch die Eisfüllrate auf ein Ausmaß von 87% gegenüber etwa 65% beim Stand der Technik erhöht werden kann.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, der Wasser im Wesentlichen bis zu einer Höhe seines Behältnisses und einen in dem Eis-Thermospeicherbehälter vorgesehenen Wärmeaustauscher enthält, in dem ein Kühlmedium strömen kann, wobei der Behälter eine Vielzahl von Wärmeübertragungseinheiten in flacher Plattenbauweise aufweist, die in ihrer Dickenrichtung in dem Eis-Thermospeicherbehälter geschichtet angeordnet sind, und zum Zeitpunkt der Eisbildung das Kühlmedium an unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise einströmt und an oberen Abschnitten der Einheiten abfließt.
Somit strömt das Kühlmedium an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in flacher Plattenbauweise ein, so dass die Eisbildung an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise beginnt und während des Eisbildungsprozesses das Wasser nicht eingeschlossen wird, sondern entweicht und zu den oberen Abschnitten der Einheiten gelangt. Deshalb sind für die Eisbildung nicht nutzbare Abschnitte beseitigt, was die Eisfüllrate erhöht, und werden Schäden an den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise vermieden, die ein Teil des eingeschlossenen Wassers dann beim Frieren und Ausdehnen verursachen würde.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, der Wasser im Wesentlichen bis zu einer Höhe seines Behältnisses und in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnete Wärmeaustauscher enthält, die eine Vielzahl von Wärmeübertragungsein heiten in flacher Plattenbauweise aufweisen, die in ihrer Dickenrichtung in dem Eis-Thermospeicherbehälter geschichtet angeordnet sind, wobei Sammeleinheiten mit den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise verbunden und außerhalb des Wassers angeordnet sind.
Somit befinden sich Spalte zwischen den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise und den Sammlereinheiten zur Bildung unbenutzter Abschnitte außerhalb des Wassers, wodurch die Eisfüllrate erhöht werden kann.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind eine Vielzahl von Gleichrichtelementen in den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise so angeordnet, dass Strömungskanäle für ein Kühlmedium wiederholt abzweigen und zusammenkommen. Dadurch wird die Vermischung des Kühlmediums verbessert und die Dicke des gebildeten Eises vereinheitlicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vielzahl von Trennwänden mit Löchern in den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise angeordnet. Dadurch werden Kontaktabschnitte zwischen den Innenflächen der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise und den Trennwänden verringert, und es ist möglich, den thermischen Widerstand von der Außenseite der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise zu dem Kühlmedium zu reduzieren, das in der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise strömt, und den thermischen Widerstand gleichförmig zu machen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise so gebaut, dass zwei Platten zur Bildung von Strömungskanälen zwischen sich miteinander verbunden sind. Dadurch kann die Anzahl der Teile verringert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise so gebaut, dass zwei Platten zur Bildung von Strömungskanälen zwischen sich miteinander verbunden werden und unregelmäßige Gleichrichtelemente mit unterschiedlichen Neigungswinkeln in der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise angeordnet werden. Dadurch wird die Anzahl von Teilen verringert, das Kühlmedium kann in günstiger Weise verzweigt und zusammengeführt werden und der Druckverlust in der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise kann klein gehalten werden.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, in welchem Wärmeaustauscher installiert sind, die eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise aufweisen, die in Höhenrichtung eine Größe haben, die sich vom Boden des Eis-Thermospeicherbehälters bis nahe zur Oberseite eines Behältnisses des Behälters erstreckt, und die in Dickenrichtung geschichtet angeordnet sind.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Eis-Thermospeicherbehälter bereit, in welchem Wärmeaustauscher installiert sind, um ein Kühlmedium darin strömen zu lassen, wobei der Behälter eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise aufweist, die darin in ihrer Dickenrichtung geschichtet angeordnet sind, wobei das Kühlmedium an unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise einströmt und an oberen Abschnitten der Einheiten abfließt.
Nach der vorliegenden Erfindung haben die Wärmeübertragungseinheiten in flacher Plattenbauweise, die zum Zeitpunkt der Eisbildung als Verdampfer dienen, im Wesentlichen eine Größe, die sich in die Nähe der Oberseite eines Behältnisses des Eis-Thermospeicherbehälters erstreckt, und sind in dem Eis-Thermospeicherbehälter in Dickenrichtung geschichtet angeordnet, um Spalte zu beseitigen, die als unbenutzte Abschnitte in dem Eis-Thermospeicherbehälter für die Eisbildung nicht nutzbar sind, so dass man einen Eis-Thermospeicherbehälter erhalten kann, bei dem die Eisfüllrate für den Eis-Thermospeicherbehälter gesteigert werden kann.
Weiterhin haben nach der vorliegenden Erfindung die Wärmeübertragungseinheiten eine flache Plattenbauweise und werden in Dickenrichtung geschichtet angeordnet, wobei Eis an den Oberflächen der jeweiligen Wärmeübertragungseinheiten wachsen gelassen wird, so dass ein Eis-Thermospeicherbehälter erhalten werden kann, bei dem das Eis trotz der Eisbildung nach dem statischen Verfahren in der Dicke nicht mehr als erforderlich erhöht ist und der Wärmeübertragungswiderstand klein gehalten wird.
Weiterhin sind nach der vorliegenden Erfindung 20 bis 60 Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise mit einer Dicke von 3 bis 10 mm in ihrer Dickenrichtung geschichtet in Abständen von 10 bis 50 mm in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnet, wobei auf den Oberflächen der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise Eis gebildet und wachsen gelassen wird, so dass ein Eis-Thermospeicherbehälter erhalten werden kann, bei dem Spalte, die für die Eisbildung als unbenutzte Abschnitte nicht nutzbar sind, reduziert werden, um die Eisfüllrate bis zum einem Ausmaß von 87% zu steigern.
Schließlich sind nach der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise in ihrer Dickenrichtung geschichtet in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnet, wobei das Kühlmedium in die unteren Abschnitte der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise einströmt und an den oberen Abschnitten der Einheiten abfließt, so dass die Eisbildung an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise beginnt und zu den oberen Abschnitten der Einheiten in einem Zustand hin fortschreitet, dass Wasser nicht eingeschlossen wird. Deshalb kann ein Eis-Thermospeicherbehälter erhalten werden, bei dem Beschädigungen an den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise vermieden werden, die ein Teil des eingeschlossenen Wassers bei seinem Frieren und Ausdehnen verursachen würde.
Weiterhin sind nach der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise in ihrer Dickenrichtung geschichtet in dem Eis-Thermospeicherbehälter angeordnet, wobei Sammlereinheiten außerhalb des Wassers angeordnet und Spalte zwischen den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise und den Sammlereinheiten außerhalb des Wassers angeordnet sind, so dass ein Eis-Thermospeicherbehälter erhalten werden kann, bei dem die Eisfüllrate vergrößert ist.
Weiterhin ist nach der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise, die in ihrer Höhe eine Größe haben, die sich vom Boden des Eis-Thermospeicherbehälter bis nahe einer Oberseite eines Behältnisses des Behälters erstreckt, in Dickenrichtung geschichtet angeordnet, so dass ein Eis-Thermospeicherbehälter erhalten werden kann, bei dem die für die Eisbildung als unbenutzte Abschnitte nicht verwendbaren Spalte beseitigt sind, wodurch die Eisfüllrate gesteigert wird.
Schließlich ist nach der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise in ihrer Dickenrichtung geschichtet angeordnet, wobei das Kühlmedium an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise einströmt und an den oberen Abschnitten der Einheiten abfließt und die Eisbildung zu den oberen Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise in einen Zustand fortschreitet, bei dem Wasser nicht eingeschlossen wird, so dass ein Eis-Thermospeicherbe hälter erhalten werden kann, der frei von Schäden an den Wärmeübertragungseinheiten in Plattenbauweise ist, die ein Teil des eingeschlossenen Wassers beim Frieren und Expandieren verursachen würde.
Es werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen
1 eine Ansicht ist, die einen Aufbau eines Eis-Thermospeicherbehälters gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
2 eine Ansicht ist, die einen Aufbau eines Eis-Thermospeicherbehälters gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
3 eine Ansicht ist, die einen Aufbau eines Eis-Thermospeicherbehälters gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
4 eine Ansicht ist, die einen Aufbau eines Eis-Thermospeicherbehälters gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt,
5 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt,
6 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer zweiten Ausführung zeigt,
7 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer dritten Ausführung zeigt,
8 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer vierten Ausführung zeigt,
9 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer fünften Ausführung zeigt,
10 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer sechsten Ausführung zeigt,
11 eine Schnittansicht der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise längs der Linie XI-XI von 10 ist,
12 eine Ansicht ist, die eine Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemäß einer siebten Ausführung zeigt,
13 eine perspektivische Ansicht ist, die die Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise von 12 zeigt,
14 eine Ansicht ist, die einen Grundaufbau einer Klimaanlage in Eis-Thermospeicherbauweise zeigt, und
15 eine Schnittansicht von Wärmeübertragungsrohren nach dem Stand der Technik bei der Eisbildung ist.
Wie in 14 gezeigt ist, hat eine Klimaanlage in Eis-Thermospeicherbauweise eine Außenraumeinheit 7, in der ein Kompressor 6, ein Außenraum-Wärmeaustauscher 4 und dergleichen zusammengelegt sind, eine Thermospeichereinheit 8, in der ein Eis-Thermospeicherbehälter 1, eine Verzweigungsverrohrung und dergleichen zusammengelegt sind, sowie eine Innenraumeinheit 9 mit einem Innenraum-Wärmeaustauscher 5. Der Kältekreislauf läuft hauptsächlich nachts unter Verwendung von Nachtstrom, so dass in dem Eis-Thermospeicherbehälter 1 Kälte in Form von Eis gespeichert und die Kälte für die Klimatisierung am Tag genutzt wird. Wenn in dem Eis-Thermospeicherbehälter 1 Kälte gespeichert werden soll, wird ein Wärmeübertragungsrohr (Wärmeübertragungseinheit) 3 in dem Eis-Thermospeicherbehälter 1 so geschaltet, dass es in dem Kältekreislauf als Verdampfer arbeitet, so dass auf seiner Oberfläche Eis zur Speicherung von Kälte gebildet wird.
Im Kühlkreislauf strömt ein Kühlmedium mit hoher Temperatur und hohem Druck von dem Kompressor 6 durch den Außenraum-Wärmeaustauscher 4, der als Verflüssiger wirkt, durch ein Expansionsventil 24a, dessen Öffnungsgrad gesteuert wird, durch das Wärmeübertragungsrohr 3, das in dem Thermospeicherbehälter 1 als Verdampfer wirkt, und durch ein Ven til 25, bevor es zum Kompressor 6 zurückkehrt. Das Expansionsventil 24b ist vollständig geschlossen.
Wenn die gespeicherte Kälte für die Klimatisierung verwendet werden soll, wird der Wärmeaustauscher in dem Thermospeicherbehälter 1 als Teil des Verflüssigers in dem Kältekreislauf verwendet, so dass ein Kühlmedium mit hoher Temperatur und hohem Druck in dem Wärmeaustauscher strömen gelassen wird und Eis 2 von der Eisbildungsoberfläche des Wärmeübertragungsrohrs 3 zur Bereitstellung von Kälte abgetaut wird. Der Kältekreislauf läuft in der Reihe Kompressor 6, Außenraum-Wärmeaustauscher 4, der als Verflüssiger wirkt, Thermospeicherbehälter 1, Expansionsventil 24a und Innenraum-Wärmeaustauscher 5, der als Verdampfer wirkt (das Ventil 25 ist vollständig geschlossen).
In herkömmlicher Weise ist das Wärmeaustauschrohr 3, das für die Eisbildung in dem Eis-Thermospeicherbehälter 1 verwendet wird, ein Kupferrohr (mit einem Außendurchmesser von etwa 7 bis 9 mm), das einen kreisförmigen Querschnitt hat und zickzackförmig gebogen ist. Als Folge ist das auf der Oberfläche des Kupferrohrs gebildete Eis rohrförmig und hat, wie in 15 gezeigt ist, im Wesentlichen einen Kreisquerschnitt, wobei unbenutzte Abschnitte 10 zwischen den Eiskörpern 2 an benachbarten Abschnitten der Wärmeübertragungsrohre (Kupferrohr) 3 in vertikaler und seitlicher Richtung ausgebildet sind. Auf diese Weise liegt die Eisfüllrate (das Verhältnis des Eisvolumens zum gesamten eingefüllten Wasservolumen) höchstens bei etwa 65%.
Um die Eisfüllrate des in dem Thermospeicherbehälter 1 vorhandenen Eises auf 65% zu steigern, muss Eis 2 mit einer Dicke von 60 bis 70 mm auf der Oberfläche des Wärmeübertragungsrohres 3 gebildet werden, wobei der thermische Widerstand über die Erstreckung von der Wärmeübertragungsoberfläche zu der Oberfläche des gebildeten Eises mit der Bildung von Eis 2 zunimmt, so dass es lange dauert, bis die Eisbildung abgeschlossen ist.
Wenn Eis mit einer über eine vorgegebene Menge hinausgehende Menge erzeugt wird, schließen die Eiskörper 2, die an den Abschnitten von benachbarten Wärmeübertragungsrohren 3 wachsen, in dem unbenutzten Abschnitt 10 Wasser ein, so dass es an einem Entweichen gehindert ist, was zu der Möglichkeit führt, dass das Wasser in dem unbenutzten Abschnitt 10 friert und expandiert und dabei ein Brechen des Wärmeübertragungsrohrs 3 verursacht.
In 1 ist der zylinderförmige Eis-Thermospeicherbehälter 1a so gebaut, dass eine Vielzahl von vertikalen Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise vertikal in den Behälter so gepackt sind, dass sie in Dickenrichtung für das Absenken in den Behälter geschichtet sind. Bei dieser Anordnung kann zur Verbesserung der Eisfüllrate die Bildung von unbenutzten Abschnitten 10 zwischen benachbarten Wärmeübertragungseinheiten 14 und die Spalte um einen Sammler 14 auf der Kühlmitteleinlassseite und einen Sammler 12 auf der Auslassseite herum, die für die Eisbildung nicht nutzbar sind, vermieden werden. Beispielsweise stellt für einen zylindrischen Thermospeicherbehälter (Durchmesser 1100 × 1775) gefüllt mit 1,520 m³ Wasser eine Wärmeübertragungseinheit in Form eines Kupferrohrs (Rohrdurchmesser 8, Gesamtlänge 208 m) mit einem Kreisquerschnitt eine Menge von an ihm haftenden Eis von 0,988 m³ bei einer Eisfüllrate von etwa 65% bereit. Für einen zylindrischen Eis-Thermospeicherbehälter der gleichen Größe, gefüllt mit 43 Bahnen von 5 mm dicken Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise, die in ihren Dickenrichtungen mit einem Abstand von 25 mm geschichtet gepackt sind, kann die Eisfüllrate auf 87% gesteigert werden. Bei einem Thermospeicherbehälter mit einem Rechtecksquerschnitt können die Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise mit geringeren Spalten zwischen sich angeordnet werden, was die Eisfüllrate weiter steigert.
Wie in 1 gezeigt ist, sind der Sammler 11 auf der Kühlmitteleinlassseite und der Sammler 12 auf der Kühlmittelaunlassseite über den Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise so angeordnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise von oberhalb des zylindrischen Thermospeicherbehälters 1a eingeführt werden können, wodurch die Fertigungsqualität verbessert werden kann.
Da der Sammler auf der Einlassseite nicht in das Wasser eingetaucht ist, kann verhindert werden, dass sich an dem Sammler 11 auf der Einlassseite ungleichförmig Eis ausbildet, was das Wärmeübertragungsrohr beschädigen könnte. Im Falle eines Wärmeübertragungsrohrs mit Kreisquerschnitt hat weiterhin das um das Rohr herum gebildete Eis ebenfalls Kreisquerschnitt und bildet einen erhöhten Wert des thermischen Widerstands mit fortschreitender Thermospeicherung. Die Verwendung solcher Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise, wie sie in 1 gezeigt sind, macht jedoch den thermischen Widerstand proportional zur Dicke des gebildeten Eises, was eine Verkürzung des für die Thermospeicherung erforderlichen Zeitraums ermöglicht.
Obwohl bei dem Eis-Thermospeicherbehälter ein Kühlmittel, das in den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise geströmt ist, während der Eisbildung nach oben strömt, wird dem Wasser zwischen den Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise und dem zylindrischen Eis-Thermospeicherbehälter 1a Wärme durch das Kühlmedium 13 entzogen, das verdampft, so dass sich ein Zweiphasenstrom aus Dampf und Flüssigkeit ergibt, in welchem der Trocknungsgrad in der Höhenrichtung der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise variiert. Deshalb werden Gleichrichtelemente, die einen kleinen Druckverlust aufweisen, innerhalb der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise vorgesehen, um ein besseres Vermischen des Kühlmittels in Breitenrichtung der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise zu erreichen, um die Dicke des gebildeten Eises zu vergleichförmigen.
Zweckmäßigerweise wird als Kühlmittel ein nicht-azeotropes Kühlmittel vom Typ HFC407C als Kühlmittel bei der vorliegenden Klimaanlage in Eis-Thermospeicherbauweise verwendet, wobei das nicht-azeotrope Kühlmittel die Eigenschaft hat, dass seine Verdampfungstemperatur mit fortschreitender Verdampfung steigt. Obwohl in diesem Fall das Kühlmittel an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise zuströmt, um nach oben zu gehen, wird die Menge an den oberen Abschnitten der Einheiten, weil die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels mit fortschreitender Verdampfung ansteigt, umso geringer, je größer die Menge des an den unteren Abschnitten der Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise gebildeten Eises wird. Dadurch wird während des Eisbildungsprozesses kein Wasser zwischen den Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise eingeschlossen, sondern entweicht und steigt zu den oberen Abschnitten der Einheiten, so dass ein Schaden, den eingeschlossenes Wasser an den Wärmeübertragungseinheiten verursachen könnte, vermieden wird.
Gemäß 2 ist eine große Anzahl von Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise mit Rechtecksquerschnitt in Höhenrichtung des zylindrischen Thermospeicherbehälters 1a für das Absenken in das Wasser in dem Tank vertikal gepackt. Die Breite jeder Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise ist nicht an die Abmessung an den jeweiligen Montagestellen angepasst, es werden jedoch zwei Arten von Wärmeübertragungseinheiten 14a und 14b mit Grundbreiten von a bzw. b in Kombination verwendet, um den jeweiligen Thermospeicherbehälter 1a hochdicht zu füllen.
Auf diese Weise kann die Anzahl der gemeinsamen Teile zur Kostenreduzierung gesteigert werden, da Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise entsprechend den verschiedenen Thermospeicherbehältern nicht hergestellt werden, sondern Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise kombiniert werden, die mehrere Arten von Grundbreiten für ihr hochdichtes Packen haben.
Wenn die Wärmeübertragungseinheiten 14 in Kombination mit einem quadratischen Thermospeichertank 1b, wie er in 3 gezeigt ist, verwendet werden, können sie in dem Behälter weiterhin mit höherer Dichte als bei Verwendung eines zylindrischen Thermospeicherbehälters 1a gepackt werden, wodurch die Eisfüllrate weiter erhöht wird. Da die Sammler sich an dem oberen Abschnitt des Behälters zentrieren, ist es möglich, die Eisfüllrate eines vorhandenen Thermospeicherbehälters dadurch zu steigern, dass eine Gruppe herkömmlicher zickzackförmiger Wärmeübertragungsrohre aus dem vorhandenen Thermospeicherbehälter entfernt wird und stattdessen die Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise in den Behälter von oben geladen werden.
Gemäß 4 werden nicht nur Wärmeübertragungseinheiten 14 in Plattenbauweise mit Rechtecksquerschnitt, sondern auch gekrümmte Wärmeübertragungseinheiten 14c in Plattenbauweise in Kombination in den zylindrischen Eis-Thermospeicherbehälter 1a für das Absenken in das Wasser in dem Behälter gepackt. Dementsprechend wird die Rate, mit der Eis einen Raum nahe der Innenwand des zylindrischen Eis-Thermospeicherbehälters 1a besetzt, gesteigert, wodurch es möglich ist, die gesamte Eisfüllrate zu erhöhen.
Eine in 5 gezeigte Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise ist so gebaut, dass eine große Anzahl von scheibenförmigen Gleichrichtelementen 15a in ein Gehäuse 19 gepackt ist. Da beide Seiten der scheibenförmigen Gleichrichtelemente 15a an ihren Rändern abgefast sind, können die abgefasten Abschnitte der Gleichrichtelemente Strömungskanäle für das Kühlmittel 13 auch dann gewährleisten, wenn die Gleichrichtelemente 15a so gepackt sind, dass sie einander berühren. Dementsprechend wird das Mischen des Kühlmittels 13 verbessert, wodurch die Dicke des gebildeten Eises vergleichförmigt werden kann. Die Produktivität kann ebenfalls gesteigert werden, da das Gehäuse 19 der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise und die Gleichrichtelemente 15a nicht ein Stück miteinander bilden oder nicht festgelegt werden müssen, während sie mit Spalten für Strömungskanäle 23 für das Kühlmittel versehen sind.
Gemäß 6 ist eine große Anzahl von kordförmigen Gleichrichtelementen 15b in das Gehäuse 19 der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise gepackt und in der Packungsrate so variiert, dass Strömungskanäle 23 für das Kühlmittel entsprechend der Größe des Gehäuses 19 gewährleistet sind. Weiterhin kann ein Variieren der Packungsrate der kordförmigen Gleichrichtelemente 15b auch in Höhenrichtung der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise die Größen der Strömungskanäle 23 für das Kühlmittel entsprechend der Zusammensetzung der Zweiphasenströmung der Dampfflüssigkeit leicht variieren.
Gemäß 7 ist eine große Anzahl von rhombusförmigen Gleichrichtelementen 15 innerhalb beider Wärmeübertragungsflächen der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise vorgesehen, die in Montagestellungen so verschoben werden können, dass sie einander nicht überlappen. Obwohl das Kühlmittel 13 nur in Höhen- und Breitenrichtung der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise bei der in 5 gezeigten Anordnung gleichförmig gemischt wird, kann ein gleichförmiges Mischen des Kühlmittels 13 bei der Anordnung von 7 so ausgeführt werden, dass in Dickenrichtung der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise sowie in Höhen- und in Breitenrichtung der Wärmeübertragungseinheit in Plattenbauweise gemischt wird, wodurch es möglich ist, die Gleichförmigkeit des Zweiphasenstroms der Dampfflüssigkeit des Kühlmittels zu fördern.
Gemäß 8 ist eine große Anzahl von Trennwänden, von denen in jeder Löcher 21 ausgebildet sind, in dem Gehäuse 19 der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise in Höhen- und Breitenrichtung der Einheit vorgesehen, die Gleichrichtelemente 15 zur Bildung von Strömungskanälen 23 für das Kühlmittel bilden. Bei der in 7 gezeigten Anordnung ist es möglich, obwohl Kontaktabschnitte zwischen dem Gehäuse 19 der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise und den Gleichrichtelementen 15 verglichen mit denjenigen von 5 reduziert werden können, den thermischen Widerstand von der Wasseraußenseite der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise zu dem Kühlmittel 13, das in der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise strömt, zu reduzieren und den thermischen Widerstand für die Wärmeübertragungsoberfläche gleichförmiger zu gestalten.
Gemäß 9 sind die Kühlmitteleinlassrohre 16 zum Einführen eines Kühlmittels 13 in die Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise in einer Richtung (in Dickenrichtung des Gehäuses in der Zeichnung) abgeflacht, um Spalte zwischen den Rohren und dem Gehäuse klein zu halten, wodurch die Rohre als Trennwände 20 dienen, die als Gleichrichtelemente 15 wirken. Weiterhin sind teilweise an den jeweiligen Kühlmittelrohren 16 Verengungsabschnitte 22 vorgesehen, die als Strömungskanäle 23 für Kühlmittel dienen können. Deshalb kann der Prozess des Verbindens der Kühlmittelrohre 16 mit der Außenseite der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise entfallen und kann auch ein Ersatz der abgeflachten Kühlmittelrohre 16 für Teile von Trennwänden 20 die Anzahl der Teile verglichen mit der Anordnung von 8 reduzieren.
Gemäß 10 sind Platten 27a und 27b zur Bildung einer Wärmeübertragungseinheit miteinander verbunden und bilden ein Kühlmittelrohr 16 und Kühlmittelströmungskanäle 23. Eine der Platten 27a ist mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 26 versehen, die zu den zu verbindenden Oberflächen hin ausgetrieben sind. Dadurch kann die Anzahl der Bauteile beträchtlich reduziert werden, und die Arbeit zum Verbinden, Zuschneiden oder dergleichen zum Befestigen der Gleichrichtelemente, wie sie bei der Anordnung von 7 erforderlich ist, kann entfallen. Die Plattendicke der Vorsprünge 26 kann gleich der der übrigen Teile der Platten gemacht werden, so dass verhindert wird, dass der thermische Widerstand in der Umgebung der Vorsprünge 26 zunimmt.
Vorzugsweise ist ein Ölrückführrohr 17, das es einem in das Kühlmittel 13 eingemischten Schmiermittel 18 des Kompressors 6 erlaubt, wieder zum Kompressor 6 zurückzukehren, gewünschtenfalls in den unteren Abschnitt der Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise vorgesehen. Da das Kühlmitteleinlassrohr 16, die Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise, das Kühlmittelaunlassrohr 28 und das Ölrückführrohr 17 durch Miteinanderverbinden als ein Stück ausgebildet sind, können die Wärmeübertragungseinheit 14 in Plattenbauweise und das Kühlmitteleinlassrohr 16 auf verbundene Abschnitte oder dergleichen verzichten, deren Korrosion zur Verbesserung der Betriebssicherheit unterbunden werden kann.
Gemäß 12 sind Platten 27 zur Bildung der Wärmeübertragungseinheit miteinander verbunden und bilden ein Kühlmitteleinlassrohr 16 in einem Stück mit den Platten 27 auf gleiche Weise wie in 10 gezeigt. Um das Kühlmittel 13 aufzuzweigen und zusammenzuführen, sind unregelmäßig geformte Gleichrichtelemente 28 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln innerhalb der Platten 27 so befestigt, dass sie abwechselnd in Strömungsrichtung des Kühlmittels 13 angeordnet sind. Das Kühlmittel 13 strömt durch rohrförmige Strömungskanäle 23 (mit Rechtecksquerschnitt), wobei für das Kühlmittel die Kanäle von den Unregelmäßigkeiten der Gleichrichtelemente 28 und den Innenwänden der Platten 27 gebildet werden.
Die unregelmäßig geformten Gleichrichtelemente 28, die aufeinander folgend abwechselnd in der Strömungsrichtung des Kühlmittels 13 angeordnet sind, sind bezüglich einander, wie in 13 gezeigt ist, versetzt. Dementsprechend kann das Kühlmittel 13 verzweigt und zusammengeführt werden, wenn es aus dem unregelmäßig geformten Gleichrichtelement 28 zu dem stromabseitigen Gleichrichtelement 28 strömt.
Ferner macht es die Bereitstellung geeigneter Spalte zwischen den unregelmäßig geformten Gleichrichtelementen 28 möglich, die Verzweigung und das Zusammenströmen des Kühlmittels 13 zu fördern. Dementsprechend wird das längs der unregelmäßig geformten Gleichrichtelemente 28 strömende Kühlmittel 13 nur in einer Richtung auf den jeweiligen Stufen gleichgerichtet, so dass der Druckverlust zwischen den Platten 27 und einem Pegel gehalten werden kann, der niedriger ist als der bei der Anordnung von 5 und 7. Zusätzlich können die unregelmäßig geformten Gleichrichtelemente 28 für die jeweilige Stufe in einem Stück ausgebildet werden, um die Anzahl von Teilen (oder Prozessen) zu verringern.

Claims

Eis-Thermospeicherbehälter (1, 1a), in welchem eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) in Plattenbauweise in ihrer Dickenrichtung geschichtet angeordnet und in in dem Behälter (1, 1a) vorhandenem Wasser eingetaucht sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) an ihren unteren Abschnitten Kühlmediumzuflüsse und an ihren oberen Abschnitten Abflüsse aufweisen, wobei auf den Oberflächen der Einheiten (14, 14a, 14b, 14c) Eis gebildet wird.
Eis-Thermospeicherbehälter (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flachen Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) in Plattenbauweise in ihrer Dickenrichtung in Abständen von 10 bis 50 mm geschichtet angeordnet sind und jede der Einheiten (14, 14a, 14b, 14c) einen rechteckigen Querschnitt und eine Höhe hat, die sich vom Boden des Behälters (1, 1a) bis in die Nähe seines oberen Endes erstreckt.
Eis-Thermospeicherbehälter (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Trennwänden (20) mit Löchern (21) in jeder der Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) in Plattenbauweise angeordnet ist.
Eis-Thermospeicherbehälter (1, 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) in Plattenbauweise so gebaut sind, dass zwei Platten (27) zur Bildung von Strömungskanälen (23) dazwischen verbunden sind und dass eine Vielzahl von unregelmäßigen Gleichrichtelementen (28) mit unterschiedlichen Neigungswinkeln in jeder der Wärmeübertragungseinheiten (14, 14a, 14b, 14c) in Plattenbauweise angeordnet sind.
Eis-Thermospeicherbehälter (1, 1a) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheiten (14a, 14b) in Plattenbauweise Grundbreiten (a, b) haben und in Kombination verwendet werden, um den Behälter (1a) mit hoher Dichte zu füllen.